二极体的动作特性与应用.doc

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1K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是利用過渡分析模擬範圍0 2ms時各部位波形所獲得的結果，由於二極體的方向相反，當Vinput低於+0.6V時，D1變成ON只能輸出負的半波Voutput，D1 ON時Voutput與Vinput兩者的電位差VF則變成+0.6V左右，此外Voutput只會輸出負的電壓，因此負載阻抗的電流IRL與圖8的極性相異成為逆極性(從RL算起二極體變成吸入方向)。圖10 可以抓取交流信號負極端的負輸出半波整流電路圖11 負輸出半波整流電路的各部位波形圖12是可以去除(Cut)交流信號負極端的負電壓Clamp電路，欲去除負振幅時經常使用本電路；圖13是利用過渡分析模擬範圍0 2ms時各部位波形所獲得的結果，由圖可知輸入電壓Vinput超過-06V時D1變成OFF，輸出電壓Voutput變成Voutput，如果Vinput低於-0.6V的話，D1會變成ON，由於Voutput與Vinput的振幅無關，因此會固定變成-0.6V一定值，而且還它會自動去除比輸入信號-0.6V更低部份。使用由二極體構成的Clamp電路時，必需注意Clamp動作期間，二極體內會有(Vinput - VF) / R1決定的電流流動，例如圖13的電路中二極體內有峰值2V - 0.6V / 1k = 1.4mA的電流流動。圖12 Cut交流信號負極端的負電壓Clamp電路圖13 負電壓Clamp電路各部位的波形電容與二極體構成的應用電路圖14是利用變壓器將絕緣的交流信號轉換成直流信號的轉換電路，本電路是由半波整流電路與電容構成，它可以應用在電源電路與AM(振幅變調)檢波電路。 圖14 電源用半波整流電路與平整電路的組合圖15是為了進行模擬分析，依照圖14元件與電路定數設計的電路圖，圖中的變壓器2次端輸出改成萬用電壓源VSRC，二極體則使用一般整流用D1N60二極體；圖16是將V1設定5Vpeak正弦波，接著再利用過渡分析模擬範圍0 40ms時各部位波形，由圖16的分析結果可知只有半波整流電路，可以變成圖8的Voutput正弦波的半波，此時若將電容插入的話，隨著連接輸出波形山峰之間的波動，會變成直流信號。圖15 半波整流平整電路的模擬分析根據歐姆法則，負載阻抗的電流IRL可以用下式表示:由於IRL與Voutput呈比例，因此波形與Vinput相同。圖16 半波整流平整電路的各部位波形圖17是同時描繪二極體內的電流ID1與輸出電壓所獲得的座標圖，如圖所示Vinput比Voutput的D1順向電壓高VF 0.8V 時，D1會有電流流動，此時二極體呈ON狀態，至於ID1變成負極性則代表從二極體的流出的方向有電流在流動 。圖17 二極體的ON時間特性此外圖17中2ms附近的ID1大到幾乎要超越圖17座標圖，主要原因是電荷對電容充電造成初期電流流動。無平整電容的場合，如圖8所示Voutput若大於時，雖然VF二極體會變成ON，不過本電路的平整電容會有殘留電荷，所以圖17的二極體ON時間非常短，而且此時二極體呈ON狀態，因此Voutput的峰值部位電壓，比Voutput的低VF 0.8V。接著將Make裝設至圖18內，藉此觀察各部位電流波形，圖19是各部位電流波形的座標圖，由圖可知二極體ON時的電流ID1呈峰值狀(超過700mA以上)，不過二極體一旦OFF時電流立即變成零，至於電容內的電流IC1，它的峰值部位的波形幾乎與ID1相同，一般認為主要原因是ID1的大部份流入電容內充電所致，至於造成ID1比IC1略大主要原因，一般認為是二極體對電容C1充電的同時也提供電流IRL給RL所致。二極體變成OFF時ID1 = 0，IC1的極性也變成跟IRL一樣，造成該現象主要原因是電容儲存的能量變成放電電流RL所致。圖20是綜合上述結論繪成的二極體電流流動特性圖，由圖可知隨著二極體ON/OFF各部位的電流呈動態變化。根據圖19顯示，負載內的大部份電流都是電容提供的放電電流，電容兩端的電壓隨著放電逐漸降低，進而造成Voutput發生波動(Ripple)現象。此處假設波動的峰值對峰值(P