其他类型的二极管
发布时间:2011/12/14 10:36:51 访问次数:2521
在这一节里,将介绍几种即使是技术人员也很少遇到,但却仍很重要的二极管。这些包含恒流二极管、肖特基二极管、PIN二极管、阶跃二极管、隧道二极管和激光二极管。
在学完此节后,你应该能够:参与讨论恒流二极管、肖特基二极管、PIN二极管、阶跃二极管、隧道二极管和激光二极管的基本特性;认识这些不同二极管的符号;参与讨论恒流二极管如何保持定值的顺向屯流;说明肖特基二极管的特性;说明PIN二极管的特性;说明阶跃恢复二极管的特性;说明隧道二极管的特性,并且解释其负电阻性;阐述激光二极管和它与LED的不同之处。
1.恒流二极管
恒流二极管通常被归类为定电流二极管。不像齐纳二极管维持一定的电压,这种二极管维持的是定电流。其符号如图3.37所示。
其标准的特性曲线如图3.38所示。恒流二极管工作在正向偏压区(阴影区域),依照二极管的种类,当电压值约介于1.5~6V之间,正向电流会为定值。此正向定电流称为调整电流(regulator current),以IP表示。例如,1N5283-1N5314系列所标示的调整电流从220μA~4. 7mA。这些二极管可以并联,以取得更大的电流。这些二极管没有很明显的反向崩溃,所以当VAK小于OV时,反向电流开始增加。这个元件不应该在反偏压下工作。
在正向偏压时,当电压从限制电压一直到峰值工作电压POV( peak operating voltage),二极管调整效应开始发挥。请注意,当电压介于VK和POV之间,电流基本上都维持定值。特性资料表上标示的IF和二极管阻抗,均根据VT测试电压加以测出。上述的二极管泵列有很高的阻抗值,从235kΩ到25MΩ。
2.肖特基二极管
肖特基二极管主要是用于高频与快速切换的应用方向。它们称为热载波二极管( hot-carrier diodes)。肖特基二极管符号如图3.39所示。肖特基二极管是将掺杂的半导体区(通常为N型)与金、银或铂等金属合成。所以它不是PN结面,而是金属与半导体的结面,如图3.40所示。它的正向电压降大约在0.3V。
肖特基二极管只靠多数载流子操作。不像其他类型的二极管,它没有少数载流子所以并没有反向漏电流。金属区含有大量导带电子,而N型半导体区则为少量的掺杂。当正向偏压时,在N型半导体区较高能量的电子会进入金属区,而快速的散失掉过多的能量。既然没有如传统整流二极管中的少数载流子,它对偏压的改变有很快的反应能力。肖特基二极管是一种具有高速切换的二极管,它的应用大部分都是利用这个性质。它可用在高频应用中,也可用于很多数字电路来减少其切换时间。
3.PIN二极管
PIN二极管是由高浓度掺杂的P和N型区,在P和N型区中间利用本质区(I)隔离.如图3.41(a)所示。当反向偏压时,二极管如接近定值的电容。当正向偏压时,它的作用如同是由电流控制的可变电阻器。如图3.41(b)和3.41(c)所示。本质区的低正向阻抗随着电流增加而减小。
对一般的二极管,正向串联阻抗特性和反向电容特性都在图3. 42中显示。PIN二极管借着快速变化偏压,可当作直流控制的微波开关,或是利用可变正向电阻特性作为可调变的元件。既然在PN结面没有整流效应产生,高频信号可以借由低频偏压的变动来进行调变的工作( modulated)。该二极管也可用来当衰减器使用,因为它的阻抗可以由电流加以控制。某些特定形态的二极管在光纤系统中,可用来作为光检测器( photo-detector)
4.阶跃二极管
阶跃二极管是利用间进式的掺杂浓度,越接近接面,半导体材料中的杂质浓度越小。当从正向偏压变成反向偏压时,通过快速释放储存的电荷,可以在极短的时间关闭二极管。相反的,当从反向偏压转变成正向偏压时,也可很快的重新使正向电流导通。这种二极管都用在极高频(VHF)和快速切换的使用上。
5.隧道二极管
隧道二极管(tunnel diode)具有一种特殊的特性,就是所谓的负电阻性(negative resistance)。这种特性有助于在振荡器和微波放大器的应用上。有两种符号都可表示此二极管,如图3. 43所示。隧道二极管是由锗或砷化镓组成,经过掺杂比一般传统整流二极管逐高浓度杂质的P和N区所构成。这种高浓度的杂质会产生很窄的耗尽区。高浓度掺杂能使其在各种反向电压下,都能导通,所以没有一般整流二极管中的击穿效应。如图3.44所示。
此外,这种极窄的的耗尽区允许电子在很低的正向偏压下,穿过结面,使得二极管如同导体一般。如图3.44的点A和点B之间所示。在B点,正向电压开始产生门槛电压,当正向电压持续增加时,电流开始减少。这就是负电阻区。 RF=△VF/△IF
这个效应与欧姆定律的电压增加,电流随之增加的效应相反。在C点,二极管开始以一般的正向偏压二极管形式运作。
并联谐振电路可以用并联的电容、电感和电阻代表,如图3. 45(a)所示。R,等效于线圈的并联绕线电阻。当槽电路被适当电压激发开始震荡,如图3. 45(b)所示,会产生阻尼的正弦波输出。这个阻尼现象是由槽电路中的电阻所造成,当电流通过这些电阻,会因为能量的损失而无法维持振荡。
如果将隧道二极管与槽电路串联在一起,并使其工作在特性曲线的负电阻区中央,如图3. 46所示,即可产生持续的震荡(一定的正弦波振幅电匪)。这是因为隧道二极管的负电阻特性抵消了槽电路中的正电阻特性。
6.激光二极管
laser这个专有名词代表光的放大,它是由激发辐射的散发所得。镭射光为单色光(monochromatic),也就是说它只含一种单一颜色的光而不是混合各种颜色的光。镭射光又被称为调谐光( coherent light),具有单一波长,而不同于非调谐光,具有宽带带的波长。激光二极管通常发射出调谐光波,而发光二极管发射出非调谐光波。它的符号一样如图3. 47(a)所示。
激光二极管的基本结构如图3. 47 (b)所示。PN结是由两层掺杂的砷化钾形成。PN结的长度与发散出的光波波长有绝对的关系。经由将PN结的两端抛光后,使一端呈高度反射的表面,另一端则为部分反射的表面。外部引脚分别为阳极和阴极。基本的工作原理如下。激光二极管是经由外加电压源施以正向偏压。当电子移动经过PN结时,会产生和一般二极管一样与空穴的重新结合作用。当电子与空穴重新结合时,光子就会释放出来。释放出来的光子会撞击原子,使之稃放出另一个光子。当正向电流增加时,愈来愈多的电子进入耗尽区,而发射出愈来愈多的光子。最后,一些光子会随机地流进耗尽区,而垂直撞击到反射面。这些反射的光子会沿着耗尽区移动,并再撞击原子,并由累增效应释放出更多的光子。光子的来回移动,增加了光子的产生,如同雪球般,直到众多光子通过PN结的部分反射端而形成非常强的激光束。
每个经过这个步骤产生的光子,都有一样的能阶、相位关系和频率。所以,从激光二极管所发射出的强光都是单一波长的光,如图3. 47(c)所示。激光二极管有一个临界电流,当高于临界电流时,会以激光的形式发射出激光,当低于此电流时,此二极管基本上与发光二极管相同,发射出非调谐光。
激光二极管与光二极管通常用于光驱(CD)的激光读取头。 M27C2001-70XF1音频信号(声音)是以数字化将立体音效储存于光盘的表面,以微小的凹槽与平面形式储存。二极管产生的激光束透过透镜,就可以聚焦于光盘表面。当光盘转动,透镜和光束在伺服电机的控制下,沿着音轨移动。激光会随着轨道上的凹槽与平面而变动,从轨迹上反射经过透镜和光学系统,再照到红外线光二极管。从光二极管传出的信号,可以重新产生先前以数字化储存的声音。
在这一节里,将介绍几种即使是技术人员也很少遇到,但却仍很重要的二极管。这些包含恒流二极管、肖特基二极管、PIN二极管、阶跃二极管、隧道二极管和激光二极管。
在学完此节后,你应该能够:参与讨论恒流二极管、肖特基二极管、PIN二极管、阶跃二极管、隧道二极管和激光二极管的基本特性;认识这些不同二极管的符号;参与讨论恒流二极管如何保持定值的顺向屯流;说明肖特基二极管的特性;说明PIN二极管的特性;说明阶跃恢复二极管的特性;说明隧道二极管的特性,并且解释其负电阻性;阐述激光二极管和它与LED的不同之处。
1.恒流二极管
恒流二极管通常被归类为定电流二极管。不像齐纳二极管维持一定的电压,这种二极管维持的是定电流。其符号如图3.37所示。
其标准的特性曲线如图3.38所示。恒流二极管工作在正向偏压区(阴影区域),依照二极管的种类,当电压值约介于1.5~6V之间,正向电流会为定值。此正向定电流称为调整电流(regulator current),以IP表示。例如,1N5283-1N5314系列所标示的调整电流从220μA~4. 7mA。这些二极管可以并联,以取得更大的电流。这些二极管没有很明显的反向崩溃,所以当VAK小于OV时,反向电流开始增加。这个元件不应该在反偏压下工作。
在正向偏压时,当电压从限制电压一直到峰值工作电压POV( peak operating voltage),二极管调整效应开始发挥。请注意,当电压介于VK和POV之间,电流基本上都维持定值。特性资料表上标示的IF和二极管阻抗,均根据VT测试电压加以测出。上述的二极管泵列有很高的阻抗值,从235kΩ到25MΩ。
2.肖特基二极管
肖特基二极管主要是用于高频与快速切换的应用方向。它们称为热载波二极管( hot-carrier diodes)。肖特基二极管符号如图3.39所示。肖特基二极管是将掺杂的半导体区(通常为N型)与金、银或铂等金属合成。所以它不是PN结面,而是金属与半导体的结面,如图3.40所示。它的正向电压降大约在0.3V。
肖特基二极管只靠多数载流子操作。不像其他类型的二极管,它没有少数载流子所以并没有反向漏电流。金属区含有大量导带电子,而N型半导体区则为少量的掺杂。当正向偏压时,在N型半导体区较高能量的电子会进入金属区,而快速的散失掉过多的能量。既然没有如传统整流二极管中的少数载流子,它对偏压的改变有很快的反应能力。肖特基二极管是一种具有高速切换的二极管,它的应用大部分都是利用这个性质。它可用在高频应用中,也可用于很多数字电路来减少其切换时间。
3.PIN二极管
PIN二极管是由高浓度掺杂的P和N型区,在P和N型区中间利用本质区(I)隔离.如图3.41(a)所示。当反向偏压时,二极管如接近定值的电容。当正向偏压时,它的作用如同是由电流控制的可变电阻器。如图3.41(b)和3.41(c)所示。本质区的低正向阻抗随着电流增加而减小。
对一般的二极管,正向串联阻抗特性和反向电容特性都在图3. 42中显示。PIN二极管借着快速变化偏压,可当作直流控制的微波开关,或是利用可变正向电阻特性作为可调变的元件。既然在PN结面没有整流效应产生,高频信号可以借由低频偏压的变动来进行调变的工作( modulated)。该二极管也可用来当衰减器使用,因为它的阻抗可以由电流加以控制。某些特定形态的二极管在光纤系统中,可用来作为光检测器( photo-detector)
4.阶跃二极管
阶跃二极管是利用间进式的掺杂浓度,越接近接面,半导体材料中的杂质浓度越小。当从正向偏压变成反向偏压时,通过快速释放储存的电荷,可以在极短的时间关闭二极管。相反的,当从反向偏压转变成正向偏压时,也可很快的重新使正向电流导通。这种二极管都用在极高频(VHF)和快速切换的使用上。
5.隧道二极管
隧道二极管(tunnel diode)具有一种特殊的特性,就是所谓的负电阻性(negative resistance)。这种特性有助于在振荡器和微波放大器的应用上。有两种符号都可表示此二极管,如图3. 43所示。隧道二极管是由锗或砷化镓组成,经过掺杂比一般传统整流二极管逐高浓度杂质的P和N区所构成。这种高浓度的杂质会产生很窄的耗尽区。高浓度掺杂能使其在各种反向电压下,都能导通,所以没有一般整流二极管中的击穿效应。如图3.44所示。
此外,这种极窄的的耗尽区允许电子在很低的正向偏压下,穿过结面,使得二极管如同导体一般。如图3.44的点A和点B之间所示。在B点,正向电压开始产生门槛电压,当正向电压持续增加时,电流开始减少。这就是负电阻区。 RF=△VF/△IF
这个效应与欧姆定律的电压增加,电流随之增加的效应相反。在C点,二极管开始以一般的正向偏压二极管形式运作。
并联谐振电路可以用并联的电容、电感和电阻代表,如图3. 45(a)所示。R,等效于线圈的并联绕线电阻。当槽电路被适当电压激发开始震荡,如图3. 45(b)所示,会产生阻尼的正弦波输出。这个阻尼现象是由槽电路中的电阻所造成,当电流通过这些电阻,会因为能量的损失而无法维持振荡。
如果将隧道二极管与槽电路串联在一起,并使其工作在特性曲线的负电阻区中央,如图3. 46所示,即可产生持续的震荡(一定的正弦波振幅电匪)。这是因为隧道二极管的负电阻特性抵消了槽电路中的正电阻特性。
6.激光二极管
laser这个专有名词代表光的放大,它是由激发辐射的散发所得。镭射光为单色光(monochromatic),也就是说它只含一种单一颜色的光而不是混合各种颜色的光。镭射光又被称为调谐光( coherent light),具有单一波长,而不同于非调谐光,具有宽带带的波长。激光二极管通常发射出调谐光波,而发光二极管发射出非调谐光波。它的符号一样如图3. 47(a)所示。
激光二极管的基本结构如图3. 47 (b)所示。PN结是由两层掺杂的砷化钾形成。PN结的长度与发散出的光波波长有绝对的关系。经由将PN结的两端抛光后,使一端呈高度反射的表面,另一端则为部分反射的表面。外部引脚分别为阳极和阴极。基本的工作原理如下。激光二极管是经由外加电压源施以正向偏压。当电子移动经过PN结时,会产生和一般二极管一样与空穴的重新结合作用。当电子与空穴重新结合时,光子就会释放出来。释放出来的光子会撞击原子,使之稃放出另一个光子。当正向电流增加时,愈来愈多的电子进入耗尽区,而发射出愈来愈多的光子。最后,一些光子会随机地流进耗尽区,而垂直撞击到反射面。这些反射的光子会沿着耗尽区移动,并再撞击原子,并由累增效应释放出更多的光子。光子的来回移动,增加了光子的产生,如同雪球般,直到众多光子通过PN结的部分反射端而形成非常强的激光束。
每个经过这个步骤产生的光子,都有一样的能阶、相位关系和频率。所以,从激光二极管所发射出的强光都是单一波长的光,如图3. 47(c)所示。激光二极管有一个临界电流,当高于临界电流时,会以激光的形式发射出激光,当低于此电流时,此二极管基本上与发光二极管相同,发射出非调谐光。
激光二极管与光二极管通常用于光驱(CD)的激光读取头。 M27C2001-70XF1音频信号(声音)是以数字化将立体音效储存于光盘的表面,以微小的凹槽与平面形式储存。二极管产生的激光束透过透镜,就可以聚焦于光盘表面。当光盘转动,透镜和光束在伺服电机的控制下,沿着音轨移动。激光会随着轨道上的凹槽与平面而变动,从轨迹上反射经过透镜和光学系统,再照到红外线光二极管。从光二极管传出的信号,可以重新产生先前以数字化储存的声音。
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