电子设计基础（四）：二极管

　　4 特殊二极管

　　稳压管的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增，如图b的特性所示。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。

　　在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的范围。

　　齐纳二极管又称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，其代表符号如图a所示。前已提及，这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，如图b的特性所示。图中的VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于，电流增量DIZ很大，只引起很小的电压变化DVZ。曲线愈陡，动态电阻rz=DVZ/DIZ愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，VZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压的，rZ随齐纳电压的下降迅速增加，因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压VZ，低的为3V，高的可达300V，它的正向压降约为0.6V。

　　在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的范围。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏。

　　4.1 并联式稳压电路

　　稳压电路如图所示。该电路能够稳定输出电压，当V1或RL变化时，电路能自动地调整IZ的大小，以改变R上的压降IRR，达到使输出电压V0(VZ)基本恒定的目的。例如，当VI恒定而RL减小时，将产生如下的自动调整过程：

　　RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

　　VO­

　　VO能基本维持恒定。

　　稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用。稳压电路如图所示。图中DZ为稳压管，R为限流电阻的作用是使电路有一个合适的工作状态。因负载RL与稳压管两端并接，故称为并联式稳压电路。

　　该电路之所以能够稳定输出电压，在于当稳定电流IZ有较大幅度的变化DIZ时，而稳定电压的变化DVZ却很小。这样，当V1或RL变化时，电路能自动地调整IZ的大小，以改变R上的压降IRR，达到维持输出电压V0(VZ)基本恒定的目的。例如，当VI恒定而RL减小时，将产生如下的自动调整过程：

　　RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

　　VO­

　　可见VO能基本维持恒定。同理，亦可分析当RL增大时，亦可得出Vo基本维持恒定的结论。

　　二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。

　　图a为变容二极管的代表符号，图b是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容最大值可能是5~300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。

　　三、二极管的应用

　　1、整流二极管利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。

　　2、开关元件二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关;在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

　　3、限幅元件二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变(硅管为0.7V，锗管为0.3V)。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

　　4、继流二极管在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

　　5、检波二极管在收音机中起检波作用。

　　6、变容二极管使用于电视机的高频头中。

　　7、显示元件用于VCD、DVD、计算器等显示器上。

　　8、稳压二极管反向击穿电压恒定，且击穿后可恢复，利用这一特性可以实现稳压电路。

　　四、二极管的类型

　　二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流(不超过几十毫安)，适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流(几安到几十安)，主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

　　贴片二极管

　　1 根据构造分类

　　半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：

　　点接触型二极管

　　点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。

　　键型二极管

　　键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流(不大于50mA)。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。

　　合金型二极管

　　在N型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。

　　扩散型二极管

　　在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。最近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。

　　台面型二极管

　　PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。

　　平面型二极管

　　在半导体单晶片(主要地是N型硅单晶片)上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。

　　合金扩散型二极管

　　它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。

　　外延型二极管

　　用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。