電子設(shè)計基礎(chǔ)（四）：二極管

　　肖特基二極管

　　基本原理是：在金屬(例如鉛)和半導(dǎo)體(N型硅片)的接觸面上，用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。肖特基與PN結(jié)的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V左右。其特長是：開關(guān)速度非?？欤悍聪蚧謴?fù)時間trr特別地短。因此，能制作開關(guān)二極和低壓大電流整流二極管。

　　2 根據(jù)用途分類

　　1、檢波用二極管就原理而言，從輸入信號中取出調(diào)制信號是檢波，以整流電流的大小(100mA)作為界線通常把輸出電流小于100mA的叫檢波。鍺材料點接觸型、工作頻率可達400MHz，正向壓降小，結(jié)電容小，檢波效率高，頻率特性好，為2AP型。類似點觸型那樣檢波用的二極管，除用于檢波外，還能夠用于限幅、削波、調(diào)制、混頻、開關(guān)等電路。也有為調(diào)頻檢波專用的特性一致性好的兩只二極管組合件。

　　2、整流用二極管就原理而言，從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整流電流的大小(100mA)作為界線通常把輸出電流大于100mA的叫整流。面結(jié)型，工作頻率小于KHz，最高反向電壓從25伏至3000伏分A～X共22檔。分類如下：①硅半導(dǎo)體整流二極管2CZ型、②硅橋式整流器QL型、③用于電視機高壓硅堆工作頻率近100KHz的2CLG型。

　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　3、限幅用二極管大多數(shù)二極管能作為限幅使用。也有象保護儀表用和高頻齊納管那樣的專用限幅二極管。為了使這些二極管具有特別強的限制尖銳振幅的作用，通常使用硅材料制造的二極管。也有這樣的組件出售：依據(jù)限制電壓需要，把若干個必要的整流二極管串聯(lián)起來形成一個整體。

　　4、調(diào)制用二極管通常指的是環(huán)形調(diào)制專用的二極管。就是正向特性一致性好的四個二極管的組合件。即使其它變?nèi)荻O管也有調(diào)制用途，但它們通常是直接作為調(diào)頻用。

　　5、混頻用二極管使用二極管混頻方式時，在500～10，000Hz的頻率范圍內(nèi)，多采用肖特基型和點接觸型二極管。

　　6、放大用二極管用二極管放大，大致有依靠隧道二極管和體效應(yīng)二極管那樣的負(fù)阻性器件的放大，以及用變?nèi)荻O管的參量放大。因此，放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應(yīng)二極管和變?nèi)荻O管。

　　7、開關(guān)用二極管有在小電流下(10mA程度)使用的邏輯運算和在數(shù)百毫安下使用的磁芯激勵用開關(guān)二極管。小電流的開關(guān)二極管通常有點接觸型和鍵型等二極管，也有在高溫下還可能工作的硅擴散型、臺面型和平面型二極管。開關(guān)二極管的特長是開關(guān)速度快。而肖特基型二極管的開關(guān)時間特短，因而是理想的開關(guān)二極管。2AK型點接觸為中速開關(guān)電路用;2CK型平面接觸為高速開關(guān)電路用;用于開關(guān)、限幅、鉗位或檢波等電路;肖特基(SBD)硅大電流開關(guān)，正向壓降小，速度快、效率高。

　　8、變?nèi)荻O管用于自動頻率控制(AFC)和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電壓， 使其PN結(jié)的靜電容量發(fā)生變化。因此，被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。通常，雖然是采用硅的擴散型二極管，但是也可采用合金擴散型、外延結(jié)合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管，因為這些二極管對于電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結(jié)電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調(diào)諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視機高頻頭的頻道轉(zhuǎn)換和調(diào)諧電路，多以硅材料制作。

　　9、頻率倍增用二極管對二極管的頻率倍增作用而言，有依靠變?nèi)荻O管的頻率倍增和依靠階躍(即急變)二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變?nèi)荻O管稱為可變電抗器，可變電抗器雖然和自動頻率控制用的變?nèi)荻O管的工作原理相同，但電抗器的構(gòu)造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復(fù)二極管，從導(dǎo)通切換到關(guān)閉時的反向恢復(fù)時間trr短，因此，其特長是急速地變成關(guān)閉的轉(zhuǎn)移時間顯著地短。如果對階躍二極管施加正弦波，那么，因tt(轉(zhuǎn)移時間)短，所以輸出波形急驟地被夾斷，故能產(chǎn)生很多高頻諧波。

　　10、穩(wěn)壓二極管是代替穩(wěn)壓電子二極管的產(chǎn)品。被制作成為硅的擴散型或合金型。是反向擊穿特性曲線急驟變化的二極管。作為控制電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓使用而制作的。二極管工作時的端電壓(又稱齊納電壓)從3V左右到150V，按每隔10%，能劃分成許多等級。在功率方面，也有從200mW至100W以上的產(chǎn)品。工作在反向擊穿狀態(tài)，硅材料制作，動態(tài)電阻RZ很小，一般為2CW型;將兩個互補二極管反向串接以減少溫度系數(shù)則為2DW型。

　　11、PIN型二極管(PIN Diode)這是在P區(qū)和N區(qū)之間夾一層本征半導(dǎo)體(或低濃度雜質(zhì)的半導(dǎo)體)構(gòu)造的晶體二極管。PIN中的I是“本征”意義的英文略語。當(dāng)其工作頻率超過100MHz時，由于少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)和“本征”層中的渡越時間效應(yīng)，其二極管失去整流作用而變成阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時，“本征”區(qū)的阻抗很高;在直流正向偏置時，由于載流子注入“本征”區(qū)，而使“本征”區(qū)呈現(xiàn)出低阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應(yīng)用于高頻開關(guān)(即微波開關(guān))、移相、調(diào)制、限幅等電路中。

　　12、 雪崩二極管 (Avalanche Diode)它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是欒的：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時間，若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r間，那么，在電流和電壓關(guān)系上就會出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應(yīng)用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。

　　13、江崎二極管 (Tunnel Diode)它是以隧道效應(yīng)電流為主要電流分量的晶體二極管。其基底材料是砷化鎵和鍺。其P型區(qū)的N型區(qū)是高摻雜的(即高濃度雜質(zhì)的)。隧道電流由這些簡并態(tài)半導(dǎo)體的量子力學(xué)效應(yīng)所產(chǎn)生。發(fā)生隧道效應(yīng)具備如下三個條件：①費米能級位于導(dǎo)帶和滿帶內(nèi);②空間電荷層寬度必須很窄(0.01微米以下);簡并半導(dǎo)體P型區(qū)和N型區(qū)中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數(shù)有峰谷電流比(IP/PV)，其中，下標(biāo)“P”代表“峰”;而下標(biāo)“V”代表“谷”。江崎二極管可以被應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中(其工作頻率可達毫米波段)，也可以被應(yīng)用于高速開關(guān)電路中。

　　14、快速關(guān)斷(階躍恢復(fù))二極管 (Step Recovary Diode)它也是一種具有PN結(jié)的二極管。其結(jié)構(gòu)上的特點是：在PN結(jié)邊界處具有陡峭的雜質(zhì)分布區(qū)，從而形成“自助電場”。由于PN結(jié)在正向偏壓下，以少數(shù)載流子導(dǎo)電，并在PN結(jié)附近具有電荷存貯效應(yīng)，使其反向電流需要經(jīng)歷一個“存貯時間”后才能降至最小值(反向飽和電流值)。階躍恢復(fù)二極管的“自助電場”縮短了存貯時間，使反向電流快速截止，并產(chǎn)生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設(shè)計出梳狀頻譜發(fā)生電路?？焖訇P(guān)斷(階躍恢復(fù))二極管用于脈沖和高次諧波電路中。

　　15、肖特基二極管 (Schottky Barrier Diode)

　　二極管電路

　　它是具有肖特基特性的“金屬半導(dǎo)體結(jié)”的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外，還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導(dǎo)體材料采用硅或砷化鎵，多為N型半導(dǎo)體。這種器件是由多數(shù)載流子導(dǎo)電的，所以，其反向飽和電流較以少數(shù)載流子導(dǎo)電的PN結(jié)大得多。由于肖特基二極管中少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)甚微，所以其頻率響僅為RC時間常數(shù)限制，因而，它是高頻和快速開關(guān)的理想器件。其工作頻率可達100GHz。并且，MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發(fā)光二極管。

　　16、阻尼二極管具有較高的反向工作電壓和峰值電流，正向壓降小，高頻高壓整流二極管，用在電視機行掃描電路作阻尼和升壓整流用。

　　17、瞬變電壓抑制二極管TVP管，對電路進行快速過壓保護，分雙極型和單極型兩種，按峰值功率(500W-5000W)和電壓(8.2V～200V)分類。

　　18、雙基極二極管(單結(jié)晶體管)兩個基極，一個發(fā)射極的三端負(fù)阻器件，用于張馳振蕩電路，定時電壓讀出電路中，它具有頻率易調(diào)、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

　　19、發(fā)光二極管用磷化鎵、磷砷化鎵材料制成，體積小，正向驅(qū)動發(fā)光。工作電壓低，工作電流小，發(fā)光均勻、壽命長、可發(fā)紅、黃、綠單色光。

　　20.、硅功率開關(guān)二極管硅功率開關(guān)二極管具有高速導(dǎo)通與截止的能力。它主要用于大功率開關(guān)或穩(wěn)壓電路、直流變換器、高速電機調(diào)速及在驅(qū)動電路中作高頻整流及續(xù)流箝拉，具有恢復(fù)特性軟、過載能力強的優(yōu)點、廣泛用于計算機、雷達電源、步進電機調(diào)速等方面。

　　21、旋轉(zhuǎn)二極管主要用于無刷電機勵磁、也可作普通整流用。

　　3 根據(jù)特性分類

　　點接觸型二極管，按正向和反向特性分類如下。

　　1、一般用點接觸型二極管這種二極管正如標(biāo)題所說的那樣，通常被使用于檢波和整流電路中，是正向和反向特性既不特別好，也不特別壞的中間產(chǎn)品。如：SD34、SD46、1N34A等等屬于這一類。

　　2、高反向耐壓點接觸型二極管是最大峰值反向電壓和最大直流反向電壓很高的產(chǎn)品。使用于高壓電路的檢波和整流。這種型號的二極管一般正向特性不太好或一般。在點接觸型鍺二極管中，有SD38、1N38A、OA81等等。這種鍺材料二極管，其耐壓受到限制。要求更高時有硅合金和擴散型。

　　3、高反向電阻點接觸型二極管正向電壓特性和一般用二極管相同。雖然其反方向耐壓也是特別地高，但反向電流小，因此其特長是反向電阻高。使用于高輸入電阻的電路和高阻負(fù)荷電阻的電路中，就鍺材料高反向電阻型二極管而言，SD54、1N54A等等屬于這類二極管。

　　4、高傳導(dǎo)點接觸型二極管它與高反向電阻型相反。其反向特性盡管很差，但使正向電阻變得足夠小。對高傳導(dǎo)點接觸型二極管而言，有SD56、1N56A等等。對高傳導(dǎo)鍵型二極管而言，能夠得到更優(yōu)良的特性。這類二極管，在負(fù)荷電阻特別低的情況下，整流效率較高。

　　4 LED發(fā)光二極管如何分類

　　1.按發(fā)光管發(fā)光顏色分

　　按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

　　2.按發(fā)光管出光面特征分

　　按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。

　　圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的?發(fā)光二極管記作T-1;把 φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

　　(1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

　　(2)標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°~45°。

　　(3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°~90°或更大，散射劑的量較大。

　　五、二極管的主要參數(shù)

　　用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標(biāo)，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。對初學(xué)者而言，必須了解以下幾個主要參數(shù)：

　　1.反向飽和漏電流IR

　　指在二極管兩端加入反向電壓時，流過二極管的電流，該電流與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。在常溫下，硅管的IR為納安(10-9A)級，鍺管的IR為微安(10-6A)級。

　　2.額定整流電流IF

　　指二極管長期運行時，根據(jù)允許溫升折算出來的平均電流值。目前大功率整流二極管的IF值可達1000A。

　　3. 最大平均整流電流IO

　　在半波整流電路中，流過負(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。這是設(shè)計時非常重要的值。

　　4. 最大浪涌電流IFSM

　　允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個值相當(dāng)大。

　　5.最大反向峰值電壓VRM

　　即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達幾千伏。

　　6. 最大直流反向電壓VR

　　上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓時的值。用于直流電路，最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。

　　7.最高工作頻率fM

　　由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當(dāng)工作頻率超過某一值時，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。點接觸式二極管的fM值較高，在100MHz以上;整流二極管的fM較低，一般不高于幾千赫。

　　8.反向恢復(fù)時間Trr

　　當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時，二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上，一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量，就是反向恢復(fù)時間。雖然它直接影響二極管的開關(guān)速度，但不一定說這個值小就好。也即當(dāng)二極管由導(dǎo)通突然反向時，反向電流由很大衰減到接近IR時所需要的時間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時，此項指標(biāo)至為重要。

　　9. 最大功率P

　　二極管中有電流流過，就會吸熱，而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個極限參數(shù)對穩(wěn)壓二極管，可變電阻二極管顯得特別重要。