簡述各類二極管的基本特性

引言：二極管是使用特別廣泛的一類無源保護器件，各個二極管的物理原理雖然相似，但是功能特性卻差別很大，使用場景也各不相同，本節(jié)簡述各類二極管的基本特性。

1.穩(wěn)壓二極管Zener

如圖2-1所示，穩(wěn)壓二極管Zener利用了PN結(jié)的反向特性，當(dāng)提高PN結(jié)二極管的反向電壓時，大電流在一定的電壓下開始流動，并得到恒定的電壓。（這種現(xiàn)象稱為擊穿，其電壓稱為擊穿電壓）穩(wěn)壓二極管利用了這一特性。由于這種擊穿電壓也被稱為齊納電壓，所以穩(wěn)壓二極管也被稱為齊納二極管，該電壓可用作恒壓電源或電子電路的參考電壓。

圖2-1：TVS和Zener的I-V曲線

對于齊納二極管應(yīng)用最重要的是反向偏置時的特性，其中齊納二極管具有低于特定擊穿電壓的小泄漏電流，在擊穿電壓以上，I-V特性顯示電流急劇增加。齊納二極管可以在擊穿電壓VZ或高于擊穿電壓VZ時作為電壓穩(wěn)定器持續(xù)工作。一般情況下，舉個例子，當(dāng)電壓小于或等于6V時，會觀察到齊納現(xiàn)象，如果電壓超過6V，雪崩現(xiàn)象將超過齊納現(xiàn)象成為主導(dǎo)。齊納電壓和雪崩電壓具有不同的溫度特性，前者的溫度系數(shù)為負，后者的溫度系數(shù)為正。

2.TVS二極管和齊納二極管之間的差異

TVS二極管（ESD保護二極管）在短時間內(nèi)吸收很高的過電壓，其作用是避免對其它半導(dǎo)體器件施加過大的電壓。另一方面，如圖2-2所示，齊納二極管將輸入電壓鉗位為恒定電壓，并將鉗制的電壓提供給其它半導(dǎo)體器件。因此兩者的差異在于，TVS二極管吸收浪涌電壓以保護其它半導(dǎo)體器件，而齊納二極管為其它半導(dǎo)體器件提供恒定電壓，這兩個二極管都具有箝位特定電壓的功能，但它們用途不同。

圖2-2：TVS和Zener的效能

TVS二極管通常在反向阻斷狀態(tài)下使用，（幾乎沒有電流流動，只施加電壓）只有當(dāng)電壓超過一定電壓（鉗位電壓）并施加到TVS二極管時，才會發(fā)生擊穿（鉗位），齊納二極管通常用于擊穿狀態(tài)，假設(shè)擊穿（齊納）電流總是在正常狀態(tài)下流動。

3.變?nèi)荻O管

圖2-3表示了變?nèi)荻O管的特性，可變電容二極管是利用耗盡層電容特性的產(chǎn)品，當(dāng)施加反向電壓時，耗盡層出現(xiàn)在二極管的PN結(jié)中，其厚度與反向電壓成正比。因此隨著反向電壓的增加，耗盡層厚度增加，但電容減小，其作用與增加電容器兩個電極之間的距離相同。相反，如果反向電壓減小，耗盡層厚度減小，但電容增加。變?nèi)荻O管主要應(yīng)用于調(diào)諧電路等。由于這種電容變化會改變頻率特性，因此與普通二極管相比，需要較大的電容變化率。

圖2-3：可變電容二極管耗盡層與電容的關(guān)系

可變電容二極管與一般二極管不同，其重要特性不是正向電壓VF和開關(guān)特性，而是電容值及其變化（取決于電壓）。

4.肖特基勢壘二極管（SBD）

肖特基二極管，全稱肖特基勢壘二極管，肖特基勢壘二極管（SBD）是一種采用半導(dǎo)體和金屬（比如：鉬）結(jié)合，而不是采用PN結(jié)的器件。一般來說，金屬與N型層結(jié)合的半導(dǎo)體已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，由于其正向電壓小，反向恢復(fù)時間短，所以適合于高速開關(guān)應(yīng)用。對于SBD而言，正向電壓（VF）和反向漏電流之間存在折衷關(guān)系。根據(jù)所使用的金屬，通常來說反向耐受電壓約為20至150V，VF約為0.4至0.7V，低于PN結(jié)二極管的值，具有低正向電壓和低泄漏電流的新型結(jié)構(gòu)的SBD也已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，圖2-4示出了SBD的I-V曲線。

圖2-4：SBD的I-V曲線

如圖2-5所示，SBD的反向恢復(fù)時間（trr）由LC諧振電路根據(jù)結(jié)電容和外部接線的電感確定，（由于結(jié)電容幾乎不受溫度的影響，所以從室溫到高溫trr相同）對于PN結(jié)二極管而言，trr會隨著溫度的升高而變長，所以SBD的開關(guān)特性越來越具優(yōu)越性，適合用于高頻開關(guān)。

圖2-5：反向電壓施加于SBD時的等效電路和SBD結(jié)電容的特性

圖2-6：SBD的典型反向特性

其中：

反向電流特性是阻尼振蕩，對于SBD而言，半導(dǎo)體由N型層組成，因此金屬充當(dāng)二極管的陽極。同樣地，只有電子是載流子，SBD變成了類似MOSFET的單極元件。硅的能級不同于金屬（能隙），該能級因金屬元素而異。符號ΦB用于表示不同的能隙。Pt（鉑）是一種具有大能隙的金屬，V（釩）或Ti（鈦）是具有小能隙的金屬，采用ΦB大的金屬，泄漏電流小，但是正向電壓VF大，采用ΦB小的金屬，則情況相反。

圖2-7：綜合I-V曲線比較