二极管
高频二极管主要用于开关、检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中。
二极管在长期稳定工作时,允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热,电流太大,发热量超过限度,就会使PN结烧坏,所以在实际应用时工作电流通常小于IFM。
指所能重复施加的反向最高峰值电压,通常是反向击穿电压VBR的一半。击穿时,反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至因过热而烧坏。
当工作电压从正向电压变成反向电压时,电流不能瞬时截止,需延迟一段时间,延迟的时间就是反向恢复时间。Trr直接影响二极管的开关速度,在高频开关状态时,通常此值越小越好。大功率开关管工作在高频开关状态时,此项指标至为重要,Trr越小管子升温越小,效率越高。
图1所示的PN结高频等效电路,其中r表示结电阻,CJ表示结电容,包括势垒电容和扩散电容的总效果,它的大小除了与本身结构和工艺有关外,还与外加电压有关。当PN结处于正向偏置时,r为正向电阻,其数值很小,结电容较大(主要决定于扩散电容CD)。当PN结处于反向偏置时,r为反向电阻,其数值较大,结电容较小(主要决定于势垒电容CB)。
二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降。通常硅材料的二极管VF大于1V,锗材料、肖特基二极管为0.5V左右。
指管子击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的单向导电性愈好。反向电流IR与温度有密切联系,温度越高,反向电流IR会急剧增加,所以在使用二极管时要注意温度的影响。
一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数,这是正确使用二极管的依据。在高频应用场合,要注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压的同时,还应特别注意二极管的最高工作频率(通常由反向恢复时间Trr和结电容CJ决定),否则电路工作不正常或者管子升温严重,影响可靠性。
快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压(耐压值)较高。
1)有些单管,共三个引脚,中间的为空脚,一般在出厂时剪掉,但也有不剪的。2)若对管中有一只管子损坏,则可作为单管使用。3)测正向导通压降时,必须使用R×1档。若用R×1k档,因测试电流太小,远低于管子的正常工作电流,故测出的VF值将明显偏低。在上面例子中,如果选择R×1k档测量,正向电阻就等于2.2kΩ,此时n′=9格。由此计算出的VF值仅0.27V,远低于正常值(0.6V)。
超快恢复二极管是在快恢复二极管基础上发展而成的,其反向恢复时间Trr比FRD更短,是极有发展前途的电力、电子半导体器件。
肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。
肖特基(Schottky)二极管,又称肖特基势垒二极管(简称SBD),它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。
一个典型的应用,是在双极型晶体管BJT的开关电路里面,通过在BJT上连接Shockley二极管来箝位,使得晶体管在导通状态时其实处于很接近截止状态,从而提高晶体管的开关速度。这种方法是74LS,74ALS,74AS等典型数字IC的TTL内部电路中使用的技术。
肖特基(Schottky)二极管的最大特点是正向压降VF比较小。在同样电流的情况下,它的正向压降要小许多。另外它的恢复时间短。它也有一些缺点:耐压比较低,漏电流稍大些。选用时要全面考虑。
检波二极管是用于把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。
检波(也称解调)二极管的作用是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来,广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中,其工作频率较高,处理信号幅度较弱。
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,除用于一般二极管检波外,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。
开关二极管是半导体二极管的一种,是为在电路上进行“开”、“关”而特殊设计制造的一类二极管。它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短,常见的有2AK、2DK等系列,主要用于电子计算机、脉冲和开关电路中。
半导体二极管导通时相当于开关闭合(电路接通),截止时相当于开关打开(电路切断),所以二极管可作开关用,常用型号为1N4148。由于半导体二极管具有单向导电的特性,在正偏压下PN结导通,在导通状态下的电阻很小,约为几十至几百欧;在反向偏压下,则呈截止状态,其电阻很大,一般硅二极管在10ΜΩ以上,锗管也有几十千欧至几百千欧。利用这一特性,二极管将在电路中起到控制电流接通或关断的作用,成为一个理想的电子开关。
以上的描述,其实适用于任何一支普通的二极管,或者说是二极管本身的原理。但针对于开关二极管,最重要的特点是高频条件下的表现。
高频条件下,二极管的势垒电容表现出来极低的阻抗,并且与二极管并联。当这个势垒电容本身容值达到一定程度时,就会严重影响二极管的开关性能。极端条件下会把二极管短路,高频电流不再通过二极管,而是直接绕路势垒电容通过,二极管就失效了。而开关二极管的势垒电容一般极小,这就相当于堵住了势垒电容这条路,达到了在高频条件下还可以保持好的单向导电性的效果。
普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在,PIN二极管应用很广泛,从低频到高频的应用都有,主要用在RF领域,用作RF开关和RF保护电路,也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。
1)正偏下:PIN二极管加正向电压时,P区和N区的多子会注入到I区,并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时,电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低,所以当PIN二极管正向偏置时,呈低阻特性。正向偏压越大,注入I层的电流就越大,I层载流子越多,使得其电阻越小。下图是正偏下的等效电路图,可以看出其等效为一个很小的电阻,阻值在0.1Ω和10Ω之间。
正向偏压下PIN二极管的等效电路图
2)零偏下:当PIN二极管两端不加电压时,由于实际的I层含有少量的P型杂质,所以在IN交界面处,I区的空穴向N区扩散,N区的电子向I区扩散,然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低,多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面,由于存在浓度差(P区空穴浓度远远大于I区),也会发生扩散运动,但是其影响相对于IN交界面小的多,可以忽略不计。所以当零偏时,I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。
3)反偏下:反偏情况跟零偏时很类似,所不同的是内建电场会得到加强,其效果是使IN结的空间电荷区变宽,且主要是向I区扩展。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容,其电阻是剩下的本征区电阻,而电容是耗尽区的势垒电容。下图是反偏下PIN二极管的等效电路图,可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间,电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大,使得耗尽区充满整个I区,此时会发生I区穿通,此时PIN管不能正常工作了。
反向偏压下PIN二极管的等效电路图
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