【導(dǎo)讀】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。
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(jì)原理都是增強(qiáng)二極管的某些獨(dú)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(hào)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(shí)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(xiàng)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?fù)诫s P-N 結(jié)制造而成，因而耗盡層很薄。此區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很高的電場(chǎng)，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(jī)制會(huì)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(jī)制是在電壓高于 5 伏特時(shí)，由于雪崩擊穿或碰撞電離導(dǎo)致?lián)舸?/div>
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(hào)，及其電流-電壓特性曲線
圖 1：顯示齊納二極管的原理圖符號(hào)，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(shí)，它會(huì)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(shí)，可作為標(biāo)準(zhǔn)二極管使用。當(dāng)受到反向偏壓時(shí)，如果反向偏壓電平超過齊納電壓電平 VZ，它會(huì)發(fā)生擊穿。此時(shí)，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(jìn)行限制，以防止出現(xiàn)過熱和故障。這一點(diǎn)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(fù)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(fù)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(fù)載電流的增加，功率耗散會(huì)下降。圖中顯示了負(fù)載電阻值為 200 歐姆至 2,000 歐姆時(shí)的負(fù)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(duì)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(kuò)展到更廣泛的過壓保護(hù)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(shí)，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(shí)，例如在反向電壓保護(hù)電路中，這樣的低正向壓降是非常有用的，因?yàn)樗軌蚪档凸β蕮p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(gè)重要特性是非常快的開關(guān)速度。從打開狀態(tài)切換為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)二極管需要花費(fèi)一定時(shí)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(dá) 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(gè)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(hù) (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(hù)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(shì)是正向壓降較低。肖特基二極管（本例中的 D2）另一個(gè)更重要的功能是，在開關(guān)關(guān)閉時(shí)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(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。在低電壓電源的這項(xiàng)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(jì)，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(cè)器和采樣保持開關(guān)。
變?nèi)荻O管
變?nèi)荻O管有時(shí)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(dá) 28 伏特的偏壓，能夠在廣泛的調(diào)諧范圍內(nèi)應(yīng)用。控制電壓必須施加于變?nèi)荻O管，以免翻轉(zhuǎn)下一級(jí)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。控制電壓通過電阻器 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(chǔ)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。
圖 8：PIN 二極管的結(jié)構(gòu)在陽極和陰極的 P 型材料和 N 型材料之間包括了一層本征半導(dǎo)體材料。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
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(fèi)一些時(shí)間相互重新組合。這個(gè)時(shí)間稱為載流子壽命 t。平均存儲(chǔ)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(gè) 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。基于 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(hào)分配應(yīng)用。
總結(jié)
這些特殊用途二極管為以前采用過時(shí)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(jì)的主流。齊納二極管可實(shí)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(shí)現(xiàn)電子微調(diào)，并取代大體積的機(jī)械可變電容器；PIN 二極管則以快斷式 RF 開關(guān)取代了機(jī)電 RF 開關(guān)。
（來源：Digi-Key網(wǎng)站，作者：Art Pini，Digi-Key 北美編輯）
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