二极管特性【DOC精选】.docVIP

二极管属于半导体器件的一种，应用在一般电子电路的半导体，依照性质的不同可以分成P型与N型两种，如果利用P型→N型性质改变所构成的PN接合，就可以制作二极管(Diode)器件，除此之外使金属与半导体接触，利用Schottky接合的电气特性，同样可以制作二极管器件。二极管具备两个端子，它的外形随着用途的不同有许多形状，不过基本上二极管的动作原理却完全相同。本文要介绍二极管的基本功能，同时针对泛用二极管进行模拟分析，藉此探讨二极管动作时的电流与电压决定方法。 二极管的动作原理 表1是目前常用二极管的特性与分类一览；图1是利用万用电压源VSRC，对泛用小信号二极管施加直流电压的测试电路；图2是针对二极管以0.01V为刻度，从-2V到+2V对二极管两端施加电压VD时，利用DC模拟分析电流ID的结果，根据分析结果可知电压VD低于0.6V时ID接近零，电压VD一旦超过0.6V的话，正向(从正极朝负极方向)电流会急遽涌现，类似这样的电流流动特性我们称它为「电流单向流动特性」。 正向流动的电流称为「顺向电流IF」 (F表示Forward)，接近零的负向流动电流则称为「逆向电流IR」(R表示Reverse)，顺向电流流动时发生的电压称为「顺向电压VF」，逆向电流流动时发生的电压称为「逆向电压VR」。　 表1 二极管的特性与分类　 图1 检测二极管电压-特性的仿真电路　 图2 二极管的电压、电流特性　 图3是利用上述相同模拟方式，计算二极管从VD到ID的等价性阻抗RD，依此描绘的坐标图，必需注意的是图中的纵轴为对数刻度，以及VD = 0V时出现的计算误差。由图可知RD是以VD = 0.6V为界线，如果VD 0.6V时，等价性阻抗RD会急遽升高接着迅速降低，这种现象若以机械开关作比喻，RD很高时如同开关的接点呈OFF状态， 很低时开关的接点则变成呈ON状态，换句话说二极管可以从外部控制两端发生的电压，进行无接点的开关(Switch)动作。　 图3 二极管两端的电压超过0.6V时的特性　 图4的测试电路先将二极管D1串联1KΩ电阻接着连接电压源V1；图5是对二极管的两端以0.01V为刻度，从-5V到+5V施加电压 ，接着再用DC进行模拟分析获得的结果，由图可知由于二极管的V1在-5V ~ +0.6V之间为OFF，测试电路几乎没有电流流动，因此V1的电压变成直接施加状态，亦即VD = V1，不过V1一旦超过+0.6V二极管会成为ON状态，VD = V1的关系立即消失成为+0.6V一定值，由此可知二极管ON时，两端产生的电压VF与电流无关，它几乎是呈一定值的定电压器件。 虽然VF值随着二极管的种类与顺向电流改变，不过一般小信号硅二极管器件的VF 0.6V，大功率的场合VF 0.8V。　 图4 二极管与电阻串联的电路　 图5 二极管的顺向电压即使超过0.6V时的特性　 图4的二极管顺向电流IF是电阻产生的电压从V1减掉VF的结果，它可以用下式表示: 图6是用图5相同条件改变V1，依此进行二极管电流模拟分析所获得的结果，图中「×」表示式(1)计算式之中，VF = 0.6V时的顺向电流，根据模拟分析的结果显示它与计算值非常接近，换言之利用式(1)可以轻易求得二极管的顺向电流。　 图6 二极管的电流与计算结果一致 电阻与二极管构成的应用电路图7是可以输出交流信号正极端的正输出半波整流电路，输入信号为2Vpeak , 1kHz正弦波；图8是利用过渡分析模拟范围0 ~ 2ms时各部位的波形获得的结果，由图可知输入电压超过+0.6V时D1变成ON，因此产生输出电压Voutput，此时的Voutput比Vinput二极管的顺向电压VF 0.6V低。 图9是图8时间轴的放大图，由图可知Vinput若超过+0.6V，Voutput便开始站立，Vinput低于+0.6V时D1变成OFF，Voutput几乎成为0V。值得一提的是图7电路，它的输入信号同时具备控制二极管的ON/OFF功能，虽然双极晶体管(Bipolar Transistor)与FET，也拥有可以控制器件ON/OFF的专用端子，不过二极管却没有控制端子，因此二极管器件利用外部电路改变器件两端的电压与电流，才能达成控制电流ON/OFF的目的。 根据奥姆法则可知负载阻抗的电流IRL，可以用下式表示: 它的波形与图8的Voutput完全相同。　 图7 可以输出交流信号正极端的正输出半波整流电路　 图8 正输出半波整流电路的各部位波形　 图9 输出比输入低VF 0.6V　 图10是可以抓取交流信号负极端的负输出半波整流电路，它与图7最大差异是二极管的方向；图11是利用过渡分析模拟范围0 ~ 2ms时各部位波形所获得的结果，由于二