半导体二极管在高频中主要用于开关、检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中。
一、高频二极管的主要参数。
1)最大整流电流ifm
二极管在长期稳定工作时,允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过pn结要引起管子发热,电流太大,发热量超过限度,就会使pn结烧坏,所以在实际应用时工作电流通常小于ifm。
2)最大可重复峰值反向电压vrrm
指所能重复施加的反向最高峰值电压,通常是反向击穿电压vbr的一半。击穿时,反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至因过热而烧坏。
3)反向恢复时间trr
当工作电压从正向电压变成反向电压时,电流不能瞬时截止,需延迟一段时间,延迟的时间就是反向恢复时间。trr直接影响二极管的开关速度,在高频开关状态时,通常此值越小越好。大功率开关管工作在高频开关状态时,此项指标至为重要,trr越小管子升温越小,效率越高。
4)结电容cj
图1所示的pn 结高频等效电路,其中r表示结电阻,cj表示结电容,包括势垒电容和扩散电容的总效果,它的大小除了与本身结构和工艺有关外,还与外加电压有关。当pn结处于正向偏置时,r为正向电阻,其数值很小,结电容较大(主要决定于扩散电容cd)。当pn结处于反向偏置时,r为反向电阻,其数值较大,结电容较小 (主要决定于势垒电容cb) 。
图1 pn结的高频等效电路。
5)正向电压降vf
二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降。通常硅材料的二极管vf大于1v,锗材料、肖特基二极管为0.5v左右。
6)反向电流ir
指管子击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的单向导电性愈好。反向电流ir与温度有密切联系,温度越高,反向电流ir会急剧增加,所以在使用二极管时要注意温度的影响。
一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数,这是正确使用二极管的依据。在高频应用场合,要注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压的同时,还应特别注意二极管的最高工作频率(通常由反向恢复时间trr和结电容cj决定),否则电路工作不正常或者管子升温严重,影响可靠性。
二、几种常用高频二极管的特点。
1、快恢复二极管frd(fast recovery diode)
快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同,它是在p型、n型硅材料中间增加了基区i,构成p-i-n硅片。由于基区很薄,反向恢复电荷很小,不仅大大减小了trr值,还降低了瞬态正向压降,使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒,正向电流是几安培至几千安培,反向峰值电压可达几百到几千伏。
具有开关特性好,反向恢复时间trr短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。可广泛用于开关电源、脉宽调制器(pwm)、不间断电源(ups)、交流电动机变频调速(vvvf)、高频加热等装置中,作高频、大电流的续流二极管或整流管。
2、超快恢复二极管srd (supe***st recovery diode)
在快恢复二极管基础上发展而成的,其反向恢复时间trr比frd更短,是极有发展前途的电力、电子半导体器件。
3、肖特基二极管sbd(schottky barrier diode)
是肖特基势垒二极管的简称。肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,肖特基二极管也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。
sbd的结构及特点使其适合于在低压、大电流输出场合用作高频整流,在非常高的频率下(如x波段、c波段、s波段和ku波段)用于检波和混频,在高速逻辑电路中用作箝位。
肖特基二极管的主要优点包括两个方面:
1)由于肖特基势垒高度低于pn结势垒高度,故其正向导通门限电压和正向压降都比pn结二极管低(约低0.2v)。
2)由于肖特基二极管是一种多数载流子导电器件,不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。肖特基二极管的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间,完全不同于pn结二极管的反向恢复时间。由于肖特基二极管的反向恢复电荷非常少,故开关速度非常快,开关损耗也特别小。
当然,由于肖特基二极管的反向势垒较薄,并且在其表面较易击穿,所以反向击穿电压比较低;肖特基二极管比pn结二极管更容易受热击穿,反向漏电流比pn结二极管大。不过近几年,sbd已取得了突破性的进展,150v和200v的高压sbd已经上市,使用新型材料制作的超过1kv的sbd也研制成功,从而为其应用注入了新的生机与活力。
4、检波二极管。
检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。选用时,应根据电路的具体要求来选择工作频率高、反向电流小、正向电流足够大的检波二极管。虽然检波和整流的原理是一样的,而整流的目的只是为了得到直流电,而检波则是从被调制波中取出信号成分(包络线)。
因检波是对高频波整流,二极管的结电容一定要小,通常为点接触二极管;为提高检波效率,要求正向电压降vf要小,所以通常采用正向压降比较低的锗材料,目前,结电容小的肖特基二极管已广泛应用检波领域,如1n60。
5、开关二极管。
利用其单向导电特性使其成为了一个较理想的电子开关。半导体二极管导通时相当于开关闭合(电路接通),截止时相当于开关打开(电路切断),所以二极管可作开关用。开关二极管是专门用来做开关用的二极管,它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短。
开关二极管除能满足普通二极管的性能指标要求外,还具有良好的高频开关特性(反向恢复时间较短),被广泛应用于各类高频电路中。
开关二极管分为普通开关二极管、高速开关二极管、超高速开关二极管、低功耗开关二极管、高反压开关二极管等多种。常用的国产普通开关二极管有2ak系列,高速开关二极管有2ck系列。进口高速、超高速开关二极管有1n系列、1s系列、1ss系列(有引线塑封)和rls系列(表面安装)等等。
6、pin型二极管(pin diode)
这是在p区和n区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造的晶体二极管。pin中的i是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过100mhz时,由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应,其二极管失去整流作用而变成阻抗元件,并且,其阻抗值随偏置电压而改变。
在零偏置或直流反向偏置时,“本征”区的阻抗很高;在直流正向偏置时,由于载流子注入“本征”区,而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此,可以把pin二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。
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