1、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
2、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
3、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，R D 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
4、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，V D = 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
5、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，V F = 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
6、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，V output 便開始站立，V input 低於+0.6V 時 D1 變成 OFF，V output 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(Bi
7、polar 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
8、，由於二極體的方向相反，當 Vinput 低於+0.6V 時，D 1 變成 ON 只能輸出負的半波 Voutput，D 1 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
9、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，D 1 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(V input - 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
10、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
11、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，D 1 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
12、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
13、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，I C1 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(Peak To Peak) 為波動電壓 V，如此一來 V 可用下式作近似計算:由式(4)得知只要加大電容的容量，就可以降低波動電壓，接著將下列數據代入式(4):上述計算結果與圖 16 模擬分析非常近似。圖 18 檢測半波整流電路的方法圖 19 各部位的電流波形圖 20 二極體的電流流動呈動態性以上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。
