肖特基二极管 S 肖特基二极管 由金属构成 -to-N 结而不是 P-N 半导体结。也称为热载体 肖特基二极管具有开关时间快（反向恢复时间短）、正向压降低（金属硅结通常为 0.25 至 0.4 伏）和结电容低的特点。 肖特基二极管的原理图符号如下图所示。 肖特基二极管原理图符号。 肖特基二极管的优缺点 肖特基二极管的正向压降 (VF)、反向恢复时间 (trr) 和结电容 (CJ) 比一般的“整流”二极管更接近理想。这使它们非常适合高频应用。然而不幸的是，肖特基二极管的正向电流 (IF) 和反向电压（VRRM 和 VDC）额定值通常低于整流二极管，因此不适用于涉及大量功率的应用。虽

什么是齐纳二极管？ 齐纳二极管是一种特殊类型的整流二极管，可以处理由于反向击穿电压引起的击穿而不会完全失效。这里我们将讨论使用二极管调节压降的概念，以及齐纳二极管如何在反向偏置模式下工作以调节电路中的电压。 二极管如何调节压降 如果我们将二极管和电阻与直流电压源串联，使二极管正向偏置，则二极管两端的压降将在很宽的电源电压范围内保持相当恒定，如下图（a）所示。 通过正向偏置 PN 结的电流与 e 成正比 提高到正向压降的功率。因为这是一个指数函数，所以对于电压降的适度增加，电流上升得非常快。 考虑这一点的另一种方式是说，对于二极管电流的大变化，正向偏置二极管两端的电压降几乎没有变化。在

二极管可以执行开关和数字逻辑操作。正向和反向偏置分别在低阻抗和高阻抗状态之间切换二极管。因此，它作为一个开关。 逻辑 二极管可以执行数字逻辑功能：AND 和 OR。二极管逻辑用于早期的数字计算机。它今天只找到有限的应用。有时用几个二极管构成一个逻辑门很方便。 与门 二极管与门 与门如上图所示。逻辑门具有输入和作为输入的函数的输出 (Y)。门的输入为高（逻辑 1），比如 10 V，或低，0 V（逻辑 0）。 在图中，逻辑电平由开关产生。如果开关向上，则输入实际上是高电平 (1)。如果开关关闭，它将二极管阴极连接到地，该地为低电平 (0)。输出取决于 A 和 B 的输入组合。输入

二极管的一个普遍用途是减轻电感性“反冲”：当通过电感器的直流电流中断时产生的高压脉冲。 无保护的感应反冲 以下图中这个没有电感反冲保护的简单电路为例。 感应反冲： (a) 开关打开。 (b) 开关闭合，电流从电池流过与电池极性匹配的线圈。磁场储存能量。 (c) 开关打开，由于磁场坍塌，电流仍然在线圈中流动。注意线圈上的极性变化。 (d) 线圈电压随时间变化。 当按钮开关被启动时，电流通过电感器，在它周围产生磁场。当开关断开时，其触点打开，中断通过电感器的电流，并导致磁场迅速崩溃。因为线圈中感应的电压与变化率成正比 随着磁通量的推移（法拉第定律：e =NdΦ/dt），线圈周围磁性的这种

电压倍增器 是一种专门的整流电路，产生的输出理论上是交流峰值输入的整数倍，例如交流峰值输入的 2、3 或 4 倍。因此，可以使用倍频器从 100 Vpeak 交流电源获得 200 VDC，从四倍器获得 400 VDC。实际电路中的任何负载都会降低这些电压。 我们将首先讨论几种类型的电压倍增器——倍压器（半波和全波）、电压三倍器和电压四倍器——然后做一些关于电压倍增器安全性的一般说明，最后介绍 Cockcroft-Walton 倍增器。 电压倍增器 倍压器应用是能够使用 240 VAC 或 120 VAC 电源的直流电源。该电源使用开关选择的全波桥从 240 VAC 电源产生大约 300 V

下图中的电路称为夹钳 或 DC 恢复器 .对应的网表也在下图中。与在其平均直流电平（通常为 0V）附近摆动的电容耦合信号相比，这些电路将波形的峰值钳位到特定的直流电平。如果从钳位器中移除二极管，则默认为一个简单的耦合电容器——没有钳位。 什么是钳位电压？ 什么是钳位电压？而且，哪个峰被钳住了？在下图 (a) 中，钳位电压为 0 V，忽略二极管压降，（更准确地说是 0.7 V，Si 二极管压降）。 钳位电路工作分析 在下图中，V(1) 的正峰值被钳位到 0 V (0.7 V) 钳位电平。为什么是这样？在第一个正半周期，二极管将电容器左端充电至 +5 V (4.3 V)。这是 V(1,4)

消除波形峰值的电路称为削波器 .下图显示了一个负剪刀。 拍板电路运行分析 此原理图是使用 Xcircuit 原理图捕获程序生成的。 Xcircuit 生成SPICE 网表如下图，除了用文本编辑器插入的第二行和最后一行的旁边。 *SPICE 03437.eps * A K ModelName D1 0 2 二极管 R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran .05m 3m .end 限幅器：在 -0.7 V 处限幅负峰值。 正半周期 在 5 V 峰值输入的正半周期间，二极管反向偏置。二极管不导通。就好像二极管不存在一样

峰值检测器 是二极管和电容器的串联连接，输出的直流电压等于所施加的交流信号的峰值。 峰值检测器运行分析 电路如下图所示，并附有相应的SPICE网表。应用于峰值检测器的交流电压源将电容器充电到输入的峰值。 二极管进行正“半周期”，将电容器充电至波形峰值。当输入波形低于存储在电容器上的直流“峰值”时，二极管反向偏置，阻止电流从电容器流回电源。因此，即使波形下降到零，电容器也能保持峰值。 峰值检测器的另一种观点是它与半波整流器相同，在输出端增加了一个滤波电容。 *SPICE 03441.eps C1 2 0 0.1u R1 1 3 1.0k V1 1 0 SIN( 0 5 1k) D1

什么是整改？ 现在我们来看看二极管最流行的应用：整流 .简单定义，整流是将交流电（AC）转换为直流电（DC）。这涉及一种仅允许电荷单向流动的装置。正如我们所见，这正是半导体二极管的作用。最简单的整流电路是半波 整流器。它只允许交流波形的一半通过到负载。 （下图） 半波整流电路。 半波整流 对于大多数电源应用，半波整流不足以完成任务。整流器输出波形的谐波含量非常大，因此难以滤除。此外，交流电源每个完整周期仅向负载供电一半，这意味着其容量的一半未被使用。然而，半波整流是降低电阻负载功率的一种非常简单的方法。一些二位灯调光器开关将全交流电源施加到灯丝​​以获得“全”亮度，然后对其进行半波整

除了正向压降 (Vf) 和峰值反向电压 (PIV)，还有许多其他二极管额定值对电路设计和元件选择很重要。半导体制造商在称为数据表的出版物中提供了有关其产品（包括二极管）的详细规格 . 数据表 各种半导体元件的数据表可以在参考书和互联网上找到。我更喜欢互联网作为组件规格的来源，因为从制造商网站获得的所有数据都是最新的。 数据表中的典型二极管参数 典型的二极管数据表将包含以下参数的数字： 最大重复反向电压 =VRRM，二极管在反向偏置模式下，在重复脉冲中可以承受的最大电压。理想情况下，这个数字是无限的。 最大直流反向电压 =VR 或 VDC，二极管在反向偏置模式下可以持续承受的最大电压

二极管极性的功能 能够确定二极管的极性（阴极与阳极）和基本功能对于电子爱好者或技术人员来说是一项非常重要的技能。由于我们知道二极管本质上只不过是一个单向阀，因此我们应该能够使用直流（电池供电）欧姆表来验证其单向性质，如下图所示。以单向方式连接二极管，仪表应在 (a) 处显示非常低的电阻。在二极管的另一端连接，它应该在 (b) 处显示出非常高的电阻（某些数字仪表型号上的“OL”）。 二极管极性的判断： (a) 电阻低表示正向偏压，黑色引线为阴极，红色引线为阳极（大多数仪表） (b) 反向引线电阻高表示反向偏置。 确定二极管极性？ 使用万用表 当然，要确定二极管的哪一端是阴极，哪一端是

关于二极管的一切 二极管 是一种允许电流的电气设备 在一个方向通过它比在另一个方向更容易。现代电路设计中最常见的二极管是半导体 二极管，尽管存在其他二极管技术。半导体二极管在示意图中用符号表示，如下图。术语“二极管”通常用于小信号设备，I ≤ 1 A。术语整流器 1 A。 半导体二极管原理图符号：箭头表示电流方向。 当置于简单的电池灯电路中时，二极管将允许或阻止电流通过灯，具体取决于施加电压的极性。 （下图） 二极管操作： (a) 允许电流流动；二极管正向偏置。 (b) 禁止电流流动；二极管反向偏置。 当电池的极性允许电流流过二极管时，二极管被称为正向偏置 .相反，当电

SPICE (S 模拟P 程序，I 集成C ircuit E mphesis) 电子仿真程序为半导体提供电路元件和模型。 SPICE 元件名称以 d、q、j 或 m 开头，分别对应于二极管、BJT、JFET 和 MOSFET 元件。这些元素伴随着相应的“模型”。这些模型具有描述设备的大量参数列表。不过，我们没有在此处列出它们。在本节中，我们提供了半导体的简单 spice 模型的非常简短的列表，足以开始使用。有关模型的更多详细信息和模型参数的详细列表，请参阅 Kuphaldt。[TRK] 此参考还提供了有关使用 SPICE 的说明。 型号： 二极管 二极管： 二极管语句以二极管元件名称开

大多数集成电路都是数字的，基于 MOS (CMOS) 晶体管。自 1960 年代后期以来，每隔几年就会发生几何尺寸缩小，从而增加了电路密度——在相同的空间内以更低的成本提供更多的电路。在撰写本文时（2006 年），用于前沿生产的 MOS 晶体管栅极长度为 65 纳米，预计在一年内达到 45 纳米。在 65 nm 处，漏电流变得很明显。在 45 纳米上，需要进行英勇的创新来最大程度地减少这种泄漏。预计 20 至 30 纳米将结束 MOS 晶体管的收缩。尽管有些人认为 1 到 2 纳米是极限。光刻或其他光刻技术将继续改进，提供更小的几何形状。然而，传统的 MOS 晶体管预计不适用于这些小于 20

超导器件虽然没有被广泛使用，但具有一些标准半导体器件所不具备的独特特性。在电信号放大、磁场检测和光检测方面的高灵敏度是有价值的应用。高速切换也是可能的，但目前不适用于计算机。传统的超导器件必须冷却到 0 开尔文 (-273 o C）。不过，目前正在研究高温超导体 基于设备，可在 90 K 及以下使用。这很重要，因为可以使用廉价的液氮进行冷却。 超导器件 超导性 超导性： Heike Onnes 发现了超导性 1911 年在汞 (Hg) 中获得了诺贝尔奖。大多数金属会随着温度的降低而降低电阻。但是，当接近 0 开尔文时，大多数不会降低到零电阻。汞的独特之处在于它的电阻在 4.2 K 时突然

本节仅描述硅基半导体的制造；大多数半导体是硅。硅特别适用于集成电路，因为它很容易形成氧化物涂层，可用于对晶体管等集成组件进行图案化。 硅 硅是地壳中第二常见的元素，以二氧化硅 SiO2 的形式存在，也称为硅砂。在电弧炉中用碳还原脱出二氧化硅 SiO2 + C =CO2+ Si 这种冶金级硅适用于硅钢变压器叠片，但对于半导体应用来说还不够纯。转化为氯化物 SiCl4（或 SiHCl3）允许通过分馏进行纯化。通过超纯锌或镁还原产生海绵硅，需要进一步纯化。或者，通过氢气在热的多晶硅棒加热器上热分解产生超纯硅。 Si + 3HCl =SiHCl3 + H2 SiHCl3 + H2 =Si +

晶闸管 是具有四个（或更多）交替 N-P-N-P 层的双极导电半导体器件的广泛分类。晶闸管包括：可控硅（SCR）、TRIAC、栅极关断开关（GTO）、可控硅开关（SCS）、交流二极管（DIAC）、单结晶体管（UJT）、可编程单结晶体管（PUT）。本节仅检查 SCR；虽然提到了 GTO。 肖克利在 1950 年提出了四层二极管晶闸管。直到多年后通用电气才实现。 SCR 现在可用于处理从瓦特到兆瓦的功率水平。最小的设备，像小信号晶体管一样封装，在接近 100 VAC 时开关 100 毫安。最大的封装器件直径为 172 毫米，在 10,000 VAC 下开关电流为 5600 安培。最高功率的 SC

绝缘栅场效应晶体管 (IGFET)，也称为金属氧化物场效应晶体管 （MOSFET），是场效应晶体管（FET）的衍生物。今天，大多数晶体管都是作为数字集成电路组件的 MOSFET 类型。虽然分立 BJT 比分立 MOSFET 多。集成电路内的 MOSFET 晶体管数量可能接近数亿。单个 MOSFET 器件的尺寸小于一微米，每 18 个月减小一次。更大的 MOSFET 能够在低电压下切换近 100 安培的电流；有些可以在较低的电流下处理接近 1000 V 的电压。这些设备占据一平方厘米硅的很大一部分。 MOSFET 的应用比 JFET 广泛得多。然而，目前MOSFET功率器件的应用还没有双极结型晶

场效应晶体管是 Julius Lilienfeld 在 1926 年和 1933 年 (1,900,018) 的美国专利中提出的。此外，肖克利、布拉顿和巴丁在 1947 年正在研究场效应晶体管。尽管如此，极端的困难使他们转而发明了双极晶体管。肖克利的场效应晶体管理论于 1952 年发表，但直到 1960 年 John Atalla 制造出工作装置时，材料加工技术才足够成熟。 场效应晶体管 (FET) 是单极 设备，仅使用一种电荷载流子传导电流。如果基于 N 型半导体板，则载流子是电子。相反，基于 P 型的器件仅使用空穴。 FET 操作 在电路层面，场效应晶体管的操作很简单。施加到栅极的电

双极结型晶体管 (BJT) 之所以得名，是因为它的操作涉及两个载流子的传导：同一晶体中的电子和空穴。第一个双极晶体管由 William Shockley、Walter Brattain 和 John Bardeen 在 1947 年晚些时候在贝尔实验室发明，直到 1948 年才出版。因此，许多文本在发明日期方面存在差异。 Brattain 制造了一个锗点接触晶体管 ，与点接触二极管有些相似。一个月之内，肖克利就有了一个更实用的结晶体管 ，我们将在以下段落中描述。 1956年他们因晶体管获得诺贝尔物理学奖。 下图（a）所示的双极结型晶体管是一个 NPN 三层半导体夹层，带有一个发射极 和收藏家