电子设计基础（四）：二极管

　　肖特基二极管

　　基本原理是：在金属(例如铅)和半导体(N型硅片)的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间trr特别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。

　　2 根据用途分类

　　1、检波用二极管就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。

　　2、整流用二极管就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。面结型，工作频率小于KHz，最高反向电压从25伏至3000伏分A～X共22档。分类如下：①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型。

　　内部结构

　　3、限幅用二极管大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。

　　4、调制用二极管通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。

　　5、混频用二极管使用二极管混频方式时，在500～10，000Hz的频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极管。

　　6、放大用二极管用二极管放大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大，以及用变容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。

　　7、开关用二极管有在小电流下(10mA程度)使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。2AK型点接触为中速开关电路用;2CK型平面接触为高速开关电路用;用于开关、限幅、钳位或检波等电路;肖特基(SBD)硅大电流开关，正向压降小，速度快、效率高。

　　8、变容二极管用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。

　　9、频率倍增用二极管对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃(即急变)二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切换到关闭时的反向恢复时间trr短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那么，因tt(转移时间)短，所以输出波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。

　　10、稳压二极管是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压(又称齐纳电压)从3V左右到150V，按每隔10%，能划分成许多等级。在功率方面，也有从200mW至100W以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻RZ很小，一般为2CW型;将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为2DW型。

　　11、PIN型二极管(PIN Diode)这是在P区和N区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造的晶体二极管。PIN中的I是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高;在直流正向偏置时，由于载流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。

　　12、 雪崩二极管 (Avalanche Diode)它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的：利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。

　　13、江崎二极管 (Tunnel Diode)它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。其基底材料是砷化镓和锗。其P型区的N型区是高掺杂的(即高浓度杂质的)。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备如下三个条件：①费米能级位于导带和满带内;②空间电荷层宽度必须很窄(0.01微米以下);简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比(IP/PV)，其中，下标“P”代表“峰”;而下标“V”代表“谷”。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中(其工作频率可达毫米波段)，也可以被应用于高速开关电路中。

　　14、快速关断(阶跃恢复)二极管 (Step Recovary Diode)它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是：在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成“自助电场”。由于PN结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在PN结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值(反向饱和电流值)。阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断(阶跃恢复)二极管用于脉冲和高次谐波电路中。

　　15、肖特基二极管 (Schottky Barrier Diode)

　　二极管电路

　　它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响仅为RC时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz。并且，MIS(金属-绝缘体-半导体)肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。

　　16、阻尼二极管具有较高的反向工作电压和峰值电流，正向压降小，高频高压整流二极管，用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。

　　17、瞬变电压抑制二极管TVP管，对电路进行快速过压保护，分双极型和单极型两种，按峰值功率(500W-5000W)和电压(8.2V～200V)分类。

　　18、双基极二极管(单结晶体管)两个基极，一个发射极的三端负阻器件，用于张驰振荡电路，定时电压读出电路中，它具有频率易调、温度稳定性好等优点。

　　19、发光二极管用磷化镓、磷砷化镓材料制成，体积小，正向驱动发光。工作电压低，工作电流小，发光均匀、寿命长、可发红、黄、绿单色光。

　　20.、硅功率开关二极管硅功率开关二极管具有高速导通与截止的能力。它主要用于大功率开关或稳压电路、直流变换器、高速电机调速及在驱动电路中作高频整流及续流箝拉，具有恢复特性软、过载能力强的优点、广泛用于计算机、雷达电源、步进电机调速等方面。

　　21、旋转二极管主要用于无刷电机励磁、也可作普通整流用。

　　3 根据特性分类

　　点接触型二极管，按正向和反向特性分类如下。

　　1、一般用点接触型二极管这种二极管正如标题所说的那样，通常被使用于检波和整流电路中，是正向和反向特性既不特别好，也不特别坏的中间产品。如：SD34、SD46、1N34A等等属于这一类。

　　2、高反向耐压点接触型二极管是最大峰值反向电压和最大直流反向电压很高的产品。使用于高压电路的检波和整流。这种型号的二极管一般正向特性不太好或一般。在点接触型锗二极管中，有SD38、1N38A、OA81等等。这种锗材料二极管，其耐压受到限制。要求更高时有硅合金和扩散型。

　　3、高反向电阻点接触型二极管正向电压特性和一般用二极管相同。虽然其反方向耐压也是特别地高，但反向电流小，因此其特长是反向电阻高。使用于高输入电阻的电路和高阻负荷电阻的电路中，就锗材料高反向电阻型二极管而言，SD54、1N54A等等属于这类二极管。

　　4、高传导点接触型二极管它与高反向电阻型相反。其反向特性尽管很差，但使正向电阻变得足够小。对高传导点接触型二极管而言，有SD56、1N56A等等。对高传导键型二极管而言，能够得到更优良的特性。这类二极管，在负荷电阻特别低的情况下，整流效率较高。

　　4 LED发光二极管如何分类

　　1.按发光管发光颜色分

　　按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。

　　2.按发光管出光面特征分

　　按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

　　圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的?发光二极管记作T-1;把 φ5mm的记作T-1(3/4);把φ4.4mm的记作T-1(1/4)。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：

　　(1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

　　(2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°~45°。

　　(3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°~90°或更大，散射剂的量较大。

　　五、二极管的主要参数

　　用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：

　　1.反向饱和漏电流IR

　　指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。在常温下，硅管的IR为纳安(10-9A)级，锗管的IR为微安(10-6A)级。

　　2.额定整流电流IF

　　指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。

　　3. 最大平均整流电流IO

　　在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。这是设计时非常重要的值。

　　4. 最大浪涌电流IFSM

　　允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

　　5.最大反向峰值电压VRM

　　即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的VRM值可达几千伏。

　　6. 最大直流反向电压VR

　　上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

　　7.最高工作频率fM

　　由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上;整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。

　　8.反向恢复时间Trr

　　当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。

　　9. 最大功率P

　　二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。