【二极管双向限幅电路的仿真与探析（论文）9900字】

[2]。 3.3.1雪崩击穿 给予PN结相对大的反向偏压时，势垒区的电场场强会变得非常大，里面的载流子处于如此强的电场下运动，可以获得相对较大的动能。这些高能量的带电离子与势垒区中的原子发生碰撞时发生碰撞电离，将其中一个价键上的电子释放出来，形成导电电子，与此同时还会有一个空穴产生。而势垒区的电场又使这些新出现的带电粒子加速获得高动能，还会接着在其中碰撞，引出更多的带电粒子。这样的碰撞不断发生，在很短的时间内空间电荷区内的电子就会急剧增长，就像雪崩一样，此时电流就会变得非常大，使PN结出现击穿的现象，对于这样的击穿通常称为雪崩击穿[4]。

雪崩击穿的出现不仅仅与空间电荷区中的场强相关，势垒区的厚度也是需要考虑的因素，由于带电粒子需要一定的时间来加速从而获得足够的动能，如果势垒区不够宽，带电粒子在电场中加速的时间不够长，来不及达到发生雪崩效应所需要的最小动能，雪崩击穿就无法产生。因此雪崩击穿通常发生在掺杂浓度不高同时反向偏压很大的PN结中。 3.3.2隧道击穿 隧道击穿是在强电场作用下，由于隧道效应，数量庞大的会电子脱离共价键的束缚，也就是说空间电荷区会出现很多带电的电子和空穴，此时电流就会变得非常大，使PN结出现击穿的现象。这种现象最初由齐纳提出，用来解释介电击穿现象，因此也被称为齐纳击穿[3]。

杂质掺杂较多的PN结更易于出现隧道击穿，因为这类PN结的势垒区宽度较小，不容易出现雪崩击穿，但势垒区内的电荷密度较高，所以反向偏置电压不高时会出现强电场，发生隧道击穿。 3.3.3热电击穿 当向PN结施加反向的电压下，PN结会产生热能，因为器件有电流流过。反向偏压逐渐增加时，由于反向电流一定，此时的功率会越来越大，这会产生大量的热量，使PN结的温度上升。同时反向饱和电流的大小与工作温度有关，并且随着温度呈指数上升。

因此，随着PN结温度的升高，反向饱和电流也迅速增加，热能也迅速增加，从而导致PN结温度和反向饱和电流的升高。在这个周期中，反向饱和电流将继续增加，最后PN结就会出现击穿的现象。这样的击穿是由温度的变化引起的，所以称其为热电击穿。

对于雪崩击穿和隧道击穿来说，只要PN结的功率没有大于最大允许的功率，PN结没有烧毁，那么这种击穿过程就是可逆的，减小反向偏压后，PN结可以恢复成正常的状态。而PN结通常会在热电击穿下烧毁，因此PN结需要比较好的散热环境使热量及时转移到外界，避免PN结的温度过快升高。3.4伏安特性曲线 在前面对PN结的分析中，我们可以画出二极管的伏安特性曲线如图3.3所示，通过伏安特性曲线来分析二极管的工作状态。

对二极管施加正向电压较小时，电流可以说是几乎为0，因为此时的外加正向电压还不能克服势垒的电势能，也就是扩散运动的强度还不够大，因此暂时无法产生电流。增大正向偏压到二极管开始有可观测的电流产生，此时的电压通常叫做死区电压Vth，对于硅二极管，出现电流所需的最小电压约为0.5V，而锗二极管约为0.1V。继续增加正向偏置电压，当电流随电压呈指数关系变化时，此时的二极管工作在正向导通区，电流开始发生指数变化时对应的电压称为导通电压Von，硅二极管的导通电压约为0.7V，锗二极管的导通电压约为0.3V。

当施加反向偏压时，一开始反向电流逐渐增加，因为此时的少数载流子还没有完全参与漂移运动。当反向偏压大于一定值时，反向电流保持稳定，电压的变化不会影响其大小，此时的电流为反向饱和电流且电流很小，二极管此时工作在截止区。

当反向偏置电压大于某一特定电压VBR时，反向电流剧烈增加，此时二极管发生击穿，工作在反向击穿区，VBR称为该二极管的反向击穿电压。图3.3二极管I-V特性曲线我们可以在Multisim中对二极管的伏安特性进行仿真，仿真电路图如图3.4所示，其中D1为硅二极管，R1为限流电阻。对二极管施加直流电压，测量二极管两端的电压和流经二极管的电流。通过仿真我们得到的不同工作状态下二极管的伏安特性曲线如图3.5所示。从图3.5(a)可以看出二极管在两端电压为0.5V到0.7V之间时，电流缓慢上升，当电压大于0.7V后，电流随电压呈指数上升。施加反向电压时，二极管在电压为0.3V时反向电流达到饱和，该二极管的反向饱和电流为32nA，说明该二极管有良好的单向导电性。继续增大反向电压，该二极管在反向电压约为53V时发生击穿，击穿后电流急剧增加。图3.4二极管仿真电路图(a)二极管正向I-V特性曲线(b)二极管反向I-V特性曲线(c)二极管反向击穿I-V特性曲线图3.5二极管I-V特性仿真曲线3.5电容效应 PN结在低频电压下有良好的整流能力，但在高频电压下，PN结的整流特性变差，失去单向导电性，因为PN结具有电容效应。PN结电容是由势垒电容CB和扩散电容CD两种电容组成的。

如果对PN结施加的电压是会变化的，那么空间电荷区的电场也会随电压改变，此时势垒区厚度就是变化的，也即是说，势垒区的电荷数量会发生增减。由于空间电荷区里的电荷是固定的正负离子，空间电荷数量变化的过程中，发生电子和空穴的聚集和释放，这种过程和电容器的充放电作用相似，其等效电容称为势垒电容CB。

CB=ε∗Sl其中ε为介电常数；S为PN结的结面积；l为耗尽层的宽度。 当施加在PN结上的正向电压变化时，载流子在扩散的过程中，一些扩散流出，一些增长了载流子的浓度梯度，这时空间电荷区也有电荷的积累和释放的过程，这种由于外加偏压变化引起扩散区电荷数量变化的电容效应，称为扩散电容CD。

PN结两端电压的改变都会引起势垒电容和扩散电容的变化，在电路中可以当作可变电容的器件。在PN结反向偏置时，势垒电容不能忽略，而扩散电容一般可以忽略；正向偏置时，扩散电容起主要作用。PN结表现出的结电容Cj相当于势垒电容和扩散电容的并联连接，即Cj=CB+CD。通常为了使电路的分析简化，可以用线性元器件组成电路来等效模拟高频信号下的PN结，如图2.6所示，图中，rj为PN结的结电阻，Cj为PN结的结电容。图3.6PN结等效电路 在Multisim中对二极管进行频率特性仿真，仿真电路与图3.4一致，输入信号选择5V的正弦波，用100Hz、100kHz、100MHz和100GHz来仿真，用示波器观察输入信号和二极管两端的电压信号，仿真结果如图3.7所示。图中上方的波形是输入信号波形，下方是二极管两端电压波形。可以看出在低频100Hz时，二极管仅表现出单向导电性；频率为100kHz时，二极管电压的负半周信号发生变形，形成了不规则的过脉冲，说明二极管的电容发生了作用。当频率增大到100MHz时，负半周信号的幅值很小，并且与输入信号存在一个相位差；当它增大到100GHz时，二极管完全导通，此时两端没有电压降。 也可以通过Multisim内的波特分析仪更直观的观察二极管的频率特性，仿真结果如图3.8所示。当输入信号频率超过100MHz时，二极管的电压降开始减少，当频率达到约100GHz时，二极管的电压降变为0，完全导通。需要注意的是，频率低于100MHz时，虽然二极管的电压没有降低，但电压信号已经发生变形，同样需要考虑二极管的电容效应。(a)100Hz(b)100kHz(c)100MHz(d)100GHz图3.7二极管频率特性仿真图3.8二极管频率响应曲线

4二极管限幅电路 限幅电路是指可以将信号电压的幅值压平到一个限定范围内的电路，常用于切断波形顶部或底部的干扰；整形改变波形，例如，切断输出信号的正半周，只输出信号的负半周；保护电路中的某个元件，如可能的强输出信号、干扰或关断引起的峰值电压，可以在这个元件前连接限幅器电路。二极管的工作状态一般是正向导通和反向截止，因此可以利用二极管的单向导通特性来构建限幅电路，这种由二极管实现的具有限幅特性的电路叫做二极管限幅电路[5]。4.1双向限幅电路仿真 根据需要实现的功能，可以将二极管限幅电路分成正限幅电路、负限幅电路和双向限幅电路[6]。正限幅电路中，当输入电压大于上限电压时，输出电压将保持一个固定值；输入电压低于上限电压时，输出电压与输入电压保持一致。在前面的仿真分析中，图3.4所示的电路就是二极管正限幅电路，其仿真结果已经在图3.7(a)中展示，由于硅二极管的正向导通电压为0.7V，故输出信号的正半周波顶被削去，波顶的输出电压稳定在0.7V左右。二极管的负限幅电路与正限幅电路类似，区别在于负限幅电路中的二极管接入方向与其相反。对于正弦输入信号，负限幅电路切去了信号的负半周底部，从而使波底的输出电压恒定在-0.7V。双向限幅电路就是能够对正反方向过大的输入信号都实现限幅效应的电路。二极管双向限幅电路结合了上面两个电路，将两个二极管反向并联接入电路中，电路如图4.1所示，由两个硅二极管D1、D2和限流电阻R1组成，输入信号为5V的正弦波，输出信号为二极管两端的电压信号，硅二极管的电压降约为0.7V。当输入交流信号的电压在0.7至5V之间时，D2导通，D1截止，信号的波顶被削去，输出电压维持在0.7V左右；当输入交流信号电压在-0.7V到-5V之间时，D1导通，D2截止，信号的波底被削去，输出电压保持在-0.7V左右；当输入交流信号电压在-0.7V到0.7V之间变化时，D1、D2均截止，输出信号与输入信号保持一致。在Multisim中对该双向限幅电路进行仿真，得到输入信号与输出信号的波形图如图4.2所示。输出信号被削去波顶和波底，输出电压限制在-0.7V到0.7V之间。图4.1二极管双向限幅电路图图4.2双向限幅电路仿真波形图 考虑到二极管的电容效应，对该电路进行频率特性的仿真，用波特分析仪分别连接输入信号端与输出信号端，频率范围选择1kHz到100GHz，仿真得到频率响应曲线和相位差曲线如图4.3所示。由频率响应曲线可以看出当信号频率大于10MHz时，输出信号的电压降开始降低，这是由于二极管的电容效应，在高频下开始导通；当信号频率达到100GHz时，输出信号电压变为0，此时二极管完全导通。与单个二极管频率特性相比，两个并联二极管开始导通的信号频率低一个数量级，因为此时电路的等效电容是两个二极管结电容的叠加。对于限幅电路来说，输入信号的频率不能参考输出电压开始变化时的频率，二极管在低于这个频率的信号下也会发生电容效应，使波形出现失真；同时二极管在较高频率工作时很可能发生损坏。因此在设计限幅电路以及二极管选型时也要关注二极管的最大工作频率，防止电容效应的产生。 图4.3(b)是输入信号与输出信号的相位差曲线，当信号频率大于10MHz时，输入输出信号开始出现相位差，由于二极管电容的存在，输出信号滞后于输入信号；当信号频率达到2GHz时，二者的相位差达到最大，约为90度。由于二极管的结电容会随着偏置电压而改变，是可变电容，目前暂时没有合适的模型对这个结果进行分析，留待之后补充讨论。(a)限幅电路频率响应曲线(b)相位差曲线图4.3限幅电路频率特性仿真4.2双向偏压限幅电路 上面的限幅电路的上限电压完全由二极管的导通电压决定，对于实际应用有很大的局限性，为了能够灵活地对信号进行限幅，可以在上述电路的基础上对两个二极管分别串联一个偏置电平，如图4.4所示，增加了两个偏置电平V2、V3，电压分别为2V和3V，这就是双向偏压限幅电路。 同样输入信号为5V的正弦波，当输入交流信号电压大于3.7V时，D2导通，D1截止，输出电压保持在3.7V左右；输入交流信号电压小于-2.7V时，D1导通，D2截止，输出电压保持在-2.7V左右；当输入交流信号电压在-2.7V到3.7V之间变化时，D1、D2均截止，输出信号与输入信号保持一致。该电路可以通过改变偏置电平的电压来获得所需的限幅电压，因此在需要限幅功能电路中应用更广泛。 Multisim仿真得到的输入输出信号如图4.5所示，与分析结果一致。该电路的频率特性与双向限幅电路一致，不作过多描述。图4.4双向偏压限幅电路图4.5双向偏压限幅电路仿真波形图

5结论 本文从半导体材料出发，讨论了PN结的组成材料，结合Multisim仿真对二极管的特性进行分析，比如正反向特性，反向击穿和电容效应。二极管在低频小信号下具有单向导电的特性，在高频信号下，二极管的电容效应不可以忽略。基于二极管的单向导电性搭建了二极管双向限幅电路，结合理论分析与软件仿真，在低频小信号下，该电路能够良好地实现限幅功能。同时在该电路的基础上增加两个偏置电平搭建双向偏压限幅电路，该电路能够更广泛地应用于实际电路中。 对双向限幅电路进行频率特性仿真，在高频信号下，二极管的电容效应会影响电路，破坏单向导电特性，频率足够高时，二极管完全导通。二极管的结电容使输出信号滞后于输入信号，且随着高频信号频率的改变，二者的相位差也发生变化，由于结电容是可变电容，与外加偏压有关，暂时没有可靠的办法对其相位差进行分析，留待之后讨论。

参考文献[1]戴盛春.二极管的特性与应用[J]