频率倍增用二极管基础知识图解

二极管的频率倍增是指依靠变容二极管的频率倍增和阶跃（即急变）二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，其工作原理虽然与自动频率控制用的变容二极管相同，但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切换到关闭时的反向恢复时间短，因此，其特点是急速变成关闭的转移时间非常短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那么转移时间短，输出波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。

变容二极管

变容二极管是利用PN结空间电荷具有电容特性的原理制成的特殊二极管，通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化。因此，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等。通常采用硅的扩散型二极管，也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。变容二极管为反偏二极管，其结电容就是耗尽层的电容，因此可以近似把耗尽层看做平行板电容，且导电板之间有介质。多数情况下，一般的二极管结电容很小，不能有效利用。变容二极管因其结构特殊，具有相当大的内部电容量，并可像电容器一样运用于电子电路中。

变容二极管的主要参数有最高反向电压、反向击穿电压、结电容、结电容变化范围、品质因数。

最高反向电压是指在变容二极管两端的反向电压不能超过的允许值。

反向击穿电压是指在施加反向电压的情况下使变容二极管击穿的电压。击穿电压决定了器件的最高反向工作电压和最小电容容量值。

结电容是指在一特定反向偏压下，变容二极管内部PN结的电容。

结电容变化范围是指反向电压从0变化到某一值时，结电容变化的范围。

品质因数（Q值）是指电容储存的能量与损耗的能量之比值大多数变容二极管具有很高的Q值。由于变容管的电容量与反偏电压成反比，Q值就随着反向偏置电压的增加而增加。

阶跃恢复二极管

阶跃管的结构与特性

阶跃恢复二极管简称阶跃管，它也是一种PN结二极管。它的特点是：在正向电压时，它与普通PN结二极管一样，有正向电流流过；而在反向电压作用下，它则表现为不同的特性，反向电流并不马上截止，而是仍然有足够大的反向电流流通，直到某一时刻，才会迅速变成截止状态。于是，在反向电流的波形上，就会形成所谓的“阶跃”，图1给出了阶跃管的这种电流波形，为了比较，同时也给出了检波管的电流波形。

为了实现阶跃管这种“阶跃”特性，在结构上它一般采用P+NN+台式结构，在P+型半导体和N+型半导体之间有一层很薄的低掺杂的N层，形成了P+N和NN+2个结（图2）。在正向偏置电压时，就会有大量空穴从P+区注人到N区，形成正向电流，由于N层的掺杂浓度低，没有足够的电子能与空穴复合，使得空穴在N区继续扩散，成为该区的少数载流子，并在扩散过程中继续不断与电子复合。若载流子的寿命大于外加电压的周期，则少数载流子的复合速度相对就慢得多。也就是说，在正向电压的半个周期内，只有少数空穴被复合，大量的空穴被储存在P+N结的N区。空穴的寿命越长，则P+N结N层中的储存电荷也就越多。而这时NN+结间由于掺杂浓度的不同产生了一个内建电场，这个电场将阻止N层中的少子空穴离开N层进入到N+层中去，使得N层储存的空穴电荷量得以增加，所以N层是少子空穴的有效储存层。当电压转为反向时，储存在N层中的电荷将被P+N结内的电场拉回去，空穴回到P+区，形成反向电流。由于储存的空穴电荷量很大，因而反向电流也会很大，经过一段时问，储存的电荷被全部拉回到P+层时，反向电流就迅速降到零，出现了截止状态，形成了一个电流的阶跃。对于阶跃管来说，希望电流的这个阶跃越陡越好，即电流降到零的时间越短越好。为了提高阶跃的速度，N层的厚度就应尽可能薄。

阶跃管的应用

阶跃管主要用于倍频，由于阶跃管存在电流的阶跃，这种电流的突然变化必然会产生大量谐波分量，阶跃时间越短，即电流的变化越陡，谐波分量就越丰富，因而作倍频器时可以实现高次倍频。变容管倍频器一般只能实现低次倍频，只有用几级变容管倍频器级联，组成倍频链，才能达到高次倍频的目的。而阶跃管单级倍频器就可以得到10次~20次以上的倍频，可以作为高频率稳定度的小功率微波信号源，将石英晶体振荡器输出的低频（100MHz左右）信号直接倍频到微波频率。阶跃管亦可用作梳状频谱发生器，应用于频率合成器及锁相固态源中。利用阶跃管还可以产生很窄的脉冲，在毫微秒脉冲发生器、取样示波器中应用。

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