3.2 小信號模型

　　二極管小信號模型如上圖所示。如二極管在靜態工作點Q（vD=VD，iD=ID）附近工作，則可把V-I特性看成為一條直線，其斜率的倒數就是所要求的小信號模型的微變電阻rd。

　　rd=dvD/diD

　　rd的數值還可從二極管的V-I特性表達式導出。

　　（1）

　　取iD對vD的微分，可得微變電導

　　由此可得

　　（當T=300K時）

　　例如，當Q點上的ID=2mA時，rd=26mV/2mV=13W。

　　值得注意的是，式（1）是二極管正向V-I特性一個很好的模型，稱之為指數模型。利用它并根據數學迭代原理，可以較準確地分析二極管電路。如借助PSPICE程序，指數模型更便于使用。

　　4 特殊二極管

　　穩壓管的雜質濃度較大，空間電荷區很窄，容易形成強電場。產生反向擊穿時反向電流急增，如圖b的特性所示。穩壓管的穩壓作用在于，電流增量很大，只引起很小的電壓變化。

　　在穩壓管穩壓電路中一般都加限流電阻R，使穩壓管電流工作在IZmax和IZmix的范圍。

　　齊納二極管又稱穩壓管，是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管，其代表符號如圖a所示。前已提及，這種管子的雜質濃度比較大，空間電荷區內的電荷密度也大，因而該區域很窄，容易形成強電場。當反向電壓加到某一定值時，反向電流急增，產生反向擊穿，如圖b的特性所示。圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩壓管的穩定電壓。穩壓管的穩壓作用在于，電流增量DIZ很大，只引起很小的電壓變化DVZ。曲線愈陡，動態電阻rz=DVZ/DIZ愈小，穩壓管的穩壓性能愈好。一般地說，VZ為8V左右的穩壓管的動態電阻較小，低于這個電壓的，rZ隨齊納電壓的下降迅速增加，因而低壓穩壓管的穩壓性能較差。穩壓管的穩定電壓VZ，低的為3V，高的可達300V，它的正向壓降約為0.6V。

　　在穩壓管穩壓電路中一般都加限流電阻R，使穩壓管電流工作在IZmax和IZmix的范圍。穩壓管在應用中要采取適當的措施限制通過管子的電流，以保證管子不會因過熱而燒壞。

　　4.1 并聯式穩壓電路

　　穩壓電路如圖所示。該電路能夠穩定輸出電壓，當V1或RL變化時，電路能自動地調整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達到使輸出電壓V0（VZ）基本恒定的目的。例如，當VI恒定而RL減小時，將產生如下的自動調整過程：

　　RLˉ?IO-?IR-?VOˉ?IZˉ?IRˉ

　　VO-

　　VO能基本維持恒定。

　　穩壓管在直流穩壓電源中獲得廣泛的應用。穩壓電路如圖所示。圖中DZ為穩壓管，R為限流電阻的作用是使電路有一個合適的工作狀態。因負載RL與穩壓管兩端并接，故稱為并聯式穩壓電路。

　　該電路之所以能夠穩定輸出電壓，在于當穩定電流IZ有較大幅度的變化DIZ時，而穩定電壓的變化DVZ卻很小。這樣，當V1或RL變化時，電路能自動地調整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達到維持輸出電壓V0（VZ）基本恒定的目的。例如，當VI恒定而RL減小時，將產生如下的自動調整過程：

　　RLˉ?IO-?IR-?VOˉ?IZˉ?IRˉ

　　VO-

　　可見VO能基本維持恒定。同理，亦可分析當RL增大時，亦可得出Vo基本維持恒定的結論。

　　二極管結電容的大小除了與本身結構和工藝有關外，還與外加電壓有關。結電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應顯著的二極管稱為變容二極管。

　　圖a為變容二極管的代表符號，圖b是變容二極管的特性曲線。不同型號的管子，其電容最大值可能是5~300pF。最大電容與最小電容之比約為5:1。變容二極管在高頻技術中應用較多。

　　三、二極管的應用

　　1、整流二極管　　利用二極管單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電。

　　2、開關元件　　二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導通狀態，相當于一只接通的開關；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止狀態，如同一只斷開的開關。利用二極管的開關特性，可以組成各種邏輯電路。

　　3、限幅元件　　二極管正向導通后，它的正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內。

　　4、繼流二極管　　在開關電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。

　　5、檢波二極管　　在收音機中起檢波作用。

　　6、變容二極管　　使用于電視機的高頻頭中。

　　7、顯示元件　　用于VCD、DVD、計算器等顯示器上。

　　8、穩壓二極管　　反向擊穿電壓恒定，且擊穿后可恢復，利用這一特性可以實現穩壓電路。

　　四、二極管的類型

　　二極管種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開關二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發光二極管、硅功率開關二極管、旋轉二極管等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN結”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩定可靠，多用于開關、脈沖及高頻電路中。

　　貼片二極管

　　1 根據構造分類

　　半導體二極管主要是依靠PN結而工作的。與PN結不可分割的點接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極管的范圍內。包括這兩種型號在內，根據PN結構造面的特點，把晶體二極管分類如下：

　　點接觸型二極管

　　點接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PN結的靜電容量小，適用于高頻電路。但是，與面結型相比較，點接觸型二極管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大電流和整流。因為構造簡單，所以價格便宜。對于小信號的檢波、整流、調制、混頻和限幅等一般用途而言，它是應用范圍較廣的類型。

　　鍵型二極管

　　鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔接或銀的細絲而形成的。其特性介于點接觸型二極管和合金型二極管之間。與點接觸型相比較，雖然鍵型二極管的PN結電容量稍有增加，但正向特性特別優良。多作開關用，有時也被應用于檢波和電源整流（不大于50mA）。在鍵型二極管中，熔接金絲的二極管有時被稱金鍵型，熔接銀絲的二極管有時被稱為銀鍵型。

　　合金型二極管

　　在N型鍺或硅的單晶片上，通過合金銦、鋁等金屬的方法制作PN結而形成的。正向電壓降小，適于大電流整流。因其PN結反向時靜電容量大，所以不適于高頻檢波和高頻整流。

　　擴散型二極管

　　在高溫的P型雜質氣體中，加熱N型鍺或硅的單晶片，使單晶片表面的一部變成P型，以此法PN結。因PN結正向電壓降小，適用于大電流整流。最近，使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉移到硅擴散型。

　　臺面型二極管

　　PN結的制作方法雖然與擴散型相同，但是，只保留PN結及其必要的部分，把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部分便呈現出臺面形，因而得名。初期生產的臺面型，是對半導體材料使用擴散法而制成的。因此，又把這種臺面型稱為擴散臺面型。對于這一類型來說，似乎大電流整流用的產品型號很少，而小電流開關用的產品型號卻很多。

　　平面型二極管

　　在半導體單晶片（主要地是N型硅單晶片）上，擴散P型雜質，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅選擇性地擴散一部分而形成的PN結。因此，不需要為調整PN結面積的藥品腐蝕作用。由于半導體表面被制作得平整，故而得名。并且，PN結合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認為是穩定性好和壽命長的類型。最初，對于被使用的半導體材料是采用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。對平面型二極管而言，似乎使用于大電流整流用的型號很少，而作小電流開關用的型號則很多。

　　合金擴散型二極管

　　它是合金型的一種。合金材料是容易被擴散的材料。把難以制作的材料通過巧妙地摻配雜質，就能與合金一起過擴散，以便在已經形成的PN結中獲得雜質的恰當的濃度分布。此法適用于制造高靈敏度的變容二極管。

　　外延型二極管

　　用外延面長的過程制造PN結而形成的二極管。制造時需要非常高超的技術。因能隨意地控制雜質的不同濃度的分布，故適宜于制造高靈敏度的變容二極管。

　　肖特基二極管

　　基本原理是：在金屬（例如鉛）和半導體（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：開關速度非常快：反向恢復時間trr特別地短。因此，能制作開關二極和低壓大電流整流二極管。

　　2 根據用途分類

　　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、調制、混頻、開關等電路。也有為調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。

　　內部結構

　　3、限幅用二極管　　大多數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：依據限制電壓需要，把若干個必要的整流二極管串聯起來形成一個整體。

　　4、調制用二極管　　通常指的是環形調制專用的二極管。就是正向特性一致性好的四個二極管的組合件。即使其它變容二極管也有調制用途，但它們通常是直接作為調頻用。

　　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，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二極管那樣的負阻性器件的放大，以及用變容二極管的參量放大。因此，放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應二極管和變容二極管。

　　7、開關用二極管　　有在小電流下（10mA程度）使用的邏輯運算和在數百毫安下使用的磁芯激勵用開關二極管。小電流的開關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。開關二極管的特長是開關速度快。而肖特基型二極管的開關時間特短，因而是理想的開關二極管。2AK型點接觸為中速開關電路用；2CK型平面接觸為高速開關電路用；用于開關、限幅、鉗位或檢波等電路；肖特基（SBD）硅大電流開關，正向壓降小，速度快、效率高。

　　8、變容二極管　　用于自動頻率控制（AFC）和調諧用的小功率二極管稱變容二極管。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結的靜電容量發生變化。因此，被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。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。結電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調諧回路、振蕩電路、鎖相環路，常用于電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路，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，有依靠變容二極管的頻率倍增和依靠階躍（即急變）二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變容二極管稱為可變電抗器，可變電抗器雖然和自動頻率控制用的變容二極管的工作原理相同，但電抗器的構造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復二極管，從導通切換到關閉時的反向恢復時間trr短，因此，其特長是急速地變成關閉的轉移時間顯著地短。如果對階躍二極管施加正弦波，那么，因tt（轉移時間）短，所以輸出波形急驟地被夾斷，故能產生很多高頻諧波。

　　10、穩壓二極管　　是代替穩壓電子二極管的產品。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。作為控制電壓和標準電壓使用而制作的。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以上的產品。工作在反向擊穿狀態，硅材料制作，動態電阻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則為2DW型。

　　11、PIN型二極管（PIN Diode）　　這是在P區和N區之間夾一層本征半導體（或低濃度雜質的半導體）構造的晶體二極管。PIN中的I是“本征”意義的英文略語。當其工作頻率超過100MHz時，由于少數載流子的存貯效應和“本征”層中的渡越時間效應，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”區的阻抗很高；在直流正向偏置時，由于載流子注入“本征”區，而使“本征”區呈現出低阻抗狀態。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應用于高頻開關（即微波開關）、移相、調制、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生高頻振蕩的晶體管。產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，出現延遲時間，若適當地控制渡越時間，那么，在電流和電壓關系上就會出現負阻效應，從而產生高頻振蕩。它常被應用于微波領域的振蕩電路中。

　　13、江崎二極管 （Tunnel Diode）　　它是以隧道效應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型區的N型區是高摻雜的（即高濃度雜質的）。隧道電流由這些簡并態半導體的量子力學效應所產生。發生隧道效應具備如下三個條件：①費米能級位于導帶和滿帶內；②空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；簡并半導體P型區和N型區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。其主要參數有峰谷電流比（IP/PV），其中，下標“P”代表“峰”；而下標“V”代表“谷”。江崎二極管可以被應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），也可以被應用于高速開關電路中。

　　14、快速關斷（階躍恢復）二極管 （Step Recovary Diode）　　它也是一種具有PN結的二極管。其結構上的特點是：在PN結邊界處具有陡峭的雜質分布區，從而形成“自助電場”。由于PN結在正向偏壓下，以少數載流子導電，并在PN結附近具有電荷存貯效應，使其反向電流需要經歷一個“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，并產生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設計出梳狀頻譜發生電路。快速關斷（階躍恢復）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“金屬半導體結”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。其半導體材料采用硅或砷化鎵，多為N型半導體。這種器件是由多數載流子導電的，所以，其反向飽和電流較以少數載流子導電的PN結大得多。由于肖特基二極管中少數載流子的存貯效應甚微，所以其頻率響僅為RC時間常數限制，因而，它是高頻和快速開關的理想器件。其工作頻率可達100GHz。并且，MIS（金屬－絕緣體－半導體）肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發光二極管。

　　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（單結晶體管）　　兩個基極，一個發射極的三端負阻器件，用于張馳振蕩電路，定時電壓讀出電路中，它具有頻率易調、溫度穩定性好等優點。

　　19、發光二極管　　用磷化鎵、磷砷化鎵材料制成，體積小，正向驅動發光。工作電壓低，工作電流小，發光均勻、壽命長、可發紅、黃、綠單色光。

　　20.、硅功率開關二極管　　硅功率開關二極管具有高速導通與截止的能力。它主要用于大功率開關或穩壓電路、直流變換器、高速電機調速及在驅動電路中作高頻整流及續流箝拉，具有恢復特性軟、過載能力強的優點、廣泛用于計算機、雷達電源、步進電機調速等方面。

　　21、旋轉二極管　　主要用于無刷電機勵磁、也可作普通整流用。

　　3 根據特性分類

　　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。對高傳導點接觸型二極管而言，有SD56、1N56A等等。對高傳導鍵型二極管而言，能夠得到更優良的特性。這類二極管，在負荷電阻特別低的情況下，整流效率較高。