【導讀】雖然傳統的硅二極管或鍺二極管在大多數電子應用中可以很好地作為整流器和開關元件使用，但它們不具備電子微調、電子衰減、低損耗整流、基準電壓生成等功能。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。這些方法現在已經讓位于更精巧的特殊用途二極管，包括變容二極管、PIN 二極管、肖特基二極管和齊納二極管。
雖然傳統的硅二極管或鍺二極管在大多數電子應用中可以很好地作為整流器和開關元件使用，但它們不具備電子微調、電子衰減、低損耗整流、基準電壓生成等功能。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。這些方法現在已經讓位于更精巧的特殊用途二極管，包括變容二極管、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計原理都是增強二極管的某些獨特特性，以低成本的二極管結構填充小眾應用的空白。在這些應用中，使用特殊用途二極管可以減小尺寸，降低成本，解決傳統解決方案效率低下的問題。典型用途包括開關模式電源、微波和 RF 衰減器、RF 信號源和收發器。
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
齊納二極管在受到反向偏壓時能夠維持固定的電壓。這種功能可用于提供已知基準電壓，是電源中的一項重要操作。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。
齊納二極管使用重摻雜 P-N 結制造而成，因而耗盡層很薄。此區域會產生很高的電場，即便在施加較低電壓的情況下亦是如此。在這些條件下，以下兩種機制會導致二極管被擊穿，從而產生高反向電流：
一種條件下，在小于 5 伏特的電壓下發生齊納擊穿，這是電子量子遂穿導致的結果
第二種擊穿機制是在電壓高于 5 伏特時，由于雪崩擊穿或碰撞電離導致擊穿
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，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，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導通區，但在發生反向偏壓時，它會發生擊穿并在二極管兩端維持恒壓。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
當齊納二極管受到正向偏壓時，可作為標準二極管使用。當受到反向偏壓時，如果反向偏壓電平超過齊納電壓電平 VZ，它會發生擊穿。此時，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行限制，以防止出現過熱和故障。這一點顯示在圖 2 基于齊納效應的基本穩壓器原理圖中，其中采用 ON Semiconductor 的 1N5229B 齊納二極管構建。
圖 2：使用齊納二極管的基本穩壓器原理圖，以及負載調節響應。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
1N5229B 齊納二極管的最大功耗為 500 毫瓦 (mW)，標稱齊納電壓為 4.3 伏特。在無負載的情況下，75 歐姆 (Ω) 的串聯電阻器 (R1) 將功率耗散限制在 455 mW。隨著負載電流的增加，功率耗散會下降。圖中顯示了負載電阻值為 200 歐姆至 2,000 歐姆時的負載調節曲線。
除了電壓調節之外，齊納二極管還可以背對背連線，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。限幅應用可以擴展到更廣泛的過壓保護電路。
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-半導體結制造而成（圖 3）。結的金屬側形成了陽極，半導體側成為陰極。正向偏壓時，肖特基二極管的最大正向壓降在 0.2 至 0.5 伏特范圍內，具體取決于正向電流和二極管類型。當肖特基二極管與電源串聯使用時，例如在反向電壓保護電路中，這樣的低正向壓降是非常有用的，因為它能夠降低功率損耗。
圖 3：肖特基二極管的物理結構基于金屬- N 型半導體結，因而具有很低的正向壓降和極快的開關速度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
這些二極管的另外一個重要特性是非常快的開關速度。從打開狀態切換為關閉狀態時，標準二極管需要花費一定時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-半導體結沒有相關的耗盡層。
與硅結二極管相比，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模式電源。ON Semiconductor 的 1N5822RLG 峰值反向電壓 (PRV) 額定值高達 40 伏特，最大正向電流為 3 A。它能夠在開關模式電源的多個方面得到應用（圖 4）。
圖 4：肖特基二極管在開關模式電源中的典型應用示例，包括用于逆功率保護 (D1) 和瞬態抑制 (D2)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
肖特基二極管可用于保護穩壓器電路，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。該二極管在此應用中的主要優勢是正向壓降較低。肖特基二極管（本例中的 D2）另一個更重要的功能是，在開關關閉時提供返回路徑，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，才能實現這項功能。在低電壓電源的這項應用中，肖特基二極管具有極佳的性能。
肖特基二極管還可應用于 RF 設計，它們的快速開關、低正向壓降、低電容特性使其非常適用于檢測器和采樣保持開關。
變容二極管
變容二極管有時也稱為變容器二極管，是適合提供可變電容的結型二極管。P-N 結受到反向偏壓，并可通過更改施加的 DC 偏壓來改變二極管電容（圖 5）。
圖 5：變容二極管根據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）
變容二極管的電容與施加的直流偏壓成反比。反向偏壓越高，二極管的耗盡區越廣，因而電容也越低。在 Skyworks Solutions 的 SMV1801-079LF 超突變結變容二極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 變容二極管的電容與反向偏壓的函數關系。（圖片來源：Skyworks Solutions）
這些二極管具有很高的擊穿電壓，高達 28 伏特的偏壓，能夠在廣泛的調諧范圍內應用?？刂齐妷罕仨毷┘佑谧內荻O管，以免翻轉下一級的偏置；它通常采用容性耦合，如圖 7 所示。
圖 7：變容二極管調諧式振蕩器通過電容器 C1，將變容二極管 D1 交流耦合到振蕩器?？刂齐妷和ㄟ^電阻器 R1 施加。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
變容二極管通過大型電容器 C1 交流耦合到振蕩器振蕩電路。這樣可將變容二極管 D1 與晶體管偏壓隔離，反之亦然?？刂齐妷和ㄟ^隔離電阻器 R1 施加。
變容二極管可在其他一些應用中取代可變電容器，例如在調諧 RF 或微波濾波器、頻率或相位調制器、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或衰減器。它是通過在傳統二極管的 P 型層和 N 型層之間層疊高電阻率本征半導體層而形成，因此名稱 PIN 反映了該二極管的結構（圖 8）。
非偏壓或反向偏壓二極管沒有電荷存儲在本征層。這是開關應用的關斷條件。插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度，從而產生很低的電容，并提高擊穿電壓。
圖 8：PIN 二極管的結構在陽極和陰極的 P 型材料和 N 型材料之間包括了一層本征半導體材料。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
正向偏壓條件導致空穴和電子被注入到本征層。這些載流子要花費一些時間相互重新組合。這個時間稱為載流子壽命 t。平均存儲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 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，顯示了衰減與頻率之間的關系。（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。它適用于電視信號分配應用。
總結
這些特殊用途二極管為以前采用過時技術完成的關鍵功能提供了精巧的解決方案，現已成為電子電路設計的主流。齊納二極管可實現低電壓基準；肖特基二極管可降低功率損耗并提供快速開關；變容二極管可實現電子微調，并取代大體積的機械可變電容器；PIN 二極管則以快斷式 RF 開關取代了機電 RF 開關。
（來源：Digi-Key網站，作者：Art Pini，Digi-Key 北美編輯）
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