二极管的整流比,整流效率,截止频率

二极管主要有p-n结二极管和Schottky二极管两大类，它们的重要特点就是具有单向导电性。

二极管的应用很广泛，它能够把交流信号转变为各种特殊波形的信号，例如可用于整流（半波整流、全波整流）、限幅、钳位、检波（解调）等。

二极管的单向导电性就体现在正向电阻很小、反向电阻很大这一特性上。

从应用的角度来看，与二极管单向导电性直接有关的基本性能参量是整流比和整流效率（要受到击穿电压的限制）。

而二极管在交流工作时的单向导电性，还与工作频率有关。

（1）p-n结二极管的整流比：
二极管的整流比就是其反向电压下的电阻与正向电压下的电阻之比。

整流比的大小是二极管单向导电性的直接表现，应该越大越好。

对p-n结二极管，在电压不是很低、并忽略串联电阻和复合中心产生电流的影响时，则根据指数式的伏安特性关系，可容易求出二极管的正向直流电阻RF、反向直流电阻RR、正向交流电阻rF、和反向交流电阻rR（小信号交流电阻就是伏安特性曲线上某点切线斜率的倒数），分别如下：
正向直流电阻
正向交流电阻
反向直流电阻
反向交流电阻
从而，二极管的直流整流比和交流整流比分别为：
直流整流比
交流整流比
式中的VF和IF分别是正向电压和正向电流，VR和IR分别是反向电压和反向电流，IS是反向饱和电流（忽略了复合中心的产生电流），m是理想因
子（m=1～2）。

可见：①适当提高正向电压VF和正向电流IF，可增大直流和交流的整流比；②提高反向电压VR，也将有利于增大直流和交流的整流比；③降低反向饱和电流IS，将有利于增大交流整流比。

【注】这里的“交流”，是指低频小信号情况。

在高频小信号情况下，因为p-n结电容的影响，将使反向交流电阻（阻抗）变小，单向导电性变差，并导致二极管的整流比下降。

所以，高频工作的二极管的电容应该越小越好。

（2）p-n结二极管的整流效率：
二极管的整流效率也称为检波效率，要求越高越好。

对于二极管整流或检波回路，当输入正弦波电压时，即可输出直流电压，
则二极管的整流效率h就定义为：
二极管整流效率的测量：可以采用图1所示的电路来进行测量，其中二极管的输入交流电压峰值为Vsig，输出的回路是并联的电阻RL和电容CL；若输出直流电压为Vo，则可以按照下式来求出整流效率：
【注】对于p-n结二极管，在高频下，因为p-n结电容的影响，将使得二极管的阻抗下降，相应地二极管的单向导电性变差，从而会导致在交流整流比下降的同时，二极管的整流效率也下降。

所以，为了提高二极管的高频整流效率，与提高二极管的交流整流比一样，也需要减小二极管的电容。

p-n结二极管的电容主要是其本身的势垒电容和扩散电容。

由于减小势垒电容的主要措施是减小结面积，其次是降低半导体掺杂浓度（以增大势垒厚度）；减小扩散电容的主要措施是减小少数载流子的存储量，这除了减小结面积（以缩小存储空间）以外，就是提高半导体掺杂浓度（这可以降低平衡少数载流子浓度，但是掺杂浓度的提高会降低击穿电压）。

所以综合来看，为了获得较大的交流整流比和较高的整流效率，宁可损失一点击穿电压性能，往往采用结面积很小和半导体掺杂浓度较低的p-n结。

【注】对于Schottky二极管来说，因为基本上不存在少数载流子存储效应，所以不必考虑扩散电容，只需要考虑势垒电容即可。

所以小面积Schottky 二极管的高频交流整流比和整流效率一般都较高。

（3）p-n结二极管的截止频率：
在工作频率较高时，虽然整流比和整流效率都将有可能下降，但是二极管仍然可具有一定的单向导电性，能更工作于更高一些的频率。

二极管的最高工作频率即称为截止频率，这是表征p-n结二极管微波工作性能的一个重要参数，常用fT表示。

根据p-n结的小信号等效电路，可以计算出p-n结二极管的截止频率。

图2 是p-n结二极管在高频下的一般等效电路，其中CJ和CD分别是势垒电容和扩散电容，GD是可变电导（随电压而变化），rs是串联电阻（表征二极管的损耗）。

但是，在很高的频率下，当信号周期短于少数载流子寿命时，则p-n结的扩散电容CD可以忽略；并且势垒电容CJ的充、放电需要通过二极管的端头路径（电阻）来进行，故表征损耗作用的电阻rs不能省略。

正是由于势垒电容CJ的影响，则当信号频率ω（=2pf）升高时，p-n结的高频阻抗Z将要降低。

如果p-n结高频阻抗的大小|Z|降低到与串联电阻rs 相等时，那么该p-n结也就完全失去了其应有的电学功能——单向导电性，这时的信号频率也就是该p-n结的最高工作频率——截止频率fT。

从而，根据下面的等式（rd是二极管的交流电阻）
就得到p-n结的截止频率为（ωT=2pfT）
可见，如果串联电阻rs很小（rs << rd），则fT最高，为
相反，如果rd很小（rs >> rd），则fT最低，为
因此，fT的高低决定于rd和rs的大小：
对于p-n结二极管，为了提高其工作频率，就要求它的串联电阻、势垒电容以及交流电阻都很小。

串联电阻越小，势垒电容的充、放电就越快，截止频率也就越高。

若半导体的载流子迁移率很大，掺杂浓度又较高，而且电极的欧姆接触电阻也很小，则该p-n结二极管的串联电阻可以达到很小，以至于能
够忽略。

【注】对于小面积的Schottky二极管，正是由于它的串联电阻特别小，所以其截止频率往往要比一般p-n结二极管的高得多，是一种性能优良的微波
二极管。