前言
最近項目需求做一個二極管限幅電路，要把信號為±4.5V的正弦信號限幅在±1.3V，而且這個信號頻率還不低，之前用普通的二極管實驗，效果不太滿意，所以決定好好研究。目前也是小有成果，結尾給大家分享一下，先從二極管最基礎的理論說起，然后說說二極管的各種參數，最后說一下目前實驗成果。
一、二極管是什么?
二極管是一種電子器件，只允許電流由單一方向流過。我們常用的理想模型是：當二極管兩側施加正向電壓且大于二極管的導通電壓時，將二極管看作是導線短路;若二極管兩側施加的正向電壓小于導通電壓或施加反向電壓時，將二極管看作斷路。
這樣的話就造就了二極管很多用途，也生產了很多不同種類的二極管：發光二極管、穩壓二極管、肖特基二極管、光電二極管、開關二極管、瞬態抑制二極管、PIN二極管等。我們在實驗中，想要達到預期目的，就需要好好的挑選二極管的種類，二極管的型號，二極管的參數，二極管的封裝等等。
如果你想快上手的話，可以直接跳到下面講參數的那一節，接下來我會先從二極管的工作原理講起，是為了更好的理解二極管的各種參數，遇到故障也好分析。
二、二極管原理
1.PN結
講二極管是避不開PN結的，我們也從PN結開始。二極管其實就是套了殼子的PN結，所以想要弄懂二極管就得了解PN結。
二極管首先是要用來導電的，所以材料先是導電的。按照導電性分為導體、半導體和絕緣體。常用的半導體材料有四價硅和鍺，它們的最外層有四個電子，既容易得電子也容易失電子。純凈的半導體又稱本征半導體，導電性能較差，不能直接制造半導體器件。我們人為的加入一些雜質，在本征半導體中加入三價元素(硼)，或者加入五價元素(磷)。如圖1所示。
圖1 摻雜半導體
三價元素(硼)，最外層只有三個電子，然而硅和鍺最外層有四個電子，那就會少一個電子，那就形成了空穴(原子最外層最多8個電子，少一個電子，就會多一個空穴。一個蘿卜一個坑的意思)，這個就是P型半導體。所以P型半導體是含空穴濃度較高的半導體。濃度高的為多子，即空穴。
五價元素(磷)，最外層有五個電子，多出一個電子，這個就是N型半導體。所以N型半導體是含電子濃度較高的半導體。濃度高的為多子，即電子。如圖2所示。
圖2 N型、P型半導體內部電子空穴分布
當載流子濃度相差大的話，就會發生擴散現象，就是高濃度向低濃度擴散。在擴散前，N區呈電中性，P區呈電中性。P區的多子空穴會因N區的少子濃度低而向N區擴散，同理，N區的多子電子會向P區擴散。那么擴散的過程電子和空穴就會結合，從而形成耗盡層。此時耗盡層因空穴電子的結合呈電中性，但N區少了多子電子，所以對外呈現正電;P區少了多子空穴，所以對外呈現負電。正電和負電之間會形成電場，又稱內電場。如圖3所示。耗盡層越寬，說明空穴電子結合的越多，那么P區N區的電性越強，則內電場越強。內電場的作用會抑制多子擴散運動(電場力作用)，也會使少子發生漂移運動。時刻記住多子發生擴散運動，少子發生漂移運動。在擴散運動、漂移運動的作用下，耗盡層的寬度是有限度的，當兩者平衡，耗盡層寬度就不變了，耗盡層又稱PN結。
圖3 內電場分布
2.PN結正偏
當P區(positive)接電源正極，N區(negative)接電源負極，此時二極管正偏?？梢愿鶕鼈兊挠⑽挠涀‰娫唇臃?。電流方向由P區流向N區，這與PN結內部的內電場方向相反，當電壓大于內電場電壓時，外部的電源抵消了其內電場。內電場抵消了，有利于擴散運動的進行，空間電荷慢慢變成了P區和N區(當兩側的多子濃度變低，耗盡層會變寬。此時外加偏置電壓，兩側多子濃度變高，耗盡層被擠壓變窄)，兩側的多子會不斷的擠壓耗盡層，使耗盡層變窄，電池不斷向兩側注入多子，兩側對應的也會有少子流出，這個過程就會一直進行。直到最薄的時候，會形成一個擴散電流，這個時候二極管就導通了。過程如圖4所示。
圖4 二極管正偏
3.PN結反偏
當P區(positive)接電源負極，N區(negative)接電源正極，此時二極管反偏。P區的多子空穴會和電源負極注入的電子結合而使P區多子濃度下降，同理N區的多子電子濃度也會下降。多子濃度下降，耗盡層變寬，內電場增強。內部多子濃度不斷下降，那就不會形成以多子行動的電流了。但內電場的加強也會產生少子漂移運動，但少子太少了，就會導致這個電流很小。如圖4所示。
圖4 二極管反偏
但是當外加反向電壓不斷增大，使耗盡層不斷變寬，內電場不斷增大，那么少子發生漂移運動所具備的能量增多，巨大的能量就會撞擊出價帶中的少子，所帶出的少子也具有巨大的能量，從而帶出更多的少子。最終耗盡層阻擋不了，就會使少子漂移產生的電流激增。這樣就形成了我們熟知的二極管伏安特性曲線，如圖5所示。
圖5 二極管伏安特性曲線
正向電壓低于二極管的導通電壓時，二極管幾乎沒有電流。當正向電壓接近二極管的導通壓降時，會產生微弱的電流。當正向電壓大于二極管的導通電壓時，電流就會激增，需要接限流電阻，防止燒壞器件。
反向的同理，當大于反向電壓時，會使電流激增，需要限流，不然會形成熱擊穿，燒壞二極管?？赡茉斐啥搪坊蛘邤嗦?。
4.PN結反向恢復過程
理想情況下，當二極管兩側的電壓發生翻轉時，二極管的電流方向也應該立馬翻轉。但實際上，二極管存在反向電流和反向恢復時間。當二極管正偏時，由于N區的電子(多子)在電場力的作用下穿過耗盡層，在P區靠近耗盡層附近堆積，此時N區的多子變成了P區的少子;同理，P區的空穴(多子)在電場力的作用下穿過耗盡層，在N區靠近耗盡層附近堆積，P區的多子變成了N區的少子。這個密度隨著距離耗盡層的距離增大而指數下降，可見圖6理解。
圖6 PN結兩側少子濃度分布
耗盡層對于多子來說很難穿越，但對于少子來說很容易穿越。當二極管兩側的電壓方向突然轉變時，耗盡層兩側堆積的少子不會突然減少，同時由于正向導通時，PN結變窄，電阻會變很小，所以反偏一瞬間的電阻可以忽略不計，形成很大的反向電流，該電流值就是通過電壓除以限流電阻得出的值。所以就是電荷的存儲效應導致了二極管存在反向恢復的過程，我們應用時應該考慮反向恢復時間是否滿足我們的要求，限流電阻設計時還要考慮反向恢復電流是否超過二極管的最大值。
5.PN結電容效應
耗盡層幾乎沒有可移動的自由電荷，所以電導率會很低，就可以看作為介質。而N區和P區有可移動的自由電荷，電導率很高，就可以看作為導體。那么整體就可以看作為電容，如圖7所示。
圖7 PN結等效為電容
這樣就會產生勢壘電容：因耗盡層寬窄變化引起電荷的積累和釋放的過程所等效的電容稱為勢壘電容，如圖8所示。外界電壓的變化會導致耗盡層發生變化，就會有勢壘電容的產生。該容值一般在0.1~100PF之間，對高頻影響很大。
圖8 勢壘電容形成
前邊講到PN結的反向恢復過程有講到電荷的存儲效應，PN結兩側施加的電壓不同，會導致耗盡層兩側少子的濃度變化。這個電荷的積累和釋放的過程與電容的充放電過程相同，如圖9所示。
圖9 擴散電容
在高頻信號下，當二極管正偏時，會存在勢壘電容和擴散電容;當二極管反偏時，由于反向電流很小，擴散電容忽略不計，只有勢壘電容。
6.雪崩擊穿和齊納擊穿
前面講過，當外加反向電壓不斷增大，使耗盡層不斷變寬，內電場不斷增大，那么電子(少子)所具備的能量增多，巨大的能量就會撞擊出價帶中的電子(少子)，所帶出的電子也具有巨大的能量，從而帶出更多的電子。最終耗盡層阻擋不了，就會使少子漂移產生的電流激增。這個過程和雪崩的場景很像，熟話說，雪崩的時候沒有一片雪花是無辜的。而雪崩擊穿就是少數幾個高能量少子帶出一些高能量少子，這些少子再帶出更多的少子，從而使電流激增。
齊納擊穿由于兩側高參雜濃度，導致其本身就具有很強的電場力，那么外界電場只需要給它一個不是很大的電場，就可以達到擊穿的目的。
雪崩擊穿穩壓值一般高于6V，且隨著溫度的升高擊穿電壓會升高;齊納擊穿穩壓值低于6V，且隨著溫度的升高擊穿電壓會降低。
7.溫度的影響
溫度升高會導致正向特性左移，即導通電壓降低，正向壓降降低;反向特性下移，反向電流增加。
三、二極管的參數
1.最大正向電壓
當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓稱為二極管的“正向壓降”VF。一般在說明該參數時，都會注明與之對應的電流IF。
2.反向電流
二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流(leakage current)。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態稱為二極管的擊穿。反向電流，IR是指二極管在規定的溫度和最大可重復峰值反向電壓(Maximum repetitive peak reverse voltage，VRRM又稱最大反向工作電壓)作用下，流過二極管的漏電流。反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。該參數說明時都會注明與之對應的電壓和溫度，如圖10所示。
圖10 反向電流
3.最高反向工作電壓
加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規定了最高反向工作電壓值，VRRM。如圖11所示，比較這個參數時，必須同時注明與其對應的漏電流，IR的大小。
圖11 最高反向工作電壓
4.最大正向平均整流電流
是指二極管長期連續工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發熱，溫度上升，溫度超過容許限度時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管最大正向平均整流電流。
5.反向恢復時間
二極管工作狀態由正向偏置(forward bias)轉換到反向偏置(reverse bias)時，由于電荷儲存(電容)效應，二極管反向漏電流無法立即回復到正常狀態，必需歷經一些時間才能完全回復到截止狀態，這段時間通常稱作反向恢復時間，trr。一般較精確的定義為二極管開始發生反向偏置(reverse bias)的時間點算起，一直到漏電流恢復到期間最大漏電流的10%為止，如圖12所示。
圖12 反向恢復時間
它是衡量高頻續流及整流器件性能的重要技術指標。
快恢復二極管的特點：快恢復二極管的最主要特點是它的反向恢復時間(trr)在幾百納秒(ns)以下，超快恢復二極管甚至能達到幾十納秒。反向恢復時間快使二極管在導通和截止之間迅速轉換，可獲得較高的開關速度，提高了器件的使用頻率并改善了波形。
6.正向不重復浪涌電流
二極管工作時, 經常會因為輸入開關on/off切換、瞬間啟動或其它電壓/電流感應源的影響, 對二極管產生瞬間電流浪涌(Surge Current), 若超過二極管容忍程度, 會造成二極管特性改變、退化、或嚴重損壞,IFSM 就是指二極管能夠承受此瞬間電流浪涌的最大值。
三、限幅電路
1.二極管的應用
二極管是模電的基礎元件，有很多應用，我這里簡單說幾種(碼不動字了)，這一大章主要講二極管限幅電路。
1.防反作用：這就是理想二極管模型了，正向導通，反向截止。一般可用于小電流場合，反向電壓也得注意。
2.整流作用：一般用于交流轉直流場景，全波整流效率高，半波整流效率低。
3.穩壓作用：穩壓二極管，即齊納二極管，利用PN結反偏，發生齊納擊穿，在很大范圍電壓不變。這個要根據數據手冊參數，計算好限流電阻的大小。讓穩壓二極管工作在穩壓區域。
4.續流作用：一般并聯接在感性元器件的兩端，因為感性元件在電流消失時，其感應電動勢會對電路中的原件產生反向電壓。當反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時，會把原件如三極管，等造成損壞。續流二極管并聯在線 兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉。叢而保護了電路中的其它原件的安全。
5.檢波電路：對輸入信號幅值的最大值進行檢測。當輸入電壓幅度大于二極管正向電壓時，二極管導通，輸出電壓加在電容C1上，電容兩端充電完畢，當輸入電壓幅值低于先前輸入電壓幅值時，二極管處于反偏截止狀態，此時，電容兩端的電壓基本保持不變;若再輸入信號，輸入電壓幅度必須高于此時電容兩端的電壓(即加在二極管的正向電壓)，二極管才能導通?？煽磮D13理解。
圖13 檢波電路
6.倍壓電路：利用二極管的單向導電性和電容的電荷儲存，可以將原始不高的電壓，變成二倍壓，三倍壓等，常見的應用有電蚊拍。
7.限幅電路：所謂限幅，就是將信號的幅值限制在所需要的范圍之內。由于通常所需要限幅的電路多為高頻脈沖電路、高頻載波電路、中高頻信號放大電路、高頻調制電路等，故要求限幅二極管具有較陡直的U-I特性，使之具有良好的開關性能。從要求出發，限幅用途的二極管應該具有以下特點：
1、多用于中、高頻與音頻電路;
2、導通速度快，恢復時間短;
3、正偏置下二極管壓降穩定;
4、可串、并聯實現各向、各值限幅;
5、可在限幅的同時實現溫度補償。
2.PIN二極管
PIN二極管被廣泛用于射頻及微波電路中，在電路中可以看作一個可變電阻器。
它具有較小的直流偏置控制較大微波射頻功率的優點，是優良的微波控制類元件。理想的PIN二極管是由一個重摻雜的P區和N區及夾于中間的本征半導體I層
的三層結構所構成，如圖14所示。
圖14 PIN二極管橫截面圖
在直流信號作用下，零偏壓時，由于I層摻雜濃度低和空間電荷區內載流子耗盡及勢壘的存在，只有很少一部分載流子越過勢壘，此時PIN二極管處于截止狀態，對外電路呈現高阻抗;加反向偏置電壓時，外加電場與空間電荷區電場方向相同，加在空間電荷區的總電場強度變大，載流子漂移運動強度遠大于擴散運動，空間電荷區展寬，勢壘高度變大，能夠越過勢壘的載流子更少，此時PIN二極管截止且阻抗值要比零偏壓時還大;加正向偏置電壓時，外加電場與空間電荷區電場方向相反相互抵消，空間電荷區變窄，勢壘高度降低，能夠越過勢壘的載流子數目增多，此時PIN二極管導通呈現低阻抗。在這種情況下PIN二極管的I-V特性類似PN結二極管，可以用作整流器件。由于高電阻率I層的存在，其反向擊穿電壓要比PN結二極管高很多，可以處理大功率。
在交流信號作用下，信號頻率和幅度決定了PIN二極管的特性。信號頻率較低時，信號周期遠大于載流子的壽命和載流子渡越空間電荷區時間，I層的電導率隨著所加信號幅度變化。交流信號正半周PIN二極管呈低阻抗特性，交流信號負半周PIN二極管呈高阻抗特性，所以PIN二極管在低頻交流信號作用下的特性與直流信號一致。在高頻特別是微波頻段時，載流子的壽命和載流子渡越空間電荷區時間與信號周期相比擬時，PIN二極管對微波信號不再具有整流作用，對微波信號的正負半周的響應沒有什么差別，此時PIN二極管可以看作是一個線性元件。
3.限幅電路
單級混合對管限幅電路，用肖特基二極管與PIN二極管反向并聯。當有射頻大信號注入時，肖特基二極管迅速導通并產生直流電流，該直流電流能夠為反向并聯的PIN二極管提供正向偏置，該偏置電流能夠迅速降低PIN二極管的正向導通電阻，使PIN二極管近似于短路狀態，此時電路能夠反射大部分入射功率從而達到限幅的目的。理論上使用肖特基二極管可以降低限幅電路的起限閾值電平，縮短限幅電路的響應時間。
為了提高限幅電路的功率容量，采用三級混合對管限幅電路，采用前兩級為PIN對管，最后一級采用肖特基二極管。這樣的限幅電路，即使在微波頻段，也會有很好的限幅效果。
目前，我采用了兩級肖特基二極管組成的限幅電路，效果比一般的二極管要好很多，限幅在±1V時，線性區的占比可以達到±0.75V，PIN二極管搭配肖特基二極管的效果和只用肖特基二極管的效果一樣，可能是我的信號頻率還不算太高，PIN二極管的優勢沒有體現出來。
總結
二極管是模電的基礎元件，它的基礎理論必須掌握好，這樣我們在設計電路的時候才能更好的避免故障的發生。這次寫的有些多，后面還想寫寫我設計的三極管功放電路以及需要注意的問題，有空會寫的。好了就這些，如果大家看的有什么問題，歡迎提出。覺得不錯的可以點個贊哦，你的鼓勵就是我更新的最大動力。