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二极管的典型特性及电路示例

拜月
工程师
2019-12-06 16:33:18     打赏
虽然传统的硅二极管或锗二极管在大多数电子应用中可以很好地作为整流器和开关元件使用，但它们不具备电子微调、电子衰减、低损耗整流、基准电压生成等功能。最初，我们使用更原始、成本更高且体积更大的“蛮力”方法来完成这些任务。这些方法现在已经让位于更精巧的特殊用途二极管，包括变容二极管、PIN 二极管、肖特基二极管和齐纳二极管。
所有这些类型的二极管设计原理都是增强二极管的某些独特特性，以低成本的二极管结构填充小众应用的空白。在这些应用中，使用特殊用途二极管可以减小尺寸，降低成本，解决传统解决方案效率低下的问题。典型用途包括开关模式电源、微波和 RF 衰减器、RF 信号源和收发器。
本文将讨论特殊用途二极管的角色和工作原理。然后，本文还将以 Skyworks Solutions 和 ON Semiconductor 的产品为例，探讨这些二极管的典型特性，最后还将提供一些电路示例，以展示如何有效地使用它们。

齐纳二极管电压基准

齐纳二极管在受到反向偏压时能够维持固定的电压。这种功能可用于提供已知基准电压，是电源中的一项重要操作。齐纳二极管还可用于波形的削波或限幅，防止它们超过电压极限。
齐纳二极管使用重掺杂 P-N 结制造而成，因而耗尽层很薄。此区域会产生很高的电场，即便在施加较低电压的情况下亦是如此。在这些条件下，以下两种机制会导致二极管被击穿，从而产生高反向电流：

  • 一种条件下，在小于 5 伏特的电压下发生齐纳击穿，这是电子量子遂穿导致的结果

  • 第二种击穿机制是在电压高于 5 伏特时，由于雪崩击穿或碰撞电离导致击穿

两种情况下，二极管的工作是相似的（图 1）。
图 1：显示齐纳二极管的原理图符号，及其电流-电压特性曲线。虽然齐纳二极管的电流-电压特性具有正常的正向导通区，但在发生反向偏压时，它会发生击穿并在二极管两端维持恒压。（图片来源：Digi-Key Electronics）当齐纳二极管受到正向偏压时，可作为标准二极管使用。当受到反向偏压时，如果反向偏压电平超过齐纳电压电平 VZ，它会发生击穿。此时，二极管在阴极和阳极之间维持近乎恒定的电压。让二极管保持在齐纳击穿区域的最小电流为 IZmin；由二极管额定功率耗散决定的最大电流为 IZmax。电流必须通过外部电阻进行限制，以防止出现过热和故障。这一点显示在图 2 基于齐纳效应的基本稳压器原理图中，其中采用 ON Semiconductor 的 1N5229B 齐纳二极管构建。
图 2：使用齐纳二极管的基本稳压器原理图，以及负载调节响应。（图片来源：Digi-Key Electronics）1N5229B 齐纳二极管的最大功耗为 500 毫瓦 (mW)，标称齐纳电压为 4.3 伏特。在无负载的情况下，75 欧姆 (Ω) 的串联电阻器 (R1) 将功率耗散限制在 455 mW。随着负载电流的增加，功率耗散会下降。图中显示了负载电阻值为 200 欧姆至 2,000 欧姆时的负载调节曲线。
除了电压调节之外，齐纳二极管还可以背对背连线，以提供限制为齐纳电压的受控电压，以及正向压降值。4.3 伏特齐纳限幅器将限制为 ±5 伏特。限幅应用可以扩展到更广泛的过压保护电路。

肖特基二极管

肖特基二极管即热载流子二极管，是基于金属-半导体结制造而成（图 3）。结的金属侧形成了阳极，半导体侧成为阴极。正向偏压时，肖特基二极管的最大正向压降在 0.2 至 0.5 伏特范围内，具体取决于正向电流和二极管类型。当肖特基二极管与电源串联使用时，例如在反向电压保护电路中，这样的低正向压降是非常有用的，因为它能够降低功率损耗。
图 3：肖特基二极管的物理结构基于金属- N 型半导体结，因而具有很低的正向压降和极快的开关速度。（图片来源：Digi-Key Electronics）这些二极管的另外一个重要特性是非常快的开关速度。从打开状态切换为关闭状态时，标准二极管需要花费一定时间来消除耗尽层的电荷，与之不同的是，肖特基二极管的金属-半导体结没有相关的耗尽层。
与硅结二极管相比，肖特基二极管的峰值反向电压额定值受到限制。因此它们通常限定用于低压开关模式电源。ON Semiconductor 的 1N5822RLG 峰值反向电压 (PRV) 额定值高达 40 伏特，最大正向电流为 3 A。它能够在开关模式电源的多个方面得到应用（图 4）。
图 4：肖特基二极管在开关模式电源中的典型应用示例，包括用于逆功率保护 (D1) 和瞬态抑制 (D2)。（图片来源：Digi-Key Electronics）肖特基二极管可用于保护稳压器电路，防止在输入端意外施加反极性。本例中的二极管 D1 正是用于此用途。该二极管在此应用中的主要优势是正向压降较低。肖特基二极管（本例中的 D2）另一个更重要的功能是，在开关关闭时提供返回路径，让电流流过电感器 L1。D2 必须是使用较短的低电感连线连接的快速二极管，才能实现这项功能。在低电压电源的这项应用中，肖特基二极管具有极佳的性能。
肖特基二极管还可应用于 RF 设计，它们的快速开关、低正向压降、低电容特性使其非常适用于检测器和采样保持开关。

变容二极管

变容二极管有时也称为变容器二极管，是适合提供可变电容的结型二极管。P-N 结受到反向偏压，并可通过更改施加的 DC 偏压来改变二极管电容（图 5）。
图 5：变容二极管根据施加的反向偏压提供可变电容。偏压电平越高，电容越低。（图片来源：Digi-Key Electronics）变容二极管的电容与施加的直流偏压成反比。反向偏压越高，二极管的耗尽区越广，因而电容也越低。在 Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 超突变结变容二极管的电容与反向偏压曲线图中，我们可通过图形方式看到这种变化（图 6）。
图 6：Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 变容二极管的电容与反向偏压的函数关系。（图片来源：Skyworks Solutions）这些二极管具有很高的击穿电压，高达 28 伏特的偏压，能够在广泛的调谐范围内应用。控制电压必须施加于变容二极管，以免翻转下一级的偏置；它通常采用容性耦合，如图 7 所示。
图 7：变容二极管调谐式振荡器通过电容器 C1，将变容二极管 D1 交流耦合到振荡器。控制电压通过电阻器 R1 施加。（图片来源：Digi-Key Electronics）变容二极管通过大型电容器 C1 交流耦合到振荡器振荡电路。这样可将变容二极管 D1 与晶体管偏压隔离，反之亦然。控制电压通过隔离电阻器 R1 施加。
变容二极管可在其他一些应用中取代可变电容器，例如在调谐 RF 或微波滤波器、频率或相位调制器、移相器和倍频器中。

PIN 二极管

PIN 二极管在 RF 和微波频率下用作开关或衰减器。它是通过在传统二极管的 P 型层和 N 型层之间层叠高电阻率本征半导体层而形成，因此名称 PIN 反映了该二极管的结构（图 8）。
非偏压或反向偏压二极管没有电荷存储在本征层。这是开关应用的关断条件。插入本征层可以增加二极管耗尽层的有效宽度，从而产生很低的电容，并提高击穿电压。
图 8：PIN 二极管的结构在阳极和阴极的 P 型材料和 N 型材料之间包括了一层本征半导体材料。（图片来源：Digi-Key Electronics）正向偏压条件导致空穴和电子被注入到本征层。这些载流子要花费一些时间相互重新组合。这个时间称为载流子寿命 t。平均存储的电荷将本征层的有效电阻降低到最小电阻 RS。在正向偏压条件下，二极管用作 RF 衰减器。
Skyworks Solutions 的 SMP1307-027LF PIN 二极管阵列将四个 PIN 二极管组合在通用封装中，用作 5 MHz 至 2 GHz 频率范围的 RF/微波衰减器（图 9）。
图 9：基于 Skyworks Solutions 的 SMP1307-027LF PIN 二极管阵列的 PIN 二极管衰减器电路。图中以控制电压为参数，显示了衰减与频率之间的关系。（图片来源：Skyworks Solutions）该 PIN 二极管阵列适用于低失真 Pi 和 T 形配置衰减器。基于 1.5 微秒 (µs) 载流子寿命，有效电阻 RS 在 1 mA 电流下不超过 100 Ω，在 10 mA 电流下不超过 10 Ω。它适用于电视信号分配应用。

总结

这些特殊用途二极管为以前采用过时技术完成的关键功能提供了精巧的解决方案，现已成为电子电路设计的主流。齐纳二极管可实现低电压基准；肖特基二极管可降低功率损耗并提供快速开关；变容二极管可实现电子微调，并取代大体积的机械可变电容器；PIN 二极管则以快断式 RF 开关取代了机电 RF 开关。


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关键词： 二极管     典型     特性     电路     示例    

从小就是电子迷
工程师
2019-12-06 17:35:30     打赏
2楼

"图5、图6" 没看到。



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xqh518
院士
2019-12-13 15:46:44     打赏
3楼

基本元器件在不断完善、更新，基础知识也是常学常新。谢谢分享。


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