高頻二極體

高頻二極體

高頻二極體主要用於開關、檢波、調製、解調及混頻等非線性變換電路中。

高頻二極體的主要參數

1)最大整流電流IFM

二極體在長期穩定工作時,允許通過的最大正向平均電流。因為電流通過PN結要引起管子發熱,電流太大,發熱量超過限度,就會使PN結燒壞,所以在實際套用時工作電流通常小於IFM。

2)最大可重複峰值反向電壓VRRM

指所能重複施加的反向最高峰值電壓,通常是反向擊穿電壓VBR的一半。擊穿時,反向電流劇增,二極體的單嚮導電性被破壞,甚至因過熱而燒壞。

3)反向恢復時間Trr

當工作電壓從正向電壓變成反向電壓時,電流不能瞬時截止,需延遲一段時間,延遲的時間就是反向恢復時間。Trr直接影響二極體的開關速度,在高頻開關狀態時,通常此值越小越好。大功率開關管工作在高頻開關狀態時,此項指標至為重要,Trr越小管子升溫越小,效率越高。

4)結電容CJ

圖1所示的PN結高頻等效電路,其中r表示結電阻,CJ表示結電容,包括勢壘電容和擴散電容的總效果,它的大小除了與本身結構和工藝有關外,還與外加電壓有關。當PN結處於正向偏置時,r為正向電阻,其數值很小,結電容較大(主要決定於擴散電容CD)。當PN結處於反向偏置時,r為反向電阻,其數值較大,結電容較小 (主要決定於勢壘電容CB) 。

5)正向電壓降VF

二極體通過額定正向電流時,在兩極間所產生的電壓降。通常矽材料的二極體VF大於1V,鍺材料、肖特基二極體為0.5V左右。

6)反向電流IR

指管子擊穿時的反向電流,其值愈小,則管子的單嚮導電性愈好。反向電流IR與溫度有密切聯繫,溫度越高,反向電流IR會急劇增加,所以在使用二極體時要注意溫度的影響。

一般半導體器件手冊中都給出不同型號管子的參數,這是正確使用二極體的依據。在高頻套用場合,要注意不要超過最大整流電流和最高反向工作電壓的同時,還應特別注意二極體的最高工作頻率(通常由反向恢復時間Trr和結電容CJ決定),否則電路工作不正常或者管子升溫嚴重,影響可靠性。

幾種常用高頻二極體的特點

1、快恢復二極體FRD(Fast RecoveryDiode)

快恢復二極體的內部結構與普通二極體不同,它是在P型、N型矽材料中間增加了基區I,構成P-I-N矽片。由於基區很薄,反向恢復電荷很小,不僅大大減小了trr值,還降低了瞬態正向壓降,使管子能承受很高的反向工作電壓。快恢復二極體的反向恢復時間一般為幾百納秒,正向電流是幾安培至幾千安培,反向峰值電壓可達幾百到幾千伏。具有開關特性好,反向恢復時間Trr短、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點。可廣泛用於開關電源、脈寬調製器(PWM)、不間斷電源(UPS)、交流電動機變頻調速(VVVF)、高頻加熱等裝置中,作高頻、大電流的續流二極體或整流管。

2、超快恢復二極體SRD (SuperfastRecovery Diode)

在快恢復二極體基礎上發展而成的,其反向恢復時間Trr比FRD更短,是極有發展前途的電力、電子半導體器件。

3、肖特基二極體SBD(Schottky Barrier Diode)

是肖特基勢壘二極體的簡稱。肖特基二極體是利用金屬與半導體接觸形成的金屬-半導體結原理製作的。因此,肖特基二極體也稱為金屬-半導體(接觸)二極體或表面勢壘二極體,它是一種熱載流子二極體。SBD的結構及特點使其適合於在低壓、大電流輸出場合用作高頻整流,在非常高的頻率下(如X波段、C波段、S波段和Ku波段)用於檢波和混頻,在高速邏輯電路中用作箝位。

肖特基二極體的主要優點包括兩個方面:

1)由於肖特基勢壘高度低於PN結勢壘高度,故其正嚮導通門限電壓和正向壓降都比PN結二極體低(約低0.2V)。

2)由於肖特基二極體是一種多數載流子導電器件,不存在少數載流子壽命和反向恢復問題。肖特基二極體的反向恢復時間只是肖特基勢壘電容的充、放電時間,完全不同於PN結二極體的反向恢復時間。由於肖特基二極體的反向恢復電荷非常少,故開關速度非常快,開關損耗也特別小。

當然,由於肖特基二極體的反向勢壘較薄,並且在其表面較易擊穿,所以反向擊穿電壓比較低;肖特基二極體比PN結二極體更容易受熱擊穿,反向漏電流比PN結二極體大。不過近幾年,SBD已取得了突破性的進展,150V和200V的高壓SBD已經上市,使用新型材料製作的超過1kV的SBD也研製成功,從而為其套用注入了新的生機與活力。

4、檢波二極體

檢波二極體是用於把迭加在高頻載波上的低頻信號檢出來的器件,它具有較高的檢波效率和良好的頻率特性。選用時,應根據電路的具體要求來選擇工作頻率高、反向電流小、正向電流足夠大的檢波二極體。雖然檢波和整流的原理是一樣的,而整流的目的只是為了得到直流電,而檢波則是從被調製波中取出信號成分(包絡線)。因檢波是對高頻波整流,二極體的結電容一定要小,通常為點接觸二極體;為提高檢波效率,要求正向電壓降VF要小,所以通常採用正向壓降比較低的鍺材料,目前,結電容小的肖特基二極體已廣泛套用檢波領域,如1N60。

5、開關二極體

利用其單嚮導電特性使其成為了一個較理想的電子開關。半導體二極體導通時相當於開關閉合(電路接通),截止時相當於開關打開(電路切斷),所以二極體可作開關用。開關二極體是專門用來做開關用的二極體,它由導通變為截止或由截止變為導通所需的時間比一般二極體短。

開關二極體除能滿足普通二極體的性能指標要求外,還具有良好的高頻開關特性(反向恢復時間較短),被廣泛套用於各類高頻電路中。

開關二極體分為普通開關二極體、高速開關二極體、超高速開關二極體、低功耗開關二極體、高反壓開關二極體等多種。常用的國產普通開關二極體有2AK系列,高速開關二極體有2CK系列。進口高速、超高速開關二極體有1N系列、1S系列、1SS系列(有引線塑封)和RLS系列(表面安裝)等等。

6、PIN型二極體(PIN Diode)

這是在P區和N區之間夾一層本徵半導體(或低濃度雜質的半導體)構造的晶體二極體。PIN中的I是“本徵”意義的英文略語。當其工作頻率超過100MHz時,由於少數載流子的存貯效應和“本徵”層中的渡越時間效應,其二極體失去整流作用而變成阻抗元件,並且,其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時,“本徵”區的阻抗很高;在直流正向偏置時,由於載流子注入“本徵”區,而使“本徵”區呈現出低阻抗狀態。因此,可以把PIN二極體作為可變阻抗元件使用。它常被套用於高頻開關(即微波開關)、移相、調製、限幅等電路中。

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