最近项目需要做一个二极管限幅电路，信号是±4.5V正弦信号限幅为±1.3V，而且这个信号的频率也不低。在使用普通的二极管实验之前，效果并不令人满意，所以我决定好好学习。目前，这也是一个小结果。最后，让我们与您分享。首先从二极管最基本的理论开始，然后谈谈二极管的各种参数，最后谈谈当前的实验结果。

二极管是一种只允许电流从单个方向流动的电子设备。我们常用的理想模型是：当二极管两侧的正电压大于二极管的导电压时，二极管被视为短路；如果二极管两侧的正电压小于导电压或反向电压，则二极管被视为断路。

说二极管是不可避免的PN结，我们也从PN开始。二极管实际上是用壳盖住的PN因此，如果你想理解二极管，你必须理解它PN结。 二极管首先用于导电，所以材料首先是导电的。按导电性分为导体、半导体和绝缘体。常用的半导体材料有四价硅和锗，最外层有四个电子，容易得电子，也容易失电子。纯净的半导体又称本征半导体，导电性能较差，不能直接制造半导体器件。人工添加一些杂质，在本征半导体中添加三价元素(硼)或五价元素(磷)。如图1所示。 图1 掺杂半导体

三价元素（硼），最外层只有三个电子，然而硅和锗最外层有四个电子，那就会少一个电子，那就形成了空穴（原子最外层最多8个电子，少一个电子，就会多一个空穴。一个萝卜一个坑的意思），这个就是P型半导体。所以P型半导体是含空穴浓度较高的半导体。浓度高的为多子，即空穴。 五价元素(磷)，最外层有五个电子，多一个电子，即N型半导体。因此，N型半导体是一种电子浓度高的半导体。高浓度是多子，即电子。如图2所示。 图2 N型、P半导体内部电子空穴分布

当载流子浓度差异较大时，就会发生扩散，即高浓度向低浓度扩散。在扩散前，N区呈电中性，P区域呈电中性。P由于N区少子浓度低，区内多子空穴会扩散到N区，同样，N多子电子将扩散到P区。然后将扩散过程中的电子和空穴结合起来，形成耗尽层。由于空穴电子的结合，耗尽层呈电中性，但N区多子电子较少，因此呈正电；P多子空穴区少，对外呈负电。正负电之间会形成电场，又称内电场。如图3所示。耗尽层越宽，空穴电子组合越多，P区N电力越强，内电场越强。内电场的作用会抑制多子扩散运动(电场力)，也会使少子漂移。时刻记住多子发生扩散运动，少子发生漂移运动。在扩散运动和漂移运动的作用下，耗尽层的宽度是有限的。当两者平衡时，耗尽层的宽度保持不变。耗尽层又称PN结。 图3 内电场分布

当P区(positive)接电源正极，N区(negative)当二极管正偏时，连接电源负极。电源连接方法可以用英语记住。电流方向从P区流向N区，这与PN相反，当电压大于内电场电压时，外部电源抵消内电场。内电场被抵消，有利于扩散运动，空间电荷逐渐变成P区和N区（当两侧多子浓度降低时，耗尽层会变宽。此时，由于偏置电压，两侧多子浓度增加，耗尽层被挤压缩小），两侧的多子会不断挤压耗尽层，使耗尽层变窄，电池会不断向两侧注入多子，两侧相应的少子会流出，这个过程会一直进行。直到最薄的时候，才会形成扩散电流，二极管会在这个时候如图4所示。 图4 二极管正偏

当P区(positive)连接电源负极，N区(negative)当二极管反偏时，连接电源正极。P该区域的多子空穴会与负电源注入的电子结合，降低P区域的多子浓度，同样，N区域的多子电子浓度也会降低。多子浓度下降，耗尽层变宽，内电场增强。内部多子浓度持续下降，不会形成多子移动的电流。但内电场的加强也会产生少子漂移，但少子太少，会导致电流很小。如图4所示 图4 二极管反偏

然而，当反向电压增加，耗尽层变宽，内电场增加时，漂移运动的能量增加，巨大的能量会影响出价带中的儿童，带出的儿童也有巨大的能量，从而带出更多的儿童。最后，耗尽层无法阻止，这将激增儿童漂移产生的电流。这形成了我们熟悉的二极管伏安特性曲线，如图5所示。 图5 伏安特性曲线二极管

当正电压低于二极管的导电压时，二极管几乎没有电流。当正电压接近二极管的导电压降时，会产生微弱的电流。当正电压大于二极管的导电压时，电流会激增，需要限制流电阻，防止设备烧坏。 同样，当反向电压大于反向电压时，电流会激增，需要限流，否则会形成热击穿，烧坏二极管。可能导致短路或断路。

理想情况下，当二极管两侧的电压翻转时，二极管的电流方向也应立即翻转。但实际上，二极管存在反向电流和反向恢复时间。当二极管偏离时，由于N区的电子(多子)在电场力的作用下通过耗尽层，在P区附近的耗尽层积累，此时N区的多子成为P区的少子；同样，P在电场力的作用下，区域的空穴(多子)穿过耗尽层，在N区附近的耗尽层附近堆积，P多子成了N区的少子。该密度随着距离耗尽层的距离增加而下降，可见图6。 图6 PN结两侧少子浓度分布

耗尽层对多子来说很难穿越，但对少子来说很容易穿越。当二极管两侧的电压方向突然变化时，由于正向导通，耗尽层两侧积累的少子不会突然减少，PN当结变窄时，电阻会变小，因此可以忽略反向电阻，形成大的反向电流。电流值是通过电压除以限流电阻获得的值。因此，电荷的存储效应导致二极管的反向恢复过程。应用时应考虑反向恢复时间是否符合我们的要求，设计限流电阻时反向恢复电流是否超过二极管的最大值。

耗尽层几乎没有可移动的自由电荷，因此电导率很低，可以视为介质。N区和P区有可移动的自由电荷，电导率很高，可以视为导体。然后整体可以看作是电容，如图7所示。 图7 PN等效为电容

这样就会发生势垒电容：由于层宽变化耗尽导致电荷积累和释放过程中等效的电容称为势垒电容，如图8所示。外部电压的变化会导致耗尽层的变化和势垒电容的产生。该容量值一般为0.1~100PF对高频有很大影响。 图8 形成势垒电容

正如前面提到的，当反向电压增加，耗尽层变宽，内电场增加时，电子（少子）的能量增加，巨大的能量会影响出价带中的电子（少子），有巨大的能量，从而带来更多的电子。如果耗尽层无法阻挡，少子漂移产生的电流就会激增。这个过程与雪崩的场景非常相似。俗话说，雪崩时没有雪花是无辜的。而雪崩击穿也就是能量少子带出一些高能量少子，这些少子带出更多的少子，从而使电流激增。 齐纳击穿由于两侧混合浓度高，电场力强，外部电场只需要它一个不是很大的电场，就可以达到击穿的目的。 雪崩击穿稳压值一般高于6V，且随着温度的升高击穿电压会升高；齐纳击穿稳压值低于6V，且随着温度的升高击穿电压会降低。

温度升高会导致正向特性左移，即导通电压降低，正向压降降低；反向特性下移，反向电流增加。

当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压称为二极管的“正向压降”。一般在说明该参数时，都会注明与之对应的电流。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流(leakage current)。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。反向电流，是指二极管在规定的温度和最大可重复峰值反向电压（Maximum repetitive peak reverse voltage，又称最大反向工作电压）作用下，流过二极管的漏电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。该参数说明时都会注明与之对应的电压和温度，如图10所示。 图10 反向电流

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值，。如图11所示，比较这个参数时，必须同时注明与其对应的漏电流，的大小。 图11 最高反向工作电压

是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管最大正向平均整流电流。

二极管工作状态由正向偏置(forward bias)转换到反向偏置(reverse bias)时，由于电荷储存(电容)效应，二极管反向漏电流无法立即回复到正常状态，必需历经一些时间才能完全回复到截止状态，这段时间通常称作反向恢复时间，trr。一般较精确的定义为二极管开始发生反向偏置(reverse bias)的时间点算起，一直到漏电流恢复到期间最大漏电流的10%为止，如图12所示。 图12 反向恢复时间

它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。 快恢复二极管的特点：快恢复二极管的最主要特点是它的反向恢复时间（trr)在几百纳秒（ns)以下，超快恢复二极管甚至能达到几十纳秒。反向恢复时间快使二极管在导通和截止之间迅速转换，可获得较高的开关速度，提高了器件的使用频率并改善了波形。

二极管工作时, 经常会因为输入开关on/off切换、瞬间启动或其它电压/电流感应源的影响, 对二极管产生瞬间电流浪涌(Surge Current), 若超过二极管容忍程度, 会造成二极管特性改变、退化、或严重损坏, 就是指二极管能够承受此瞬间电流浪涌的最大值。

单级混合对管限幅电路，用肖特基二极管与PIN二极管反向并联。当有射频大信号注入时，肖特基二极管迅速导通并产生直流电流，该直流电流能够为反向并联的PIN二极管提供正向偏置，该偏置电流能够迅速降低PIN二极管的正向导通电阻，使PIN二极管近似于短路状态，此时电路能够反射大部分入射功率从而达到限幅的目的。理论上使用肖特基二极管可以降低限幅电路的起限阈值电平，缩短限幅电路的响应时间。 为了提高限幅电路的功率容量，采用三级混合对管限幅电路，采用前两级为PIN对管，最后一级采用肖特基二极管。这样的限幅电路，即使在微波频段，也会有很好的限幅效果。

目前，我采用了两级肖特基二极管组成的限幅电路，效果比一般的二极管要好很多，限幅在±1V时，线性区的占比可以达到±0.75V，PIN二极管搭配肖特基二极管的效果和只用肖特基二极管的效果一样，可能是我的信号频率还不算太高，PIN二极管的优势没有体现出来。

二极管是模电的基础元件，它的基础理论必须掌握好，这样我们在设计电路的时候才能更好的避免故障的发生。这次写的有些多，后面还想写写我设计的三极管功放电路以及需要注意的问题，有空会写的。好了就这些，如果大家看的有什么问题，欢迎提出。觉得不错的可以点个赞哦，你的鼓励就是我更新的最大动力。