前言

最近項(xiàng)目需求做一個(gè)二極管限幅電路，要把信號為±4.5V的正弦信號限幅在±1.3V，而且這個(gè)信號頻率還不低，之前用普通的二極管實(shí)驗(yàn)，效果不太滿意，所以決定好好研究。目前也是小有成果，結(jié)尾給大家分享一下，先從二極管最基礎(chǔ)的理論說起，然后說說二極管的各種參數(shù)，最后說一下目前實(shí)驗(yàn)成果。

一、二極管是什么?

二極管是一種電子器件，只允許電流由單一方向流過。我們常用的理想模型是：當(dāng)二極管兩側(cè)施加正向電壓且大于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，將二極管看作是導(dǎo)線短路;若二極管兩側(cè)施加的正向電壓小于導(dǎo)通電壓或施加反向電壓時(shí)，將二極管看作斷路。

這樣的話就造就了二極管很多用途，也生產(chǎn)了很多不同種類的二極管：發(fā)光二極管、穩(wěn)壓二極管、肖特基二極管、光電二極管、開關(guān)二極管、瞬態(tài)抑制二極管、PIN二極管等。我們在實(shí)驗(yàn)中，想要達(dá)到預(yù)期目的，就需要好好的挑選二極管的種類，二極管的型號，二極管的參數(shù)，二極管的封裝等等。

如果你想快上手的話，可以直接跳到下面講參數(shù)的那一節(jié)，接下來我會先從二極管的工作原理講起，是為了更好的理解二極管的各種參數(shù)，遇到故障也好分析。

二、二極管原理

1.PN結(jié)

講二極管是避不開PN結(jié)的，我們也從PN結(jié)開始。二極管其實(shí)就是套了殼子的PN結(jié)，所以想要弄懂二極管就得了解PN結(jié)。

二極管首先是要用來導(dǎo)電的，所以材料先是導(dǎo)電的。按照導(dǎo)電性分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料有四價(jià)硅和鍺，它們的最外層有四個(gè)電子，既容易得電子也容易失電子。純凈的半導(dǎo)體又稱本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能較差，不能直接制造半導(dǎo)體器件。我們?nèi)藶榈募尤胍恍╇s質(zhì)，在本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)元素(硼)，或者加入五價(jià)元素(磷)。如圖1所示。

圖1 摻雜半導(dǎo)體

三價(jià)元素(硼)，最外層只有三個(gè)電子，然而硅和鍺最外層有四個(gè)電子，那就會少一個(gè)電子，那就形成了空穴(原子最外層最多8個(gè)電子，少一個(gè)電子，就會多一個(gè)空穴。一個(gè)蘿卜一個(gè)坑的意思)，這個(gè)就是P型半導(dǎo)體。所以P型半導(dǎo)體是含空穴濃度較高的半導(dǎo)體。濃度高的為多子，即空穴。

五價(jià)元素(磷)，最外層有五個(gè)電子，多出一個(gè)電子，這個(gè)就是N型半導(dǎo)體。所以N型半導(dǎo)體是含電子濃度較高的半導(dǎo)體。濃度高的為多子，即電子。如圖2所示。

圖2 N型、P型半導(dǎo)體內(nèi)部電子空穴分布

當(dāng)載流子濃度相差大的話，就會發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，就是高濃度向低濃度擴(kuò)散。在擴(kuò)散前，N區(qū)呈電中性，P區(qū)呈電中性。P區(qū)的多子空穴會因N區(qū)的少子濃度低而向N區(qū)擴(kuò)散，同理，N區(qū)的多子電子會向P區(qū)擴(kuò)散。那么擴(kuò)散的過程電子和空穴就會結(jié)合，從而形成耗盡層。此時(shí)耗盡層因空穴電子的結(jié)合呈電中性，但N區(qū)少了多子電子，所以對外呈現(xiàn)正電;P區(qū)少了多子空穴，所以對外呈現(xiàn)負(fù)電。正電和負(fù)電之間會形成電場，又稱內(nèi)電場。如圖3所示。耗盡層越寬，說明空穴電子結(jié)合的越多，那么P區(qū)N區(qū)的電性越強(qiáng)，則內(nèi)電場越強(qiáng)。內(nèi)電場的作用會抑制多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(電場力作用)，也會使少子發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)。時(shí)刻記住多子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，少子發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)。在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、漂移運(yùn)動(dòng)的作用下，耗盡層的寬度是有限度的，當(dāng)兩者平衡，耗盡層寬度就不變了，耗盡層又稱PN結(jié)。

圖3 內(nèi)電場分布

2.PN結(jié)正偏

當(dāng)P區(qū)(positive)接電源正極，N區(qū)(negative)接電源負(fù)極，此時(shí)二極管正偏。可以根據(jù)它們的英文記住電源接法。電流方向由P區(qū)流向N區(qū)，這與PN結(jié)內(nèi)部的內(nèi)電場方向相反，當(dāng)電壓大于內(nèi)電場電壓時(shí)，外部的電源抵消了其內(nèi)電場。內(nèi)電場抵消了，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷慢慢變成了P區(qū)和N區(qū)(當(dāng)兩側(cè)的多子濃度變低，耗盡層會變寬。此時(shí)外加偏置電壓，兩側(cè)多子濃度變高，耗盡層被擠壓變窄)，兩側(cè)的多子會不斷的擠壓耗盡層，使耗盡層變窄，電池不斷向兩側(cè)注入多子，兩側(cè)對應(yīng)的也會有少子流出，這個(gè)過程就會一直進(jìn)行。直到最薄的時(shí)候，會形成一個(gè)擴(kuò)散電流，這個(gè)時(shí)候二極管就導(dǎo)通了。過程如圖4所示。

圖4 二極管正偏

3.PN結(jié)反偏

當(dāng)P區(qū)(positive)接電源負(fù)極，N區(qū)(negative)接電源正極，此時(shí)二極管反偏。P區(qū)的多子空穴會和電源負(fù)極注入的電子結(jié)合而使P區(qū)多子濃度下降，同理N區(qū)的多子電子濃度也會下降。多子濃度下降，耗盡層變寬，內(nèi)電場增強(qiáng)。內(nèi)部多子濃度不斷下降，那就不會形成以多子行動(dòng)的電流了。但內(nèi)電場的加強(qiáng)也會產(chǎn)生少子漂移運(yùn)動(dòng)，但少子太少了，就會導(dǎo)致這個(gè)電流很小。如圖4所示。

圖4 二極管反偏

但是當(dāng)外加反向電壓不斷增大，使耗盡層不斷變寬，內(nèi)電場不斷增大，那么少子發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)所具備的能量增多，巨大的能量就會撞擊出價(jià)帶中的少子，所帶出的少子也具有巨大的能量，從而帶出更多的少子。最終耗盡層阻擋不了，就會使少子漂移產(chǎn)生的電流激增。這樣就形成了我們熟知的二極管伏安特性曲線，如圖5所示。

圖5 二極管伏安特性曲線

正向電壓低于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管幾乎沒有電流。當(dāng)正向電壓接近二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)，會產(chǎn)生微弱的電流。當(dāng)正向電壓大于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，電流就會激增，需要接限流電阻，防止燒壞器件。

反向的同理，當(dāng)大于反向電壓時(shí)，會使電流激增，需要限流，不然會形成熱擊穿，燒壞二極管。可能造成短路或者斷路。

4.PN結(jié)反向恢復(fù)過程

理想情況下，當(dāng)二極管兩側(cè)的電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，二極管的電流方向也應(yīng)該立馬翻轉(zhuǎn)。但實(shí)際上，二極管存在反向電流和反向恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)二極管正偏時(shí)，由于N區(qū)的電子(多子)在電場力的作用下穿過耗盡層，在P區(qū)靠近耗盡層附近堆積，此時(shí)N區(qū)的多子變成了P區(qū)的少子;同理，P區(qū)的空穴(多子)在電場力的作用下穿過耗盡層，在N區(qū)靠近耗盡層附近堆積，P區(qū)的多子變成了N區(qū)的少子。這個(gè)密度隨著距離耗盡層的距離增大而指數(shù)下降，可見圖6理解。

圖6 PN結(jié)兩側(cè)少子濃度分布

耗盡層對于多子來說很難穿越，但對于少子來說很容易穿越。當(dāng)二極管兩側(cè)的電壓方向突然轉(zhuǎn)變時(shí)，耗盡層兩側(cè)堆積的少子不會突然減少，同時(shí)由于正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)變窄，電阻會變很小，所以反偏一瞬間的電阻可以忽略不計(jì)，形成很大的反向電流，該電流值就是通過電壓除以限流電阻得出的值。所以就是電荷的存儲效應(yīng)導(dǎo)致了二極管存在反向恢復(fù)的過程，我們應(yīng)用時(shí)應(yīng)該考慮反向恢復(fù)時(shí)間是否滿足我們的要求，限流電阻設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮反向恢復(fù)電流是否超過二極管的最大值。

5.PN結(jié)電容效應(yīng)

耗盡層幾乎沒有可移動(dòng)的自由電荷，所以電導(dǎo)率會很低，就可以看作為介質(zhì)。而N區(qū)和P區(qū)有可移動(dòng)的自由電荷，電導(dǎo)率很高，就可以看作為導(dǎo)體。那么整體就可以看作為電容，如圖7所示。

圖7 PN結(jié)等效為電容

這樣就會產(chǎn)生勢壘電容：因耗盡層寬窄變化引起電荷的積累和釋放的過程所等效的電容稱為勢壘電容，如圖8所示。外界電壓的變化會導(dǎo)致耗盡層發(fā)生變化，就會有勢壘電容的產(chǎn)生。該容值一般在0.1~100PF之間，對高頻影響很大。

圖8 勢壘電容形成

前邊講到PN結(jié)的反向恢復(fù)過程有講到電荷的存儲效應(yīng)，PN結(jié)兩側(cè)施加的電壓不同，會導(dǎo)致耗盡層兩側(cè)少子的濃度變化。這個(gè)電荷的積累和釋放的過程與電容的充放電過程相同，如圖9所示。

圖9 擴(kuò)散電容

在高頻信號下，當(dāng)二極管正偏時(shí)，會存在勢壘電容和擴(kuò)散電容;當(dāng)二極管反偏時(shí)，由于反向電流很小，擴(kuò)散電容忽略不計(jì)，只有勢壘電容。

6.雪崩擊穿和齊納擊穿

前面講過，當(dāng)外加反向電壓不斷增大，使耗盡層不斷變寬，內(nèi)電場不斷增大，那么電子(少子)所具備的能量增多，巨大的能量就會撞擊出價(jià)帶中的電子(少子)，所帶出的電子也具有巨大的能量，從而帶出更多的電子。最終耗盡層阻擋不了，就會使少子漂移產(chǎn)生的電流激增。這個(gè)過程和雪崩的場景很像，熟話說，雪崩的時(shí)候沒有一片雪花是無辜的。而雪崩擊穿就是少數(shù)幾個(gè)高能量少子帶出一些高能量少子，這些少子再帶出更多的少子，從而使電流激增。

齊納擊穿由于兩側(cè)高參雜濃度，導(dǎo)致其本身就具有很強(qiáng)的電場力，那么外界電場只需要給它一個(gè)不是很大的電場，就可以達(dá)到擊穿的目的。

雪崩擊穿穩(wěn)壓值一般高于6V，且隨著溫度的升高擊穿電壓會升高;齊納擊穿穩(wěn)壓值低于6V，且隨著溫度的升高擊穿電壓會降低。

7.溫度的影響

溫度升高會導(dǎo)致正向特性左移，即導(dǎo)通電壓降低，正向壓降降低;反向特性下移，反向電流增加。

三、二極管的參數(shù)

1.最大正向電壓

當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓稱為二極管的“正向壓降”VF。一般在說明該參數(shù)時(shí)，都會注明與之對應(yīng)的電流IF。

2.反向電流

二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流(leakage current)。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕@種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。反向電流，IR是指二極管在規(guī)定的溫度和最大可重復(fù)峰值反向電壓(Maximum repetitive peak reverse voltage，VRRM又稱最大反向工作電壓)作用下，流過二極管的漏電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶谩Ｔ搮?shù)說明時(shí)都會注明與之對應(yīng)的電壓和溫度，如圖10所示。

圖10 反向電流

3.最高反向工作電壓

加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時(shí)，會將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰Α榱吮ＷC使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值，VRRM。如圖11所示，比較這個(gè)參數(shù)時(shí)，必須同時(shí)注明與其對應(yīng)的漏電流，IR的大小。

圖11 最高反向工作電壓

4.最大正向平均整流電流

是指二極管長期連續(xù)工作時(shí)允許通過的最大正向電流值。因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時(shí)會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度時(shí)，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管最大正向平均整流電流。

5.反向恢復(fù)時(shí)間

二極管工作狀態(tài)由正向偏置(forward bias)轉(zhuǎn)換到反向偏置(reverse bias)時(shí)，由于電荷儲存(電容)效應(yīng)，二極管反向漏電流無法立即回復(fù)到正常狀態(tài)，必需歷經(jīng)一些時(shí)間才能完全回復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，這段時(shí)間通常稱作反向恢復(fù)時(shí)間，trr。一般較精確的定義為二極管開始發(fā)生反向偏置(reverse bias)的時(shí)間點(diǎn)算起，一直到漏電流恢復(fù)到期間最大漏電流的10%為止，如圖12所示。

圖12 反向恢復(fù)時(shí)間

它是衡量高頻續(xù)流及整流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

快恢復(fù)二極管的特點(diǎn)：快恢復(fù)二極管的最主要特點(diǎn)是它的反向恢復(fù)時(shí)間(trr)在幾百納秒(ns)以下，超快恢復(fù)二極管甚至能達(dá)到幾十納秒。反向恢復(fù)時(shí)間快使二極管在導(dǎo)通和截止之間迅速轉(zhuǎn)換，可獲得較高的開關(guān)速度，提高了器件的使用頻率并改善了波形。

6.正向不重復(fù)浪涌電流

二極管工作時(shí), 經(jīng)常會因?yàn)檩斎腴_關(guān)on/off切換、瞬間啟動(dòng)或其它電壓/電流感應(yīng)源的影響, 對二極管產(chǎn)生瞬間電流浪涌(Surge Current), 若超過二極管容忍程度, 會造成二極管特性改變、退化、或嚴(yán)重?fù)p壞,IFSM 就是指二極管能夠承受此瞬間電流浪涌的最大值。

三、限幅電路

1.二極管的應(yīng)用

二極管是模電的基礎(chǔ)元件，有很多應(yīng)用，我這里簡單說幾種(碼不動(dòng)字了)，這一大章主要講二極管限幅電路。

1.防反作用：這就是理想二極管模型了，正向?qū)ǎ聪蚪刂埂Ｒ话憧捎糜谛‰娏鲌龊希聪螂妷阂驳米⒁狻?/p>

2.整流作用：一般用于交流轉(zhuǎn)直流場景，全波整流效率高，半波整流效率低。

3.穩(wěn)壓作用：穩(wěn)壓二極管，即齊納二極管，利用PN結(jié)反偏，發(fā)生齊納擊穿，在很大范圍電壓不變。這個(gè)要根據(jù)數(shù)據(jù)手冊參數(shù)，計(jì)算好限流電阻的大小。讓穩(wěn)壓二極管工作在穩(wěn)壓區(qū)域。

4.續(xù)流作用：一般并聯(lián)接在感性元器件的兩端，因?yàn)楦行栽陔娏飨r(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢會對電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當(dāng)反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時(shí)，會把原件如三極管，等造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線 兩端，當(dāng)流過線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。叢而保護(hù)了電路中的其它原件的安全。

5.檢波電路：對輸入信號幅值的最大值進(jìn)行檢測。當(dāng)輸入電壓幅度大于二極管正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出電壓加在電容C1上，電容兩端充電完畢，當(dāng)輸入電壓幅值低于先前輸入電壓幅值時(shí)，二極管處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，電容兩端的電壓基本保持不變;若再輸入信號，輸入電壓幅度必須高于此時(shí)電容兩端的電壓(即加在二極管的正向電壓)，二極管才能導(dǎo)通。可看圖13理解。

圖13 檢波電路

6.倍壓電路：利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙莸碾姾蓛Υ妫梢詫⒃疾桓叩碾妷海兂啥秹海秹旱龋Ｒ姷膽?yīng)用有電蚊拍。

7.限幅電路：所謂限幅，就是將信號的幅值限制在所需要的范圍之內(nèi)。由于通常所需要限幅的電路多為高頻脈沖電路、高頻載波電路、中高頻信號放大電路、高頻調(diào)制電路等，故要求限幅二極管具有較陡直的U-I特性，使之具有良好的開關(guān)性能。從要求出發(fā)，限幅用途的二極管應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

1、多用于中、高頻與音頻電路;

2、導(dǎo)通速度快，恢復(fù)時(shí)間短;

3、正偏置下二極管壓降穩(wěn)定;

4、可串、并聯(lián)實(shí)現(xiàn)各向、各值限幅;

5、可在限幅的同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

2.PIN二極管

PIN二極管被廣泛用于射頻及微波電路中，在電路中可以看作一個(gè)可變電阻器。

它具有較小的直流偏置控制較大微波射頻功率的優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的微波控制類元件。理想的PIN二極管是由一個(gè)重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)及夾于中間的本征半導(dǎo)體I層

的三層結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，如圖14所示。

圖14 PIN二極管橫截面圖

在直流信號作用下，零偏壓時(shí)，由于I層摻雜濃度低和空間電荷區(qū)內(nèi)載流子耗盡及勢壘的存在，只有很少一部分載流子越過勢壘，此時(shí)PIN二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，對外電路呈現(xiàn)高阻抗;加反向偏置電壓時(shí)，外加電場與空間電荷區(qū)電場方向相同，加在空間電荷區(qū)的總電場強(qiáng)度變大，載流子漂移運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)展寬，勢壘高度變大，能夠越過勢壘的載流子更少，此時(shí)PIN二極管截止且阻抗值要比零偏壓時(shí)還大;加正向偏置電壓時(shí)，外加電場與空間電荷區(qū)電場方向相反相互抵消，空間電荷區(qū)變窄，勢壘高度降低，能夠越過勢壘的載流子數(shù)目增多，此時(shí)PIN二極管導(dǎo)通呈現(xiàn)低阻抗。在這種情況下PIN二極管的I-V特性類似PN結(jié)二極管，可以用作整流器件。由于高電阻率I層的存在，其反向擊穿電壓要比PN結(jié)二極管高很多，可以處理大功率。

在交流信號作用下，信號頻率和幅度決定了PIN二極管的特性。信號頻率較低時(shí)，信號周期遠(yuǎn)大于載流子的壽命和載流子渡越空間電荷區(qū)時(shí)間，I層的電導(dǎo)率隨著所加信號幅度變化。交流信號正半周PIN二極管呈低阻抗特性，交流信號負(fù)半周PIN二極管呈高阻抗特性，所以PIN二極管在低頻交流信號作用下的特性與直流信號一致。在高頻特別是微波頻段時(shí)，載流子的壽命和載流子渡越空間電荷區(qū)時(shí)間與信號周期相比擬時(shí)，PIN二極管對微波信號不再具有整流作用，對微波信號的正負(fù)半周的響應(yīng)沒有什么差別，此時(shí)PIN二極管可以看作是一個(gè)線性元件。

3.限幅電路

單級混合對管限幅電路，用肖特基二極管與PIN二極管反向并聯(lián)。當(dāng)有射頻大信號注入時(shí)，肖特基二極管迅速導(dǎo)通并產(chǎn)生直流電流，該直流電流能夠?yàn)榉聪虿⒙?lián)的PIN二極管提供正向偏置，該偏置電流能夠迅速降低PIN二極管的正向?qū)娮瑁筆IN二極管近似于短路狀態(tài)，此時(shí)電路能夠反射大部分入射功率從而達(dá)到限幅的目的。理論上使用肖特基二極管可以降低限幅電路的起限閾值電平，縮短限幅電路的響應(yīng)時(shí)間。

為了提高限幅電路的功率容量，采用三級混合對管限幅電路，采用前兩級為PIN對管，最后一級采用肖特基二極管。這樣的限幅電路，即使在微波頻段，也會有很好的限幅效果。

目前，我采用了兩級肖特基二極管組成的限幅電路，效果比一般的二極管要好很多，限幅在±1V時(shí)，線性區(qū)的占比可以達(dá)到±0.75V，PIN二極管搭配肖特基二極管的效果和只用肖特基二極管的效果一樣，可能是我的信號頻率還不算太高，PIN二極管的優(yōu)勢沒有體現(xiàn)出來。

總結(jié)

二極管是模電的基礎(chǔ)元件，它的基礎(chǔ)理論必須掌握好，這樣我們在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候才能更好的避免故障的發(fā)生。這次寫的有些多，后面還想寫寫我設(shè)計(jì)的三極管功放電路以及需要注意的問題，有空會寫的。好了就這些，如果大家看的有什么問題，歡迎提出。覺得不錯(cuò)的可以點(diǎn)個(gè)贊哦，你的鼓勵(lì)就是我更新的最大動(dòng)力。