[科普中國]-頻率倍增用二極管

二極管的頻率倍增是指依靠變容二極管的頻率倍增和階躍（即急變）二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變容二極管稱為可變電抗器，其工作原理雖然與自動頻率控制用的變容二極管相同，但電抗器的構造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復二極管，從導通切換到關閉時的反向恢復時間短，因此，其特點是急速變成關閉的轉移時間非常短。如果對階躍二極管施加正弦波，那么轉移時間短，輸出波形急驟地被夾斷，故能產生很多高頻諧波。

變容二極管變容二極管是利用PN結空間電荷具有電容特性的原理制成的特殊二極管，通過施加反向電壓，使其PN結的靜電容量發(fā)生變化。因此，常用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等。通常采用硅的擴散型二極管，也可采用合金擴散型、外延結合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管，因為這些二極管對于電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路，多以硅材料制作。變容二極管為反偏二極管，其結電容就是耗盡層的電容，因此可以近似把耗盡層看做平行板電容，且導電板之間有介質。多數情況下，一般的二極管結電容很小，不能有效利用。變容二極管因其結構特殊，具有相當大的內部電容量，并可像電容器一樣運用于電子電路中。

變容二極管的主要參數有最高反向電壓、反向擊穿電壓、結電容、結電容變化范圍、品質因數。

最高反向電壓是指在變容二極管兩端的反向電壓不能超過的允許值。

反向擊穿電壓是指在施加反向電壓的情況下使變容二極管擊穿的電壓。擊穿電壓決定了器件的最高反向工作電壓和最小電容容量值。

結電容是指在一特定反向偏壓下，變容二極管內部PN結的電容。

結電容變化范圍是指反向電壓從0變化到某一值時，結電容變化的范圍。

品質因數（Q值）是指電容儲存的能量與損耗的能量之比值大多數變容二極管具有很高的Q值。由于變容管的電容量與反偏電壓成反比，Q值就隨著反向偏置電壓的增加而增加。

階躍恢復二極管階躍管的結構與特性階躍恢復二極管簡稱階躍管，它也是一種PN結二極管。它的特點是：在正向電壓時，它與普通PN結二極管一樣，有正向電流流過；而在反向電壓作用下，它則表現為不同的特性，反向電流并不馬上截止，而是仍然有足夠大的反向電流流通，直到某一時刻，才會迅速變成截止狀態(tài)。于是，在反向電流的波形上，就會形成所謂的“階躍”，圖1給出了階躍管的這種電流波形，為了比較，同時也給出了檢波管的電流波形1。

為了實現階躍管這種“階躍“特性，在結構上它一般采用P+NN+臺式結構，在P+型半導體和N+型半導體之間有一層很薄的低摻雜的N層，形成了P+N和NN+2個結(圖2)。在正向偏置電壓時，就會有大量空穴從P+區(qū)注人到N區(qū)，形成正向電流，由于N層的摻雜濃度低，沒有足夠的電子能與空穴復合，使得空穴在N區(qū)繼續(xù)擴散，成為該區(qū)的少數載流子，并在擴散過程中繼續(xù)不斷與電子復合。若載流子的壽命大于外加電壓的周期，則少數載流子的復合速度相對就慢得多。也就是說，在正向電壓的半個周期內，只有少數空穴被復合，大量的空穴被儲存在P+N結的N區(qū)?？昭ǖ膲勖介L，則P+N結N層中的儲存電荷也就越多。而這時NN+結間由于摻雜濃度的不同產生了一個內建電場，這個電場將阻止N層中的少子空穴離開N層進入到N+層中去，使得N層儲存的空穴電荷量得以增加，所以N層是少子空穴的有效儲存層。當電壓轉為反向時，儲存在N層中的電荷將被P+N結內的電場拉回去，空穴回到P+區(qū)，形成反向電流。由于儲存的空穴電荷量很大，因而反向電流也會很大，經過一段時問，儲存的電荷被全部拉回到P+層時，反向電流就迅速降到零，出現了截止狀態(tài)，形成了一個電流的階躍。對于階躍管來說，希望電流的這個階躍越陡越好，即電流降到零的時間越短越好。為了提高階躍的速度，N層的厚度就應盡可能薄。

階躍管的應用階躍管主要用于倍頻，由于階躍管存在電流的階躍，這種電流的突然變化必然會產生大量諧波分量，階躍時間越短，即電流的變化越陡，諧波分量就越豐富，因而作倍頻器時可以實現高次倍頻。變容管倍頻器一般只能實現低次倍頻，只有用幾級變容管倍頻器級聯(lián)，組成倍頻鏈，才能達到高次倍頻的目的。而階躍管單級倍頻器就可以得到10次~20次以上的倍頻，可以作為高頻率穩(wěn)定度的小功率微波信號源，將石英晶體振蕩器輸出的低頻(100MHz左右)信號直接倍頻到微波頻率。階躍管亦可用作梳狀頻譜發(fā)生器，應用于頻率合成器及鎖相固態(tài)源中。利用階躍管還可以產生很窄的脈沖，在毫微秒脈沖發(fā)生器、取樣示波器中應用1。

二極管二極管又稱半導體二極管、晶體二極管(Diode)，它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在晶體二極管內部有一個PN結、兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的導通性。一般來講，晶體二極管是一個由P型半導體和N型半導體燒結形成的PN結界面。在其界面的兩側形成空間電荷層，構成自建電場。當外加電壓等于零時，由于PN結兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。

按照構造分類，二極管可分為點接觸型二極管、鍵型二極管、合金型二極管、擴散型二極管、平面型二極管、合金擴散型二極管、外延型二極管、肖特基二極管；按照用途可分為檢波用二極管、整流用二極管、調制用二極管、混頻用二極管、放大用二極管、開關用二極管、變容二極管、頻率倍增用二極管、穩(wěn)壓二極管、PIN型二極管、雪崩二極管、江崎二極管、快速關斷（階躍恢復）二極管、肖特基二極管等諸多類型。在電路設計中，二極管常用于整流、開關、限幅、續(xù)流、檢波、變容、穩(wěn)壓、觸發(fā)等。其中LED發(fā)光二極管是電路設計中非常常用的器件，常用于指示電路狀態(tài)、顯示等。

二極管種類繁多，在進行電路設計時，應根據具體功能需要選用合適的器件2。

半導體二極管的主要特性半導體二極管最主要的特性是單向導電性，具體特性如下。

(1)正向特性。當加在二極管兩端的正向電壓（P為正、N為負）很小時（鍺管小于0.1 V，硅管小于0.5 V），管子不導通，處于“截止”狀態(tài)；當正向電壓超過一定數值后，管子才導通，電壓再稍微增大，電流急劇增加。不同材料的二極管，起始電壓不同，硅管為0.5~0.7 V，鍺管為0.1~0.3 V。

(2)反向特性。二極管兩端加上反向電壓時，反向電流很小，當反向電壓逐漸增加時，反向電流基本保持不變，這時的電流稱為反向飽和電流。不同材料的二極管，反向電流大小不同，硅管約為1μA到幾十微安，鍺管則可高達數百微安。另外，反向電流受溫度變化的影響很大，鍺管的穩(wěn)定性比硅管差。

(3)擊穿特性。當反向電壓增加到某一數值時，反向電流急劇增大，這種現象稱為反向擊穿，這時的反向電壓稱為反向擊穿電壓。不同結構、工藝和材料制成的管子，其反向擊穿電壓值差異很大，可由1V到幾百伏，甚至高達數千伏。

(4)頻率特性。由于結電容的存在，當頻率高到某一程度時，容抗小到使PN結短路。導致二極管失去單向導電性，不能工作。PN結面積越大，結電容也越大，越不能在高頻情況下工作。

本詞條內容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學院工程熱物理研究所