二极管的基础知识

前言

最近项目需求做一个二极管限幅电路，要把信号为±4.5V的正弦信号限幅在±1.3V，而且这个信号频率还不低，之前用普通的二极管实验，效果不太满意，所以决定好好研究。目前也是小有成果，结尾给大家分享一下，先从二极管最基础的理论说起，然后说说二极管的各种参数，最后说一下目前实验成果。

一、二极管是什么?

二极管是一种电子器件，只允许电流由单一方向流过。我们常用的理想模型是：当二极管两侧施加正向电压且大于二极管的导通电压时，将二极管看作是导线短路;若二极管两侧施加的正向电压小于导通电压或施加反向电压时，将二极管看作断路。

这样的话就造就了二极管很多用途，也生产了很多不同种类的二极管：发光二极管、稳压二极管、肖特基二极管、光电二极管、开关二极管、瞬态抑制二极管、PIN二极管等。我们在实验中，想要达到预期目的，就需要好好的挑选二极管的种类，二极管的型号，二极管的参数，二极管的封装等等。

如果你想快上手的话，可以直接跳到下面讲参数的那一节，接下来我会先从二极管的工作原理讲起，是为了更好的理解二极管的各种参数，遇到故障也好分析。

二、二极管原理

1.PN结

讲二极管是避不开PN结的，我们也从PN结开始。二极管其实就是套了壳子的PN结，所以想要弄懂二极管就得了解PN结。

二极管首先是要用来导电的，所以材料先是导电的。按照导电性分为导体、半导体和绝缘体。常用的半导体材料有四价硅和锗，它们的最外层有四个电子，既容易得电子也容易失电子。纯净的半导体又称本征半导体，导电性能较差，不能直接制造半导体器件。我们人为的加入一些杂质，在本征半导体中加入三价元素(硼)，或者加入五价元素(磷)。如图1所示。

图1 掺杂半导体

三价元素(硼)，最外层只有三个电子，然而硅和锗最外层有四个电子，那就会少一个电子，那就形成了空穴(原子最外层最多8个电子，少一个电子，就会多一个空穴。一个萝卜一个坑的意思)，这个就是P型半导体。所以P型半导体是含空穴浓度较高的半导体。浓度高的为多子，即空穴。

五价元素(磷)，最外层有五个电子，多出一个电子，这个就是N型半导体。所以N型半导体是含电子浓度较高的半导体。浓度高的为多子，即电子。如图2所示。

图2 N型、P型半导体内部电子空穴分布

当载流子浓度相差大的话，就会发生扩散现象，就是高浓度向低浓度扩散。在扩散前，N区呈电中性，P区呈电中性。P区的多子空穴会因N区的少子浓度低而向N区扩散，同理，N区的多子电子会向P区扩散。那么扩散的过程电子和空穴就会结合，从而形成耗尽层。此时耗尽层因空穴电子的结合呈电中性，但N区少了多子电子，所以对外呈现正电;P区少了多子空穴，所以对外呈现负电。正电和负电之间会形成电场，又称内电场。如图3所示。耗尽层越宽，说明空穴电子结合的越多，那么P区N区的电性越强，则内电场越强。内电场的作用会抑制多子扩散运动(电场力作用)，也会使少子发生漂移运动。时刻记住多子发生扩散运动，少子发生漂移运动。在扩散运动、漂移运动的作用下，耗尽层的宽度是有限度的，当两者平衡，耗尽层宽度就不变了，耗尽层又称PN结。

图3 内电场分布

2.PN结正偏

当P区(positive)接电源正极，N区(negative)接电源负极，此时二极管正偏。可以根据它们的英文记住电源接法。电流方向由P区流向N区，这与PN结内部的内电场方向相反，当电压大于内电场电压时，外部的电源抵消了其内电场。内电场抵消了，有利于扩散运动的进行，空间电荷慢慢变成了P区和N区(当两侧的多子浓度变低，耗尽层会变宽。此时外加偏置电压，两侧多子浓度变高，耗尽层被挤压变窄)，两侧的多子会不断的挤压耗尽层，使耗尽层变窄，电池不断向两侧注入多子，两侧对应的也会有少子流出，这个过程就会一直进行。直到最薄的时候，会形成一个扩散电流，这个时候二极管就导通了。过程如图4所示。

图4 二极管正偏

3.PN结反偏

当P区(positive)接电源负极，N区(negative)接电源正极，此时二极管反偏。P区的多子空穴会和电源负极注入的电子结合而使P区多子浓度下降，同理N区的多子电子浓度也会下降。多子浓度下降，耗尽层变宽，内电场增强。内部多子浓度不断下降，那就不会形成以多子行动的电流了。但内电场的加强也会产生少子漂移运动，但少子太少了，就会导致这个电流很小。如图4所示。

图4 二极管反偏

但是当外加反向电压不断增大，使耗尽层不断变宽，内电场不断增大，那么少子发生漂移运动所具备的能量增多，巨大的能量就会撞击出价带中的少子，所带出的少子也具有巨大的能量，从而带出更多的少子。最终耗尽层阻挡不了，就会使少子漂移产生的电流激增。这样就形成了我们熟知的二极管伏安特性曲线，如图5所示。

图5 二极管伏安特性曲线

正向电压低于二极管的导通电压时，二极管几乎没有电流。当正向电压接近二极管的导通压降时，会产生微弱的电流。当正向电压大于二极管的导通电压时，电流就会激增，需要接限流电阻，防止烧坏器件。

反向的同理，当大于反向电压时，会使电流激增，需要限流，不然会形成热击穿，烧坏二极管。可能造成短路或者断路。

4.PN结反向恢复过程

理想情况下，当二极管两侧的电压发生翻转时，二极管的电流方向也应该立马翻转。但实际上，二极管存在反向电流和反向恢复时间。当二极管正偏时，由于N区的电子(多子)在电场力的作用下穿过耗尽层，在P区靠近耗尽层附近堆积，此时N区的多子变成了P区的少子;同理，P区的空穴(多子)在电场力的作用下穿过耗尽层，在N区靠近耗尽层附近堆积，P区的多子变成了N区的少子。这个密度随着距离耗尽层的距离增大而指数下降，可见图6理解。

图6 PN结两侧少子浓度分布

耗尽层对于多子来说很难穿越，但对于少子来说很容易穿越。当二极管两侧的电压方向突然转变时，耗尽层两侧堆积的少子不会突然减少，同时由于正向导通时，PN结变窄，电阻会变很小，所以反偏一瞬间的电阻可以忽略不计，形成很大的反向电流，该电流值就是通过电压除以限流电阻得出的值。所以就是电荷的存储效应导致了二极管存在反向恢复的过程，我们应用时应该考虑反向恢复时间是否满足我们的要求，限流电阻设计时还要考虑反向恢复电流是否超过二极管的最大值。

5.PN结电容效应

耗尽层几乎没有可移动的自由电荷，所以电导率会很低，就可以看作为介质。而N区和P区有可移动的自由电荷，电导率很高，就可以看作为导体。那么整体就可以看作为电容，如图7所示。

图7 PN结等效为电容

这样就会产生势垒电容：因耗尽层宽窄变化引起电荷的积累和释放的过程所等效的电容称为势垒电容，如图8所示。外界电压的变化会导致耗尽层发生变化，就会有势垒电容的产生。该容值一般在0.1~100PF之间，对高频影响很大。

图8 势垒电容形成

前边讲到PN结的反向恢复过程有讲到电荷的存储效应，PN结两侧施加的电压不同，会导致耗尽层两侧少子的浓度变化。这个电荷的积累和释放的过程与电容的充放电过程相同，如图9所示。

图9 扩散电容

在高频信号下，当二极管正偏时，会存在势垒电容和扩散电容;当二极管反偏时，由于反向电流很小，扩散电容忽略不计，只有势垒电容。

6.雪崩击穿和齐纳击穿

前面讲过，当外加反向电压不断增大，使耗尽层不断变宽，内电场不断增大，那么电子(少子)所具备的能量增多，巨大的能量就会撞击出价带中的电子(少子)，所带出的电子也具有巨大的能量，从而带出更多的电子。最终耗尽层阻挡不了，就会使少子漂移产生的电流激增。这个过程和雪崩的场景很像，熟话说，雪崩的时候没有一片雪花是无辜的。而雪崩击穿就是少数几个高能量少子带出一些高能量少子，这些少子再带出更多的少子，从而使电流激增。

齐纳击穿由于两侧高参杂浓度，导致其本身就具有很强的电场力，那么外界电场只需要给它一个不是很大的电场，就可以达到击穿的目的。

雪崩击穿稳压值一般高于6V，且随着温度的升高击穿电压会升高;齐纳击穿稳压值低于6V，且随着温度的升高击穿电压会降低。

7.温度的影响

温度升高会导致正向特性左移，即导通电压降低，正向压降降低;反向特性下移，反向电流增加。

三、二极管的参数

1.最大正向电压

当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压称为二极管的“正向压降”VF。一般在说明该参数时，都会注明与之对应的电流IF。

2.反向电流

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流(leakage current)。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。反向电流，IR是指二极管在规定的温度和最大可重复峰值反向电压(Maximum repetitive peak reverse voltage，VRRM又称最大反向工作电压)作用下，流过二极管的漏电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。该参数说明时都会注明与之对应的电压和温度，如图10所示。

图10 反向电流

3.最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值，VRRM。如图11所示，比较这个参数时，必须同时注明与其对应的漏电流，IR的大小。

图11 最高反向工作电压

4.最大正向平均整流电流

是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管最大正向平均整流电流。

5.反向恢复时间

二极管工作状态由正向偏置(forward bias)转换到反向偏置(reverse bias)时，由于电荷储存(电容)效应，二极管反向漏电流无法立即回复到正常状态，必需历经一些时间才能完全回复到截止状态，这段时间通常称作反向恢复时间，trr。一般较精确的定义为二极管开始发生反向偏置(reverse bias)的时间点算起，一直到漏电流恢复到期间最大漏电流的10%为止，如图12所示。

图12 反向恢复时间

它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。

快恢复二极管的特点：快恢复二极管的最主要特点是它的反向恢复时间(trr)在几百纳秒(ns)以下，超快恢复二极管甚至能达到几十纳秒。反向恢复时间快使二极管在导通和截止之间迅速转换，可获得较高的开关速度，提高了器件的使用频率并改善了波形。

6.正向不重复浪涌电流

二极管工作时, 经常会因为输入开关on/off切换、瞬间启动或其它电压/电流感应源的影响, 对二极管产生瞬间电流浪涌(Surge Current), 若超过二极管容忍程度, 会造成二极管特性改变、退化、或严重损坏,IFSM 就是指二极管能够承受此瞬间电流浪涌的最大值。

三、限幅电路

1.二极管的应用

二极管是模电的基础元件，有很多应用，我这里简单说几种(码不动字了)，这一大章主要讲二极管限幅电路。

1.防反作用：这就是理想二极管模型了，正向导通，反向截止。一般可用于小电流场合，反向电压也得注意。

2.整流作用：一般用于交流转直流场景，全波整流效率高，半波整流效率低。

3.稳压作用：稳压二极管，即齐纳二极管，利用PN结反偏，发生齐纳击穿，在很大范围电压不变。这个要根据数据手册参数，计算好限流电阻的大小。让稳压二极管工作在稳压区域。

4.续流作用：一般并联接在感性元器件的两端，因为感性元件在电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线 两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。

5.检波电路：对输入信号幅值的最大值进行检测。当输入电压幅度大于二极管正向电压时，二极管导通，输出电压加在电容C1上，电容两端充电完毕，当输入电压幅值低于先前输入电压幅值时，二极管处于反偏截止状态，此时，电容两端的电压基本保持不变;若再输入信号，输入电压幅度必须高于此时电容两端的电压(即加在二极管的正向电压)，二极管才能导通。可看图13理解。

图13 检波电路

6.倍压电路：利用二极管的单向导电性和电容的电荷储存，可以将原始不高的电压，变成二倍压，三倍压等，常见的应用有电蚊拍。

7.限幅电路：所谓限幅，就是将信号的幅值限制在所需要的范围之内。由于通常所需要限幅的电路多为高频脉冲电路、高频载波电路、中高频信号放大电路、高频调制电路等，故要求限幅二极管具有较陡直的U-I特性，使之具有良好的开关性能。从要求出发，限幅用途的二极管应该具有以下特点：

1、多用于中、高频与音频电路;

2、导通速度快，恢复时间短;

3、正偏置下二极管压降稳定;

4、可串、并联实现各向、各值限幅;

5、可在限幅的同时实现温度补偿。

2.PIN二极管

PIN二极管被广泛用于射频及微波电路中，在电路中可以看作一个可变电阻器。

它具有较小的直流偏置控制较大微波射频功率的优点，是优良的微波控制类元件。理想的PIN二极管是由一个重掺杂的P区和N区及夹于中间的本征半导体I层

的三层结构所构成，如图14所示。

图14 PIN二极管横截面图

在直流信号作用下，零偏压时，由于I层掺杂浓度低和空间电荷区内载流子耗尽及势垒的存在，只有很少一部分载流子越过势垒，此时PIN二极管处于截止状态，对外电路呈现高阻抗;加反向偏置电压时，外加电场与空间电荷区电场方向相同，加在空间电荷区的总电场强度变大，载流子漂移运动强度远大于扩散运动，空间电荷区展宽，势垒高度变大，能够越过势垒的载流子更少，此时PIN二极管截止且阻抗值要比零偏压时还大;加正向偏置电压时，外加电场与空间电荷区电场方向相反相互抵消，空间电荷区变窄，势垒高度降低，能够越过势垒的载流子数目增多，此时PIN二极管导通呈现低阻抗。在这种情况下PIN二极管的I-V特性类似PN结二极管，可以用作整流器件。由于高电阻率I层的存在，其反向击穿电压要比PN结二极管高很多，可以处理大功率。

在交流信号作用下，信号频率和幅度决定了PIN二极管的特性。信号频率较低时，信号周期远大于载流子的寿命和载流子渡越空间电荷区时间，I层的电导率随着所加信号幅度变化。交流信号正半周PIN二极管呈低阻抗特性，交流信号负半周PIN二极管呈高阻抗特性，所以PIN二极管在低频交流信号作用下的特性与直流信号一致。在高频特别是微波频段时，载流子的寿命和载流子渡越空间电荷区时间与信号周期相比拟时，PIN二极管对微波信号不再具有整流作用，对微波信号的正负半周的响应没有什么差别，此时PIN二极管可以看作是一个线性元件。

3.限幅电路

单级混合对管限幅电路，用肖特基二极管与PIN二极管反向并联。当有射频大信号注入时，肖特基二极管迅速导通并产生直流电流，该直流电流能够为反向并联的PIN二极管提供正向偏置，该偏置电流能够迅速降低PIN二极管的正向导通电阻，使PIN二极管近似于短路状态，此时电路能够反射大部分入射功率从而达到限幅的目的。理论上使用肖特基二极管可以降低限幅电路的起限阈值电平，缩短限幅电路的响应时间。

为了提高限幅电路的功率容量，采用三级混合对管限幅电路，采用前两级为PIN对管，最后一级采用肖特基二极管。这样的限幅电路，即使在微波频段，也会有很好的限幅效果。

目前，我采用了两级肖特基二极管组成的限幅电路，效果比一般的二极管要好很多，限幅在±1V时，线性区的占比可以达到±0.75V，PIN二极管搭配肖特基二极管的效果和只用肖特基二极管的效果一样，可能是我的信号频率还不算太高，PIN二极管的优势没有体现出来。

总结

二极管是模电的基础元件，它的基础理论必须掌握好，这样我们在设计电路的时候才能更好的避免故障的发生。这次写的有些多，后面还想写写我设计的三极管功放电路以及需要注意的问题，有空会写的。好了就这些，如果大家看的有什么问题，欢迎提出。觉得不错的可以点个赞哦，你的鼓励就是我更新的最大动力。