二極管典型特性及電路示例

雖然傳統(tǒng)的硅二極管或鍺二極管在大多數(shù)電子應(yīng)用中可以很好地作為整流器和開關(guān)元件使用，但它們不具備電子微調(diào)、電子衰減、低損耗整流、基準(zhǔn)電壓生成等功能。最初，我們使用更原始、成本更高且體積更大的“蠻力”方法來完成這些任務(wù)。這些方法現(xiàn)在已經(jīng)讓位于更精巧的特殊用途二極管，包括變?nèi)荻O管、PIN 二極管、肖特基二極管和齊納二極管。

所有這些類型的二極管設(shè)計原理都是增強二極管的某些獨特特性，以低成本的二極管結(jié)構(gòu)填充小眾應(yīng)用的空白。在這些應(yīng)用中，使用特殊用途二極管可以減小尺寸，降低成本，解決傳統(tǒng)解決方案效率低下的問題。典型用途包括開關(guān)模式電源、微波和 RF 衰減器、RF 信號源和收發(fā)器。

本文將討論特殊用途二極管的角色和工作原理。然后，本文還將以 Skyworks Solutions 和 ON Semiconductor 的產(chǎn)品為例，探討這些二極管的典型特性，最后還將提供一些電路示例，以展示如何有效地使用它們。

齊納二極管電壓基準(zhǔn)

齊納二極管在受到反向偏壓時能夠維持固定的電壓。這種功能可用于提供已知基準(zhǔn)電壓，是電源中的一項重要操作。齊納二極管還可用于波形的削波或限幅，防止它們超過電壓極限。

齊納二極管使用重摻雜 P-N 結(jié)制造而成，因而耗盡層很薄。此區(qū)域會產(chǎn)生很高的電場，即便在施加較低電壓的情況下亦是如此。在這些條件下，以下兩種機制會導(dǎo)致二極管被擊穿，從而產(chǎn)生高反向電流：

一種條件下，在小于 5 伏特的電壓下發(fā)生齊納擊穿，這是電子量子遂穿導(dǎo)致的結(jié)果

第二種擊穿機制是在電壓高于 5 伏特時，由于雪崩擊穿或碰撞電離導(dǎo)致?lián)舸?/p>

兩種情況下，二極管的工作是相似的（圖 1）。

圖 1：顯示齊納二極管的原理圖符號，及其電流-電壓特性曲線。雖然齊納二極管的電流-電壓特性具有正常的正向?qū)▍^(qū)，但在發(fā)生反向偏壓時，它會發(fā)生擊穿并在二極管兩端維持恒壓。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

當(dāng)齊納二極管受到正向偏壓時，可作為標(biāo)準(zhǔn)二極管使用。當(dāng)受到反向偏壓時，如果反向偏壓電平超過齊納電壓電平 VZ，它會發(fā)生擊穿。此時，二極管在陰極和陽極之間維持近乎恒定的電壓。讓二極管保持在齊納擊穿區(qū)域的最小電流為 IZmin；由二極管額定功率耗散決定的最大電流為 IZmax。電流必須通過外部電阻進行限制，以防止出現(xiàn)過熱和故障。這一點顯示在圖 2 基于齊納效應(yīng)的基本穩(wěn)壓器原理圖中，其中采用 ON Semiconductor 的 1N5229B 齊納二極管構(gòu)建。

圖 2：使用齊納二極管的基本穩(wěn)壓器原理圖，以及負載調(diào)節(jié)響應(yīng)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

1N5229B 齊納二極管的最大功耗為 500 毫瓦 （mW），標(biāo)稱齊納電壓為 4.3 伏特。在無負載的情況下，75 歐姆 （Ω） 的串聯(lián)電阻器 （R1） 將功率耗散限制在 455 mW。隨著負載電流的增加，功率耗散會下降。圖中顯示了負載電阻值為 200 歐姆至 2，000 歐姆時的負載調(diào)節(jié)曲線。

除了電壓調(diào)節(jié)之外，齊納二極管還可以背對背連線，以提供限制為齊納電壓的受控電壓，以及正向壓降值。4.3 伏特齊納限幅器將限制為 ±5 伏特。限幅應(yīng)用可以擴展到更廣泛的過壓保護電路。

肖特基二極管

肖特基二極管即熱載流子二極管，是基于金屬-半導(dǎo)體結(jié)制造而成（圖 3）。結(jié)的金屬側(cè)形成了陽極，半導(dǎo)體側(cè)成為陰極。正向偏壓時，肖特基二極管的最大正向壓降在 0.2 至 0.5 伏特范圍內(nèi)，具體取決于正向電流和二極管類型。當(dāng)肖特基二極管與電源串聯(lián)使用時，例如在反向電壓保護電路中，這樣的低正向壓降是非常有用的，因為它能夠降低功率損耗。

圖 3：肖特基二極管的物理結(jié)構(gòu)基于金屬- N 型半導(dǎo)體結(jié)，因而具有很低的正向壓降和極快的開關(guān)速度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

這些二極管的另外一個重要特性是非?？斓拈_關(guān)速度。從打開狀態(tài)切換為關(guān)閉狀態(tài)時，標(biāo)準(zhǔn)二極管需要花費一定時間來消除耗盡層的電荷，與之不同的是，肖特基二極管的金屬-半導(dǎo)體結(jié)沒有相關(guān)的耗盡層。

與硅結(jié)二極管相比，肖特基二極管的峰值反向電壓額定值受到限制。因此它們通常限定用于低壓開關(guān)模式電源。ON Semiconductor 的 1N5822RLG 峰值反向電壓 （PRV） 額定值高達 40 伏特，最大正向電流為 3 A。它能夠在開關(guān)模式電源的多個方面得到應(yīng)用（圖 4）。

圖 4：肖特基二極管在開關(guān)模式電源中的典型應(yīng)用示例，包括用于逆功率保護 （D1） 和瞬態(tài)抑制 （D2）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

肖特基二極管可用于保護穩(wěn)壓器電路，防止在輸入端意外施加反極性。本例中的二極管 D1 正是用于此用途。該二極管在此應(yīng)用中的主要優(yōu)勢是正向壓降較低。肖特基二極管（本例中的 D2）另一個更重要的功能是，在開關(guān)關(guān)閉時提供返回路徑，讓電流流過電感器 L1。D2 必須是使用較短的低電感連線連接的快速二極管，才能實現(xiàn)這項功能。在低電壓電源的這項應(yīng)用中，肖特基二極管具有極佳的性能。

肖特基二極管還可應(yīng)用于 RF 設(shè)計，它們的快速開關(guān)、低正向壓降、低電容特性使其非常適用于檢測器和采樣保持開關(guān)。

變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管有時也稱為變?nèi)萜鞫O管，是適合提供可變電容的結(jié)型二極管。P-N 結(jié)受到反向偏壓，并可通過更改施加的 DC 偏壓來改變二極管電容（圖 5）。

圖 5：變?nèi)荻O管根據(jù)施加的反向偏壓提供可變電容。偏壓電平越高，電容越低。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

變?nèi)荻O管的電容與施加的直流偏壓成反比。反向偏壓越高，二極管的耗盡區(qū)越廣，因而電容也越低。在 Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 超突變結(jié)變?nèi)荻O管的電容與反向偏壓曲線圖中，我們可通過圖形方式看到這種變化（圖 6）。

圖 6：Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 變?nèi)荻O管的電容與反向偏壓的函數(shù)關(guān)系。（圖片來源：Skyworks Solutions）

這些二極管具有很高的擊穿電壓，高達 28 伏特的偏壓，能夠在廣泛的調(diào)諧范圍內(nèi)應(yīng)用?？刂齐妷罕仨毷┘佑谧?nèi)荻O管，以免翻轉(zhuǎn)下一級的偏置；它通常采用容性耦合，如圖 7 所示。

圖 7：變?nèi)荻O管調(diào)諧式振蕩器通過電容器 C1，將變?nèi)荻O管 D1 交流耦合到振蕩器?？刂齐妷和ㄟ^電阻器 R1 施加。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

變?nèi)荻O管通過大型電容器 C1 交流耦合到振蕩器振蕩電路。這樣可將變?nèi)荻O管 D1 與晶體管偏壓隔離，反之亦然。控制電壓通過隔離電阻器 R1 施加。

變?nèi)荻O管可在其他一些應(yīng)用中取代可變電容器，例如在調(diào)諧 RF 或微波濾波器、頻率或相位調(diào)制器、移相器和倍頻器中。

PIN 二極管

PIN 二極管在 RF 和微波頻率下用作開關(guān)或衰減器。它是通過在傳統(tǒng)二極管的 P 型層和 N 型層之間層疊高電阻率本征半導(dǎo)體層而形成，因此名稱 PIN 反映了該二極管的結(jié)構(gòu)（圖 8）。

非偏壓或反向偏壓二極管沒有電荷存儲在本征層。這是開關(guān)應(yīng)用的關(guān)斷條件。插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度，從而產(chǎn)生很低的電容，并提高擊穿電壓。

正向偏壓條件導(dǎo)致空穴和電子被注入到本征層。這些載流子要花費一些時間相互重新組合。這個時間稱為載流子壽命 t。平均存儲的電荷將本征層的有效電阻降低到最小電阻 RS。在正向偏壓條件下，二極管用作 RF 衰減器。

Skyworks Solutions 的 SMP1307-027LF PIN 二極管陣列將四個 PIN 二極管組合在通用封裝中，用作 5 MHz 至 2 GHz 頻率范圍的 RF/微波衰減器（圖 9）。

圖 9：基于 Skyworks Solutions 的 SMP1307-027LF PIN 二極管陣列的 PIN 二極管衰減器電路。圖中以控制電壓為參數(shù)，顯示了衰減與頻率之間的關(guān)系。（圖片來源：Skyworks Solutions）

該 PIN 二極管陣列適用于低失真 Pi 和 T 形配置衰減器?；?1.5 微秒 （μs） 載流子壽命，有效電阻 RS 在 1 mA 電流下不超過 100 Ω，在 10 mA 電流下不超過 10 Ω。它適用于電視信號分配應(yīng)用。

總結(jié)

這些特殊用途二極管為以前采用過時技術(shù)完成的關(guān)鍵功能提供了精巧的解決方案，現(xiàn)已成為電子電路設(shè)計的主流。齊納二極管可實現(xiàn)低電壓基準(zhǔn)；肖特基二極管可降低功率損耗并提供快速開關(guān)；變?nèi)荻O管可實現(xiàn)電子微調(diào)，并取代大體積的機械可變電容器；PIN 二極管則以快斷式 RF 開關(guān)取代了機電 RF 開關(guān)。