这一章在干嘛?
盘点 PN 结之外的两端特殊器件:肖特基二极管(快)、变容二极管(电压控电容)、太阳能电池(光生电)、光电二极管/光敏电阻(电随光变)、液晶与热敏电阻,最后是神奇的隧道二极管(负阻)。每个都一句话记住它的「绝活」。
16.1 肖特基二极管:快就是正义
金属-半导体结:没有 PN 结的扩散存储效应,反向恢复时间极短、正向压降只有 0.2~0.4 V:
原书图 16.2:肖特基(热载流子)二极管与普通 PN 结特性对比:压更低、更陡
原书图 16.3:肖特基二极管等效电路与符号
用途:
高频检波/开关电源续流(少发热)、防反接(压降低损耗)。代价:反向漏电流大、反向耐压一般不高。
16.2 变容二极管:电压控制电容
PN 结反偏时耗尽层就是个「绝缘夹层」,电容 C 随反偏电压变化——电压越高耗尽层越宽、电容越小:
原书图 16.7:变容二极管 C-V 特性:反偏电压控制结电容
原书图 16.8:变容二极管等效电路与符号
经典应用:电调谐——代替可变电容选台:
原书图 16.11:变容调谐网络:改变电位器电压即可调谐频率
16.3 太阳能电池与光电探测
太阳能电池:光子打进 PN 结产生电子-空穴对,内建电场把它们推开——光能直接变电能,无偏置发电:
原书图 16.12:太阳能电池结构与俯视图
光电二极管反着用:无光照只有暗电流,有光照反向电流随光强线性增加:
原书图 16.19:光电二极管:偏置方式与结构
**光敏电阻(photoconductive cell)**更简单:光照越强、体电阻越小,两端无需 PN 结:
原书图 16.26:光敏电阻特性:照度越大,阻值越小
16.4 液晶、热敏电阻与隧道二极管
液晶(LCD):不加电液晶分子有序排列让光通过,加电后分子打乱遮光——本身不发光,是「光的阀门」:
原书图 16.33:不加偏置的向列相液晶:分子排列允许光通过
热敏电阻:阻值随温度显著变化,NTC 型温度升高阻值下降,测温/限流两相宜:
原书图 16.40:热敏电阻特性与符号:温度是它的「指纹」
隧道二极管:重掺杂 PN 结的量子隧穿效应,特性曲线中出现一段负阻区(电压升、电流降),可以拿来做超高速振荡/开关:
原书图 16.44:隧道二极管伏安特性:中段负阻区是它的招牌
原书图 16.49:负阻振荡器:负阻抵消回路损耗,维持振荡
负阻直觉:
普通电阻消耗振荡能量,负阻反而「补贴」能量——正好补偿 LC 回路损耗,电路就永远振荡下去。
1. 肖特基二极管为什么快、压降为什么低?
它是金属-半导体结,导通只靠多数载流子,没有 PN 结少数载流子的存储/复合延迟,反向恢复几乎为零;金属-半导体势垒低于硅 PN 结约 0.7 V,故正向压降仅 0.2~0.4 V。
2. 变容二极管的电容为什么随反偏电压变化?
反偏 PN 结的耗尽层相当于电容介质,电压越大耗尽层越宽,等效于平行板间距增大,电容 C∝1/W 减小。利用这个单调关系可实现电压控制选频。
3. 太阳能电池和光电二极管有什么本质区别?
太阳能电池工作在光伏模式(无外偏置,光生电压/电流对外供电);光电二极管工作在光导模式(加反向偏置,光改变反向电流),用于「探测」而非「发电」。物理根源同为光生载流子。