《二极体的动作特性与应用.docVIP

二極體的動作特性與應用　 宇量　 二極體屬於半導體元件的一種，應用在一般電子電路的半導體，依照性質的不同可以分成P型與N型兩種，如果利用P型→N型性質改變所構成的PN接合，就可以製作二極體(Diode)元件，除此之外使金屬與半導體接觸，利用Schottky接合的電氣特性，同樣可以製作二極體元件。二極體具備兩個端子，它的外形隨著用途的不同有許多形狀，不過基本上二極體的動作原理卻完全相同。本文要介紹二極體的基本功能，同時針對汎用二極體進行模擬分析，藉此探討二極體動作時的電流與電壓決定方法。 二極體的動作原理表1是目前常用二極體的特性與分類一覽；圖1是利用萬用電壓源VSRC，對汎用小信號二極體施加直流電壓的測試電路；圖2是針對二極體以0.01V為刻度，從-2V到+2V對二極體兩端施加電壓VD時，利用DC模擬分析電流ID的結果，根據分析結果可知電壓VD低於0.6V時ID接近零，電壓VD一旦超過0.6V的話，正向(從正極朝負極方向)電流會急遽湧現，類似這樣的電流流動特性我們稱它為「電流單向流動特性」。 正向流動的電流稱為「順向電流IF」 (F表示Forward)，接近零的負向流動電流則稱為「逆向電流IR」(R表示Reverse)，順向電流流動時發生的電壓稱為「順向電壓VF」，逆向電流流動時發生的電壓稱為「逆向電壓VR」。　 表1 二極體的特性與分類　 圖1 檢測二極體電壓-特性的模擬電路　 圖2 二極體的電壓、電流特性　 圖3是利用上述相同模擬方式，計算二極體從VD到ID的等價性阻抗RD，依此描繪的座標圖，必需注意的是圖中的縱軸為對數刻度，以及VD = 0V時出現的計算誤差。由圖可知RD是以VD = 0.6V為界線，如果VD 0.6V時，等價性阻抗RD會急遽升高接著迅速降低，這種現象若以機械開關作比喻，RD很高時如同開關的接點呈OFF狀態， 很低時開關的接點則變成呈ON狀態，換句話說二極體可以從外部控制兩端發生的電壓，進行無接點的開關(Switch)動作。　 圖3 二極體兩端的電壓超過0.6V時的特性　 圖4的測試電路先將二極體D1串聯1KΩ電阻接著連接電壓源V1；圖5是對二極體的兩端以0.01V為刻度，從-5V到+5V施加電壓 ，接著再用DC進行模擬分析獲得的結果，由圖可知由於二極體的V1在-5V ~ +0.6V之間為OFF，測試電路幾乎沒有電流流動，因此V1的電壓變成直接施加狀態，亦即VD = V1，不過V1一旦超過+0.6V二極體會成為ON狀態，VD = V1的關係立即消失成為+0.6V一定值，由此可知二極體ON時，兩端產生的電壓VF與電流無關，它幾乎是呈一定值的定電壓元件。 雖然VF值隨著二極體的種類與順向電流改變，不過一般小信號矽二極體元件的VF 0.6V，大功率的場合VF 0.8V。　 圖4 二極體與電阻串聯的電路　 圖5 二極體的順向電壓即使超過0.6V時的特性　 圖4的二極體順向電流IF是電阻產生的電壓從V1減掉VF的結果，它可以用下式表示:　 　 圖6是用圖5相同條件改變V1，依此進行二極體電流模擬分析所獲得的結果，圖中「×」表示式(1)計算式之中，VF = 0.6V時的順向電流，根據模擬分析的結果顯示它與計算值非常接近，換言之利用式(1)可以輕易求得二極體的順向電流。　 圖6 二極體的電流與計算結果一致　 電阻與二極體構成的應用電路圖7是可以輸出交流信號正極端的正輸出半波整流電路，輸入信號為2Vpeak , 1kHz正弦波；圖8是利用過渡分析模擬範圍0 ~ 2ms時各部位的波形獲得的結果，由圖可知輸入電壓超過+0.6V時D1變成ON，因此產生輸出電壓Voutput，此時的Voutput比Vinput二極體的順向電壓VF 0.6V低。 圖9是圖8時間軸的放大圖，由圖可知Vinput若超過+0.6V，Voutput便開始站立，Vinput低於+0.6V時D1變成OFF，Voutput幾乎成為0V。值得一提的是圖7電路，它的輸入信號同時具備控制二極體的ON/OFF功能，雖然雙極電晶體(Bipolar Transistor)與FET，也擁有可以控制元件ON/OFF的專用端子，不過二極體卻沒有控制端子，因此二極體元件利用外部電路改變元件兩端的電壓與電流，才能達成控制電流ON/OFF的目的。 根據歐姆法則可知負載阻抗的電流IRL，可以用下式表示:　 　 它的波形與圖8的Voutput完全相同。　 圖7 可以輸出交流信號正極端的正輸出半波整流電路　 圖8 正輸出半波整流電路的各部位波形　 圖9 輸出比輸入低VF 0.6V　 圖10是可以抓取交流信號負極端的負輸出半波整流電路，它與圖7最大差異是二極體的方向；圖11是利用過渡