電子設(shè)計基礎(chǔ)（四）：二極管

　　4 特殊二極管

　　穩(wěn)壓管的雜質(zhì)濃度較大，空間電荷區(qū)很窄，容易形成強電場。產(chǎn)生反向擊穿時反向電流急增，如圖b的特性所示。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量很大，只引起很小的電壓變化。

　　在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在IZmax和IZmix的范圍。

　　齊納二極管又稱穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管，其代表符號如圖a所示。前已提及，這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強電場。當(dāng)反向電壓加到某一定值時，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿，如圖b的特性所示。圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量DIZ很大，只引起很小的電壓變化DVZ。曲線愈陡，動態(tài)電阻rz=DVZ/DIZ愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說，VZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓的，rZ隨齊納電壓的下降迅速增加，因而低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能較差。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ，低的為3V，高的可達(dá)300V，它的正向壓降約為0.6V。

　　在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在IZmax和IZmix的范圍。穩(wěn)壓管在應(yīng)用中要采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，以保證管子不會因過熱而燒壞。

　　4.1 并聯(lián)式穩(wěn)壓電路

　　穩(wěn)壓電路如圖所示。該電路能夠穩(wěn)定輸出電壓，當(dāng)V1或RL變化時，電路能自動地調(diào)整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達(dá)到使輸出電壓V0(VZ)基本恒定的目的。例如，當(dāng)VI恒定而RL減小時，將產(chǎn)生如下的自動調(diào)整過程：

　　RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

　　VO­

　　VO能基本維持恒定。

　　穩(wěn)壓管在直流穩(wěn)壓電源中獲得廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)壓電路如圖所示。圖中DZ為穩(wěn)壓管，R為限流電阻的作用是使電路有一個合適的工作狀態(tài)。因負(fù)載RL與穩(wěn)壓管兩端并接，故稱為并聯(lián)式穩(wěn)壓電路。

　　該電路之所以能夠穩(wěn)定輸出電壓，在于當(dāng)穩(wěn)定電流IZ有較大幅度的變化DIZ時，而穩(wěn)定電壓的變化DVZ卻很小。這樣，當(dāng)V1或RL變化時，電路能自動地調(diào)整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達(dá)到維持輸出電壓V0(VZ)基本恒定的目的。例如，當(dāng)VI恒定而RL減小時，將產(chǎn)生如下的自動調(diào)整過程：

　　RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

　　VO­

　　可見VO能基本維持恒定。同理，亦可分析當(dāng)RL增大時，亦可得出Vo基本維持恒定的結(jié)論。

　　二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。

　　圖a為變?nèi)荻O管的代表符號，圖b是變?nèi)荻O管的特性曲線。不同型號的管子，其電容最大值可能是5~300pF。最大電容與最小電容之比約為5:1。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。

　　三、二極管的應(yīng)用

　　1、整流二極管利用二極管單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電。

　　2、開關(guān)元件二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān);在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。

　　3、限幅元件二極管正向?qū)ê螅恼驂航祷颈３植蛔?硅管為0.7V，鍺管為0.3V)。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi)。

　　4、繼流二極管在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起繼流作用。

　　5、檢波二極管在收音機中起檢波作用。

　　6、變?nèi)荻O管使用于電視機的高頻頭中。

　　7、顯示元件用于VCD、DVD、計算器等顯示器上。

　　8、穩(wěn)壓二極管反向擊穿電壓恒定，且擊穿后可恢復(fù)，利用這一特性可以實現(xiàn)穩(wěn)壓電路。

　　四、二極管的類型

　　二極管種類有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管(Ge管)和硅二極管(Si管)。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發(fā)光二極管、硅功率開關(guān)二極管、旋轉(zhuǎn)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地?zé)Y(jié)在一起，形成一個“PN結(jié)”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流(不超過幾十毫安)，適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流(幾安到幾十安)，主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。

　　貼片二極管

　　1 根據(jù)構(gòu)造分類

　　半導(dǎo)體二極管主要是依靠PN結(jié)而工作的。與PN結(jié)不可分割的點接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極管的范圍內(nèi)。包括這兩種型號在內(nèi)，根據(jù)PN結(jié)構(gòu)造面的特點，把晶體二極管分類如下：

　　點接觸型二極管

　　點接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PN結(jié)的靜電容量小，適用于高頻電路。但是，與面結(jié)型相比較，點接觸型二極管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大電流和整流。因為構(gòu)造簡單，所以價格便宜。對于小信號的檢波、整流、調(diào)制、混頻和限幅等一般用途而言，它是應(yīng)用范圍較廣的類型。

　　鍵型二極管

　　鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔接或銀的細(xì)絲而形成的。其特性介于點接觸型二極管和合金型二極管之間。與點接觸型相比較，雖然鍵型二極管的PN結(jié)電容量稍有增加，但正向特性特別優(yōu)良。多作開關(guān)用，有時也被應(yīng)用于檢波和電源整流(不大于50mA)。在鍵型二極管中，熔接金絲的二極管有時被稱金鍵型，熔接銀絲的二極管有時被稱為銀鍵型。

　　合金型二極管

　　在N型鍺或硅的單晶片上，通過合金銦、鋁等金屬的方法制作PN結(jié)而形成的。正向電壓降小，適于大電流整流。因其PN結(jié)反向時靜電容量大，所以不適于高頻檢波和高頻整流。

　　擴(kuò)散型二極管

　　在高溫的P型雜質(zhì)氣體中，加熱N型鍺或硅的單晶片，使單晶片表面的一部變成P型，以此法PN結(jié)。因PN結(jié)正向電壓降小，適用于大電流整流。最近，使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉(zhuǎn)移到硅擴(kuò)散型。

　　臺面型二極管

　　PN結(jié)的制作方法雖然與擴(kuò)散型相同，但是，只保留PN結(jié)及其必要的部分，把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部分便呈現(xiàn)出臺面形，因而得名。初期生產(chǎn)的臺面型，是對半導(dǎo)體材料使用擴(kuò)散法而制成的。因此，又把這種臺面型稱為擴(kuò)散臺面型。對于這一類型來說，似乎大電流整流用的產(chǎn)品型號很少，而小電流開關(guān)用的產(chǎn)品型號卻很多。

　　平面型二極管

　　在半導(dǎo)體單晶片(主要地是N型硅單晶片)上，擴(kuò)散P型雜質(zhì)，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅選擇性地擴(kuò)散一部分而形成的PN結(jié)。因此，不需要為調(diào)整PN結(jié)面積的藥品腐蝕作用。由于半導(dǎo)體表面被制作得平整，故而得名。并且，PN結(jié)合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認(rèn)為是穩(wěn)定性好和壽命長的類型。最初，對于被使用的半導(dǎo)體材料是采用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。對平面型二極管而言，似乎使用于大電流整流用的型號很少，而作小電流開關(guān)用的型號則很多。

　　合金擴(kuò)散型二極管

　　它是合金型的一種。合金材料是容易被擴(kuò)散的材料。把難以制作的材料通過巧妙地?fù)脚潆s質(zhì)，就能與合金一起過擴(kuò)散，以便在已經(jīng)形成的PN結(jié)中獲得雜質(zhì)的恰當(dāng)?shù)臐舛确植?。此法適用于制造高靈敏度的變?nèi)荻O管。

　　外延型二極管

　　用外延面長的過程制造PN結(jié)而形成的二極管。制造時需要非常高超的技術(shù)。因能隨意地控制雜質(zhì)的不同濃度的分布，故適宜于制造高靈敏度的變?nèi)荻O管。