徐志成版电气专业英语U2全文翻译

Unit 2 二极管

电子元件当中，二极管是一种具有两个电极的装置。

二极管两级之间的信号可以流动，但大多数都用到它们单向电流的特性。

变容二极管用作电子式的可调电容器。

大多数二极管具有的电流方向性的特点统称为整流特性。

二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断（称为逆向偏压）。

因此，二极管可以认为是电子版的逆止阀。

真正的二极管不显示这样一个完美的开关方向，但却有一个较为复杂的取决于半导体技术的非线性电学特性。

二极管也有一些其他不设计开关方式的功能。

早期的二极管包含“猫须晶体”以及真空管。

现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。

半导体二极管

大多数现代二极管都基于p-n结。

在p-n结二极管中，电流从p端（阳极）流向n端（阴极），但是不可以反相流。另一种半导体二极管，肖特基二极管，利用金属与半导体接触形成的金属——半导体结原理制作的而不是p-n结原理制作。

电流——电压特性

半导体二极管的电流——电压特性，或者说I-V曲线，与载流子流过的耗尽层或耗散区有关，耗尽层或耗散区位于不同类型半导体间形成的p-n结上。

当p-n结是第一次创建，导带（移动）电子从n型掺杂区扩散到有许多空穴的（没有电子的区域）P区电子“重组”。

当一个移动的电子在空穴重组，空穴和电子都消失了，留下一个N端的正电荷和P端的负电荷。

p-n结附近的区域成为耗尽区，从而表现为绝缘体。

然而，耗尽层的宽并不是无限的。

因为每个电子空穴重组，在N区留下一个正电离子，在P区留下一个负电离子。

因为重组过程和更多的离子被创建，电场的增加使通过耗尽区的作用减缓，终于停止重组。

在这一点上，有一个“内置”的潜力穿越耗尽区。

如果外部电压与放置在二极管具有相同，耗尽区作用与绝缘体作用相同，阻止任何电流流过。

这是偏置现象。

但是，如果外部电压的极性与内部潜在的相反，便会再次重组，使电流通过p-n结。

就硅二极管而言，内置电压约为0.6伏。

因此，如果电流通过二极管，约0.6伏将穿越二极管，在相对于N区p型掺杂区为正，二极管就被“打开”了，因为它有正向偏置。

二极管的I-V特性与下图操作的四个区域类似（图1.2. 1）。

在反向偏压非常大的情况下，超越反峰电压或PIV，这个过程被称为反向击穿，它导致电流的增加，并永久损害设备。

雪崩二极管是故意设计用于击穿区域。

齐纳二极管中（稳压二极管），PIV技术的概念是不适用的。

齐纳二极管包含一个重掺杂p-n结隧道，允许电子从p 型材料的价带到n型材料的导带，这样的反相电压“夹紧”

到一个已知值（叫做齐纳电压（稳压电源）），击穿不会发生。

但是，两种二极管都有最大电流和钳位反向电压区域功率限制。

第二个区域，反向偏压大于PIV，只有很小的反向饱和电流。

在反向偏置的p-n结整流二极管区域，通过电流是很慢（μA范围内）。

第三个区域是向前的，但小的偏置，其中只有一个小的正向电流。

由于上述任意定义的“削减电压”或“对电压”或“二极管正向压降”潜在差异的增加，二极管的电流变得明显（电流的电平被认为是“明显的”，削减电压的值依赖于应用程序），二极管表现成一个阻值非常低的电阻器。

电流-电压曲线呈指数型。

正常硅二极管的额定电流，任意的“削减”电压被定义为0.6至0.7伏。

其他类型二极管的值不相同，肖特基二极管可以低至0. 2V，红色发光二极管（LED）可以1.4V以上，蓝色LED可以达到4.0V。

电流较高，二极管的正向压降增加。

压降为1V至1.5V是典型的全功率二极管的额定电流。

半导体二极管的类型

结型二极管有许多种类型的，不是强调在一个专用电路中二极管由几何尺度，掺杂层，选择合适的电极等不同的物理方面，就如耿氏效应和激光二极管和金属氧化物半导体场效应晶体管的不同的设备。

普通（p-n结）二级管，如上所述，通常是由硅或更为少见的锗掺杂制作。

在现代硅功率整流二极管的发展以前，铜和硒被用作原料，它的低效率给了它一个更高的正向压降（通常1.4-1.7伏每“细胞”，通过多个细胞堆积，增加高电压整流器的峰值反向电压），需要大的散热片（通常二极管的金属基体的延伸），远大于同一电流额定值的硅二极管。

所有二级管，包括每个引脚和其他内部二极管，绝大多数是CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路P-N二极管。

二级管的应用

无线电解调

二极管的第一个用途是调幅无线电广播（调幅）的调幅。

这一发现的历史在无线电文章中被深度探讨。

总的来说，调幅信号由电压的正峰值和负峰值组成，振幅或包络线与原始音频信号成比例。

二级管（原来是一个晶体二极管）整流无线电频率信号，只留下无线电原始音频信号。

音频可使用一个简单的滤波器提取，并送入音频放大器或换频器来产生声波。

功率转换

整流器是由二极管构成的，它们被用来把交流转换为直流电。

汽车交流发电机是常见的例子，其中的二极管，把交流电整流成直流电，提供了比早期的电机换向器性更好的性能。

类似的，二极管也用于科克罗夫-瓦耳电压倍增器，将交流电转换成更高的直流电压。

过电压保护器

二极管常被用来保护敏感的电子设备远离高电压破坏。

通常情况下，它们是反向偏置（非导电）。

当电压上升超过正常范围的时候，二极管就变成正向偏置（导电性）。

例如，二极管用在（步电机和H桥电路）电机控制器和继电器电路中遇到电压尖峰是迅速断开线圈，否则便会损坏。（任何用在这种应用中的二极管被称作回扫二极管）。

许多集成电路还包括二极管的连接引脚，以防止外部电压损坏他们的敏感晶体管。

专门的二极管是用来保护通过电压的更高的功率（见上述二极管所述类型）。

补充阅读

电压调节器

电压调节器，也称为稳压器，是一种半导体器件，尽管它的输入电压或负载变化在波动，它在一定程度上输出一个恒定的和稳定的直流电压。

电压规则集成电路已经有这么多的形式和特点，他们已经几乎从分立元件消除了建立电压调节电路的必要。

促使电压调节器集成电路业务增长的因素包括：

替代齐纳二极管和平衡放大器内置到集成电路里；

改进集成电路的散热能力；

促进负载保护技术的研究；

当然，在电子行业几乎所有领域的一个高需求的电压调节器，尤其是电源应用。

选择电压调节器时需着重考虑因素包括：

所需的输出电压电平及其调节能力；

输出电流容量；

适用的输入电压；

转换率（输入/输出）；

瞬态响应时间；

使用方便，以及是否适用；

降压或升压输出电压的能力。

在开关模式调节器中，开关频率也是一个考虑因素。

有几种类型的电压调节器，可通过它们是如何操作的，或是什么类型的调节来分类。

最常见的调节器集成电路是标准的线性调节器。

典型的线性稳压器是通过在输出端固定电压，通过电压控制电源的方式运行。

电压的下降会使电流源刺激电流，使负载保持电流，以保持输出电压。

此电流源的容量是最大负载电流的限制因素是线性稳压器可以提供并同时保持所需的输出电平。

输出调整到输入或负载变化的时间所需的时间是调节器的瞬态响应时间。

线性稳压器所使用的反馈回路需要某种形式的稳定补偿。

大多数线性稳压器集成电路，所需的反馈回路补偿是已经内置在电路中，从而用于此目的时无需外部元件。

然而，一些常规的集成电路，如低压差的，确实需要一个电容器之间的输出和接地连接以确保稳定。

线性稳压器的主要缺点是它们的效率很低，因为它们在不断地传导。

开关电压调节器是另一种类型的调节器集成电路。

在这个意义上，它不同于线性稳压器，它采用脉冲调制（PWM），以调节其输出。

它的输出是由电流控制，在一个固定的频率范围从几赫兹到几千赫兹，但具有不同的工作周期切换。

如果输出的稳压器需要提供更多的负载电流以保持输出电压，脉冲的占空比增加，如果输出需要减少，脉冲的占空比降低。

开关稳压器比线性稳压器效率更高，因为它们只有在有需要时提供电源。

复杂度，输出纹波，限流能力都是开关稳压器的缺点。

还有一组被称为参数稳压器的调节器。

它要求的输出电压保持在正确情况下的最小电压。

输出电压越低，在调节器内部的功率越小，调节效率越高。

参数稳压器的电压通常大约0.6V。

即便电流最大的情况下，它的电压也只增加到0.7-0.8V。

稳压集成电路的应用实例包括以下几方面：调节电力供应；数据转换电路（模数转换器/数字模拟转换器）；传感器和触发系统；直流电压转换器；测量和仪表系统；电池充电。