【二極管雙向限幅電路的仿真與探析（論文）9900字】

[2]。 3.3.1雪崩擊穿 給予PN結(jié)相對大的反向偏壓時，勢壘區(qū)的電場場強會變得非常大，里面的載流子處于如此強的電場下運動，可以獲得相對較大的動能。這些高能量的帶電離子與勢壘區(qū)中的原子發(fā)生碰撞時發(fā)生碰撞電離，將其中一個價鍵上的電子釋放出來，形成導(dǎo)電電子，與此同時還會有一個空穴產(chǎn)生。而勢壘區(qū)的電場又使這些新出現(xiàn)的帶電粒子加速獲得高動能，還會接著在其中碰撞，引出更多的帶電粒子。這樣的碰撞不斷發(fā)生，在很短的時間內(nèi)空間電荷區(qū)內(nèi)的電子就會急劇增長，就像雪崩一樣，此時電流就會變得非常大，使PN結(jié)出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象，對于這樣的擊穿通常稱為雪崩擊穿[4]。

雪崩擊穿的出現(xiàn)不僅僅與空間電荷區(qū)中的場強相關(guān)，勢壘區(qū)的厚度也是需要考慮的因素，由于帶電粒子需要一定的時間來加速從而獲得足夠的動能，如果勢壘區(qū)不夠?qū)挘瑤щ娏Ｗ釉陔妶鲋屑铀俚臅r間不夠長，來不及達(dá)到發(fā)生雪崩效應(yīng)所需要的最小動能，雪崩擊穿就無法產(chǎn)生。因此雪崩擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度不高同時反向偏壓很大的PN結(jié)中。 3.3.2隧道擊穿 隧道擊穿是在強電場作用下，由于隧道效應(yīng)，數(shù)量龐大的會電子脫離共價鍵的束縛，也就是說空間電荷區(qū)會出現(xiàn)很多帶電的電子和空穴，此時電流就會變得非常大，使PN結(jié)出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象最初由齊納提出，用來解釋介電擊穿現(xiàn)象，因此也被稱為齊納擊穿[3]。

雜質(zhì)摻雜較多的PN結(jié)更易于出現(xiàn)隧道擊穿，因為這類PN結(jié)的勢壘區(qū)寬度較小，不容易出現(xiàn)雪崩擊穿，但勢壘區(qū)內(nèi)的電荷密度較高，所以反向偏置電壓不高時會出現(xiàn)強電場，發(fā)生隧道擊穿。 3.3.3熱電擊穿 當(dāng)向PN結(jié)施加反向的電壓下，PN結(jié)會產(chǎn)生熱能，因為器件有電流流過。反向偏壓逐漸增加時，由于反向電流一定，此時的功率會越來越大，這會產(chǎn)生大量的熱量，使PN結(jié)的溫度上升。同時反向飽和電流的大小與工作溫度有關(guān)，并且隨著溫度呈指數(shù)上升。

因此，隨著PN結(jié)溫度的升高，反向飽和電流也迅速增加，熱能也迅速增加，從而導(dǎo)致PN結(jié)溫度和反向飽和電流的升高。在這個周期中，反向飽和電流將繼續(xù)增加，最后PN結(jié)就會出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象。這樣的擊穿是由溫度的變化引起的，所以稱其為熱電擊穿。

對于雪崩擊穿和隧道擊穿來說，只要PN結(jié)的功率沒有大于最大允許的功率，PN結(jié)沒有燒毀，那么這種擊穿過程就是可逆的，減小反向偏壓后，PN結(jié)可以恢復(fù)成正常的狀態(tài)。而PN結(jié)通常會在熱電擊穿下燒毀，因此PN結(jié)需要比較好的散熱環(huán)境使熱量及時轉(zhuǎn)移到外界，避免PN結(jié)的溫度過快升高。3.4伏安特性曲線 在前面對PN結(jié)的分析中，我們可以畫出二極管的伏安特性曲線如圖3.3所示，通過伏安特性曲線來分析二極管的工作狀態(tài)。

對二極管施加正向電壓較小時，電流可以說是幾乎為0，因為此時的外加正向電壓還不能克服勢壘的電勢能，也就是擴散運動的強度還不夠大，因此暫時無法產(chǎn)生電流。增大正向偏壓到二極管開始有可觀測的電流產(chǎn)生，此時的電壓通常叫做死區(qū)電壓Vth，對于硅二極管，出現(xiàn)電流所需的最小電壓約為0.5V，而鍺二極管約為0.1V。繼續(xù)增加正向偏置電壓，當(dāng)電流隨電壓呈指數(shù)關(guān)系變化時，此時的二極管工作在正向?qū)▍^(qū)，電流開始發(fā)生指數(shù)變化時對應(yīng)的電壓稱為導(dǎo)通電壓Von，硅二極管的導(dǎo)通電壓約為0.7V，鍺二極管的導(dǎo)通電壓約為0.3V。

當(dāng)施加反向偏壓時，一開始反向電流逐漸增加，因為此時的少數(shù)載流子還沒有完全參與漂移運動。當(dāng)反向偏壓大于一定值時，反向電流保持穩(wěn)定，電壓的變化不會影響其大小，此時的電流為反向飽和電流且電流很小，二極管此時工作在截止區(qū)。

當(dāng)反向偏置電壓大于某一特定電壓VBR時，反向電流劇烈增加，此時二極管發(fā)生擊穿，工作在反向擊穿區(qū)，VBR稱為該二極管的反向擊穿電壓。圖3.3二極管I-V特性曲線我們可以在Multisim中對二極管的伏安特性進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖3.4所示，其中D1為硅二極管，R1為限流電阻。對二極管施加直流電壓，測量二極管兩端的電壓和流經(jīng)二極管的電流。通過仿真我們得到的不同工作狀態(tài)下二極管的伏安特性曲線如圖3.5所示。從圖3.5(a)可以看出二極管在兩端電壓為0.5V到0.7V之間時，電流緩慢上升，當(dāng)電壓大于0.7V后，電流隨電壓呈指數(shù)上升。施加反向電壓時，二極管在電壓為0.3V時反向電流達(dá)到飽和，該二極管的反向飽和電流為32nA，說明該二極管有良好的單向?qū)щ娦?。繼續(xù)增大反向電壓，該二極管在反向電壓約為53V時發(fā)生擊穿，擊穿后電流急劇增加。圖3.4二極管仿真電路圖(a)二極管正向I-V特性曲線(b)二極管反向I-V特性曲線(c)二極管反向擊穿I-V特性曲線圖3.5二極管I-V特性仿真曲線3.5電容效應(yīng) PN結(jié)在低頻電壓下有良好的整流能力，但在高頻電壓下，PN結(jié)的整流特性變差，失去單向?qū)щ娦?，因為PN結(jié)具有電容效應(yīng)。PN結(jié)電容是由勢壘電容CB和擴散電容CD兩種電容組成的。

如果對PN結(jié)施加的電壓是會變化的，那么空間電荷區(qū)的電場也會隨電壓改變，此時勢壘區(qū)厚度就是變化的，也即是說，勢壘區(qū)的電荷數(shù)量會發(fā)生增減。由于空間電荷區(qū)里的電荷是固定的正負(fù)離子，空間電荷數(shù)量變化的過程中，發(fā)生電子和空穴的聚集和釋放，這種過程和電容器的充放電作用相似，其等效電容稱為勢壘電容CB。

CB=ε?Sl其中ε為介電常數(shù)；S為PN結(jié)的結(jié)面積；l為耗盡層的寬度。 當(dāng)施加在PN結(jié)上的正向電壓變化時，載流子在擴散的過程中，一些擴散流出，一些增長了載流子的濃度梯度，這時空間電荷區(qū)也有電荷的積累和釋放的過程，這種由于外加偏壓變化引起擴散區(qū)電荷數(shù)量變化的電容效應(yīng)，稱為擴散電容CD。

PN結(jié)兩端電壓的改變都會引起勢壘電容和擴散電容的變化，在電路中可以當(dāng)作可變電容的器件。在PN結(jié)反向偏置時，勢壘電容不能忽略，而擴散電容一般可以忽略；正向偏置時，擴散電容起主要作用。PN結(jié)表現(xiàn)出的結(jié)電容Cj相當(dāng)于勢壘電容和擴散電容的并聯(lián)連接，即Cj=CB+CD。通常為了使電路的分析簡化，可以用線性元器件組成電路來等效模擬高頻信號下的PN結(jié)，如圖2.6所示，圖中，rj為PN結(jié)的結(jié)電阻，Cj為PN結(jié)的結(jié)電容。圖3.6PN結(jié)等效電路 在Multisim中對二極管進(jìn)行頻率特性仿真，仿真電路與圖3.4一致，輸入信號選擇5V的正弦波，用100Hz、100kHz、100MHz和100GHz來仿真，用示波器觀察輸入信號和二極管兩端的電壓信號，仿真結(jié)果如圖3.7所示。圖中上方的波形是輸入信號波形，下方是二極管兩端電壓波形。可以看出在低頻100Hz時，二極管僅表現(xiàn)出單向?qū)щ娦?；頻率為100kHz時，二極管電壓的負(fù)半周信號發(fā)生變形，形成了不規(guī)則的過脈沖，說明二極管的電容發(fā)生了作用。當(dāng)頻率增大到100MHz時，負(fù)半周信號的幅值很小，并且與輸入信號存在一個相位差；當(dāng)它增大到100GHz時，二極管完全導(dǎo)通，此時兩端沒有電壓降。 也可以通過Multisim內(nèi)的波特分析儀更直觀的觀察二極管的頻率特性，仿真結(jié)果如圖3.8所示。當(dāng)輸入信號頻率超過100MHz時，二極管的電壓降開始減少，當(dāng)頻率達(dá)到約100GHz時，二極管的電壓降變?yōu)?，完全導(dǎo)通。需要注意的是，頻率低于100MHz時，雖然二極管的電壓沒有降低，但電壓信號已經(jīng)發(fā)生變形，同樣需要考慮二極管的電容效應(yīng)。(a)100Hz(b)100kHz(c)100MHz(d)100GHz圖3.7二極管頻率特性仿真圖3.8二極管頻率響應(yīng)曲線

4二極管限幅電路 限幅電路是指可以將信號電壓的幅值壓平到一個限定范圍內(nèi)的電路，常用于切斷波形頂部或底部的干擾；整形改變波形，例如，切斷輸出信號的正半周，只輸出信號的負(fù)半周；保護電路中的某個元件，如可能的強輸出信號、干擾或關(guān)斷引起的峰值電壓，可以在這個元件前連接限幅器電路。二極管的工作狀態(tài)一般是正向?qū)ê头聪蚪刂?，因此可以利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詠順?gòu)建限幅電路，這種由二極管實現(xiàn)的具有限幅特性的電路叫做二極管限幅電路[5]。4.1雙向限幅電路仿真 根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，可以將二極管限幅電路分成正限幅電路、負(fù)限幅電路和雙向限幅電路[6]。正限幅電路中，當(dāng)輸入電壓大于上限電壓時，輸出電壓將保持一個固定值；輸入電壓低于上限電壓時，輸出電壓與輸入電壓保持一致。在前面的仿真分析中，圖3.4所示的電路就是二極管正限幅電路，其仿真結(jié)果已經(jīng)在圖3.7(a)中展示，由于硅二極管的正向?qū)妷簽?.7V，故輸出信號的正半周波頂被削去，波頂?shù)妮敵鲭妷悍€(wěn)定在0.7V左右。二極管的負(fù)限幅電路與正限幅電路類似，區(qū)別在于負(fù)限幅電路中的二極管接入方向與其相反。對于正弦輸入信號，負(fù)限幅電路切去了信號的負(fù)半周底部，從而使波底的輸出電壓恒定在-0.7V。雙向限幅電路就是能夠?qū)φ捶较蜻^大的輸入信號都實現(xiàn)限幅效應(yīng)的電路。二極管雙向限幅電路結(jié)合了上面兩個電路，將兩個二極管反向并聯(lián)接入電路中，電路如圖4.1所示，由兩個硅二極管D1、D2和限流電阻R1組成，輸入信號為5V的正弦波，輸出信號為二極管兩端的電壓信號，硅二極管的電壓降約為0.7V。當(dāng)輸入交流信號的電壓在0.7至5V之間時，D2導(dǎo)通，D1截止，信號的波頂被削去，輸出電壓維持在0.7V左右；當(dāng)輸入交流信號電壓在-0.7V到-5V之間時，D1導(dǎo)通，D2截止，信號的波底被削去，輸出電壓保持在-0.7V左右；當(dāng)輸入交流信號電壓在-0.7V到0.7V之間變化時，D1、D2均截止，輸出信號與輸入信號保持一致。在Multisim中對該雙向限幅電路進(jìn)行仿真，得到輸入信號與輸出信號的波形圖如圖4.2所示。輸出信號被削去波頂和波底，輸出電壓限制在-0.7V到0.7V之間。圖4.1二極管雙向限幅電路圖圖4.2雙向限幅電路仿真波形圖 考慮到二極管的電容效應(yīng)，對該電路進(jìn)行頻率特性的仿真，用波特分析儀分別連接輸入信號端與輸出信號端，頻率范圍選擇1kHz到100GHz，仿真得到頻率響應(yīng)曲線和相位差曲線如圖4.3所示。由頻率響應(yīng)曲線可以看出當(dāng)信號頻率大于10MHz時，輸出信號的電壓降開始降低，這是由于二極管的電容效應(yīng)，在高頻下開始導(dǎo)通；當(dāng)信號頻率達(dá)到100GHz時，輸出信號電壓變?yōu)?，此時二極管完全導(dǎo)通。與單個二極管頻率特性相比，兩個并聯(lián)二極管開始導(dǎo)通的信號頻率低一個數(shù)量級，因為此時電路的等效電容是兩個二極管結(jié)電容的疊加。對于限幅電路來說，輸入信號的頻率不能參考輸出電壓開始變化時的頻率，二極管在低于這個頻率的信號下也會發(fā)生電容效應(yīng)，使波形出現(xiàn)失真；同時二極管在較高頻率工作時很可能發(fā)生損壞。因此在設(shè)計限幅電路以及二極管選型時也要關(guān)注二極管的最大工作頻率，防止電容效應(yīng)的產(chǎn)生。 圖4.3(b)是輸入信號與輸出信號的相位差曲線，當(dāng)信號頻率大于10MHz時，輸入輸出信號開始出現(xiàn)相位差，由于二極管電容的存在，輸出信號滯后于輸入信號；當(dāng)信號頻率達(dá)到2GHz時，二者的相位差達(dá)到最大，約為90度。由于二極管的結(jié)電容會隨著偏置電壓而改變，是可變電容，目前暫時沒有合適的模型對這個結(jié)果進(jìn)行分析，留待之后補充討論。(a)限幅電路頻率響應(yīng)曲線(b)相位差曲線圖4.3限幅電路頻率特性仿真4.2雙向偏壓限幅電路 上面的限幅電路的上限電壓完全由二極管的導(dǎo)通電壓決定，對于實際應(yīng)用有很大的局限性，為了能夠靈活地對信號進(jìn)行限幅，可以在上述電路的基礎(chǔ)上對兩個二極管分別串聯(lián)一個偏置電平，如圖4.4所示，增加了兩個偏置電平V2、V3，電壓分別為2V和3V，這就是雙向偏壓限幅電路。 同樣輸入信號為5V的正弦波，當(dāng)輸入交流信號電壓大于3.7V時，D2導(dǎo)通，D1截止，輸出電壓保持在3.7V左右；輸入交流信號電壓小于-2.7V時，D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓保持在-2.7V左右；當(dāng)輸入交流信號電壓在-2.7V到3.7V之間變化時，D1、D2均截止，輸出信號與輸入信號保持一致。該電路可以通過改變偏置電平的電壓來獲得所需的限幅電壓，因此在需要限幅功能電路中應(yīng)用更廣泛。 Multisim仿真得到的輸入輸出信號如圖4.5所示，與分析結(jié)果一致。該電路的頻率特性與雙向限幅電路一致，不作過多描述。圖4.4雙向偏壓限幅電路圖4.5雙向偏壓限幅電路仿真波形圖

5結(jié)論 本文從半導(dǎo)體材料出發(fā)，討論了PN結(jié)的組成材料，結(jié)合Multisim仿真對二極管的特性進(jìn)行分析，比如正反向特性，反向擊穿和電容效應(yīng)。二極管在低頻小信號下具有單向?qū)щ姷奶匦?，在高頻信號下，二極管的電容效應(yīng)不可以忽略?；诙O管的單向?qū)щ娦源罱硕O管雙向限幅電路，結(jié)合理論分析與軟件仿真，在低頻小信號下，該電路能夠良好地實現(xiàn)限幅功能。同時在該電路的基礎(chǔ)上增加兩個偏置電平搭建雙向偏壓限幅電路，該電路能夠更廣泛地應(yīng)用于實際電路中。 對雙向限幅電路進(jìn)行頻率特性仿真，在高頻信號下，二極管的電容效應(yīng)會影響電路，破壞單向?qū)щ娞匦?，頻率足夠高時，二極管完全導(dǎo)通。二極管的結(jié)電容使輸出信號滯后于輸入信號，且隨著高頻信號頻率的改變，二者的相位差也發(fā)生變化，由于結(jié)電容是可變電容，與外加偏壓有關(guān)，暫時沒有可靠的辦法對其相位差進(jìn)行分析，留待之后討論。

參考文獻(xiàn)[1]戴盛春.二極管的特性與應(yīng)用[J]