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Chapter 4 二極體特性與應用

電子電路與實習. Chapter 4 二極體特性與應用. 四技一年級下學期 授課教師：任才俊. I. V. V ON.  . V. I. 圖 3.3. 圖 3.4. 二極體元件特性. 二極體由半導體製成，特性近似左下圖，是一顆很好的穩壓元件。右下圖是其電路符號，「＋」端為陽極，「－」端為陰極，箭頭顯示其方向性，也是電流主要流動的方向。. 在二極體的陽極和陰極間加上一個電壓，其 V-I 關係為： I S ：逆向飽和電流 (Reverse saturation current) ，由二極體實際結構決定的定值

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Chapter 4 二極體特性與應用

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  1. 電子電路與實習 Chapter 4二極體特性與應用 四技一年級下學期 授課教師：任才俊

  2. I V VON  V I 圖3.3 圖3.4 二極體元件特性 • 二極體由半導體製成，特性近似左下圖，是一顆很好的穩壓元件。右下圖是其電路符號，「＋」端為陽極，「－」端為陰極，箭頭顯示其方向性，也是電流主要流動的方向。

  3. 在二極體的陽極和陰極間加上一個電壓，其V-I關係為： • IS：逆向飽和電流(Reverse saturation current)，由二極體實際結構決定的定值 • n ：介於1和2之間的常數，矽材n = 1 • VT：thermal voltage，在常溫下VT25mV V>0 表示陽極電位高於陰極，為順向偏壓(Forward bias)；V<0 表示陰極電位高於陽極，為逆向偏壓(Reverse bias)，

  4. 順向偏壓 V>0 時，電流由陽極流向陰極，其中大約分為兩個狀態 • 一. V<0.5V：電流幾乎等於0；因為IS數值很小，約在1010～1018 A的數量級。 • 二. V>0.5V：電流隨電壓變動而快速上升；因為I-V特性成指數關係，且VT很小。 • 區分兩種狀態的電壓稱為切入電壓 Vcut-in (Cut-in voltage)，約等於0.5V。

  5. I V Vcut-in 圖3.5 • 典型的二極體V-I關係曲線見下圖 • Vcut-in：切入電壓(cut-in voltage) • 分析、設計電路時，估算(estimate)電壓電流的能力，遠比利用KCL配合元件特性解方程式，或電腦軟體模擬得到精確值， 還重要。

  6. 觀察二極體的V-I特性曲線，V = Vcut-in(0.5V)開始導通，之後電流隨電壓增加快速上升，大約V = 0.8V時瀕臨極限。 • 一般合理的電路設計都不會讓V超過0.8V • 正常情況下，二極體的導通電壓(VD(on))約介於0.6V至0.8V之間，一般假定VD(on) = 0.7V，也就是，若判斷二極體導通，端電壓 = VD(on) = 0.7V 。

  7. 逆向偏壓 V<0 時，二極體處於截止(cutoff)狀態，電流為零；V-I關係式與順向偏壓相同，只是V為負值。 • IS 非常小，所以逆向偏壓通常假定 I=0 • I為負值表示電流由陰極流向陽極

  8. I Vreaks V Vcut-in 圖3.7 • 二極體逆向偏壓時的I-V特性曲線，見下圖 • Vbreak ：逆向崩潰電壓(Reverse breakdown voltage) • 逆向偏壓大於二極體的逆向崩潰電壓(Vbreak)時，將進入崩潰狀態而產生大電流。若無特別電路保護，很可能因為過熱而燒燬。 • 一般而言Vbreak約數十伏特， 可忽略不考慮。

  9. 二極體是具方向性的元件 (忽略反向崩潰效應) ：截止狀態，近似絕緣體 ：導通狀態，近似金屬導體

  10. VCC I1 1K R1 I2   V2 圖3.8 例 1. • 在右圖中，若(1) VCC = 5V，(2) VCC = 0.2V，請分別求二極體上的電流及電壓。(假設Vcut-in = 0.5V，VD(on)= 0.7V)

  11. 5V I1 1K R1 I3   I2 R3 V2 圖3.9 例 2. • 在右圖中，若(1) R3 = 2K，(2) R3 =0.1K，請分別求二極體上的電流及電壓(Vcut-in =0.5V、VD(on) = 0.7V)

  12. 12V R1 Vref D1 D2 D3 圖3.10 • 利用二極體作為穩壓元件製作的穩壓電路所受的限制：所要的電壓必須是VD(on)的整數倍(0.7V，1.4V，2.1V，…) 。 • 例如需要參考電壓Vref = 2V時，只能用三顆二極體串聯得到最接近的2.1V，如右圖。 • 稽納二極體無此限制，所以實用電路中通常採用稽納二極體，很少用一般二極體串接來穩壓。

  13. VCC12V R1 Io Vref D1 圖3.11 (重複) D2 Rin D3 例 3. • 在右圖的電路中，若外接電路的電流並非定值，因環境變動其大小由0.2 mA至1mA皆有可能。請設計R1使得在任何情況下，皆保證二極體處於導通狀態且ID至少0.5mA以上。

  14. 二極體穩壓電路設計的注意事項： • 保證二極體處於導通狀態 • 二極體應有合理的導通電流 • 好的電路設計包含兩個部分： • 良好的電路結構。 • 適當的元件值。

  15. 0.7V R s(t) Vo I 圖4.3 截波電路 • 截波電路：去除過高或過低的電壓信號，保護電路不因為太高或太低的電壓，造成電路工作不正常。利用二極體限幅，是積體電路(Integrated Circuit, IC)設計中常用來保護電路的方法。 • 右圖即為截波電路 • 輸入信號 • 假定外加電壓小於0.7V：截止狀態 • 外加電壓高於0.7V：導通且維持 導通電壓VD(on) = 0.7V

  16. 0.7V R s(t) Vo I 圖4.4 • 下圖： • s(t) > -0.7V：截止狀態， • s(t) <= -0.7V：導通狀態， →限制Vo不小於0.7V

  17. 並聯截波 逆偏：Diode off 順偏：Diode on

  18. 並聯截波 逆偏：Diode off 順偏：Diode on

  19. 串聯截波 逆偏：Diode off 順偏：Diode on

  20. 串聯截波 逆偏：Diode off 順偏：Diode on

  21. 串聯截波 逆偏：Diode off 順偏：Diode on

  22. 串聯截波 逆偏：Diode off 順偏：Diode on

  23. 圖4.5 R s(t) Vo I D1 D2 雙截波電路 • 下圖： • s(t) > 0.7V：D1導通、D2截止， • s(t) < -0.7V：D2導通、D1截止， • -0.7V < s(t) < 0.7V：D1/D2皆截止，Vo = s(t) →限制Vo在0.7V及0.7V之間

  24. R s(t) Vo I D1 D2     Va Vb 圖4.6 • 下圖： • s(t) > Va + 0.7V；D1導通、D2截止， • s(t) < (Vb+0.7V) ：D2導通、D1截止， • (Vb+0.7V) < s(t) < (Va+0.7V) ：D1/D2皆截止， Vo =s(t) →限制Vo在(Vb + 0.7V)及(Va + 0.7V)之間

  25. 4.3V s(t) Vo I R 圖4.7 整流電路 • 半波整流電路(half-wave rectifier) 見下圖，s(t) < 0.7V：截止狀態，電流為零s(t) >= 0.7V：導通並維持其端電壓為0.7V →限制Vo不小於0.7V。 • 利用二極體的方向性整流，將小於0.7V的部分截掉，僅讓大於0.7V以上的信號通過，其最高電壓為4.3V。

  26. 圖4.12 電壓轉換單元 外接電路 穩壓單元 AC→DC轉換單元 110V/60Hz 實用電源電路 • 將110V/60Hz交流電，轉變為直流電源的實用轉換電路，主要由三個電路單元所組成 • 電壓轉換單元 • 交流對直流轉換單元 • 穩壓單元

  27. 圖4.13 R1 R2 電壓轉換單元 • 通常作交流對直流轉換前需先降壓 ，因為110V/60Hz交流電源的 ，但實際的直流電壓通常遠低於156V。 • 利用電阻分壓是最簡單的降壓電路，如下圖，缺點是電阻會消耗功率，因而不實用。

  28. N1 ： N2  V1 V2  圖4.14 • 變壓器(Transformer)(下圖)，是實用的降壓裝置；其輸出及輸入的交流電壓比，由線圈比所決定，與電流無關 • 變壓器輸入端：一次測(Primary terminal) • 變壓器輸出端：二次測(Second ary terminal)。 • 輸入/輸出電壓關係為： • N1與N2 ：一次測及一次測的線圈數

  29. 圖4.16 1 12V 3 110V/60Hz 0V 2 12V • 變壓器理論上不消耗任何功率，但實際上會有部分功率損失造成變壓器發熱，所以變壓器有最大限制電流，避免過熱而燒燬。 • 中間抽頭式變壓器(center-tapped transformer)的二次測中心接地後：由端點1,3及端點2,3，可得兩個12V、振幅相同但反相的弦波信號由端點1,2，可得一個振幅為24V的弦波信號。

  30. 圖4.17 110：12     C V2 Vo 110V/60Hz 交流對直流轉換單元 • 半波整流(half-wave rectifier) ：只在輸入信號的正半週進行一次充電，右圖4.17為變壓器加上半波整流器，利用二極體及電容組成的交流對直流轉換電路轉成直流電壓。 • 整流器有負載時，輸出電壓會有漣波(Ripple)產生

  31. 經由數學推導，Vripple可簡化為： • 電容量愈大， Vripple愈小，即輸出電壓愈穩定。 　上式隱含的物理意義為：電容電壓由儲存的電荷所決定，所以電荷減少將造成電壓改變 。(即漣波電壓)

  32. 圖4.19 D1 C R 110V/60Hz D2 • 全波整流(full-wave rectifier) ：電容在一個弦波信號週期的正負半週皆能充電，比半波整流電路多一次充電機會，可降低漣波電壓 ；利用中間抽頭的變壓器及兩顆二極體組成，如下圖。 • 電阻R：外接電路的等效電阻

  33. 中間抽頭式的變壓器兩輸出端信號反相D1導通對電容充電時，D2於截止狀態；D2導通對電容充電時，D1於截止狀態。中間抽頭式的變壓器兩輸出端信號反相D1導通對電容充電時，D2於截止狀態；D2導通對電容充電時，D1於截止狀態。 • 在一個弦波信號週期內，電容有兩次充電機會，放電間隔為：漣波電壓為 是半波整流的一半。

  34. 圖4.20   Vo D2 D1 110V/60Hz V2 C R D4 D3 • 橋式整流電路(bridge rectifier) ：利用兩端輸出的變壓器和四顆二極體所組成的全波整流電路，功能與全波整流電路完全相同

  35. 橋式整流電路的工作原理： ：D1、D4導通對電容充電D2、D3處於截止狀態 ：D2、D3導通對電容充電 D1、D4處於截止狀態 ：四顆二極體皆於截止 狀態，電容經電阻放電。 • →一個週期內，電容充電兩次，故漣波電壓與全波整流電路相同

  36. 圖4.21 I'o Io 110 ： 12 Vo = 12V 7812 負載 C 110V/60Hz 穩壓單元 • 為有效消除漣波，穩定輸出電壓，整流電路之後會加上一個穩壓電路，通常是一顆穩壓IC (ex. 7812 ) 或是一個複雜的穩壓電路 • 78xx系列是常用的穩壓IC，其最後兩位數即表示輸出電壓 • 下圖為包含變壓、整流、穩壓單元的實用電源電路

  37. I   VZ 圖3.12 稽納二極體 • 當二極體於崩潰狀態，端電壓幾乎不隨電流而改變，情形類似正向導通，可利用這個效應來作穩壓；只是Vbreak >> 0.7V • 稽納二極體(zener diode)，電路符號如右圖 • VZ ：稽納電壓(zener voltage)，就是Vbreak。 • 實用上通常將稽納二極體反向偏壓，故習慣上其電壓電流的標示和一般二極體相反 。

  38. I Vbreak V Vcut-in 圖3.7 • 稽納二極體的I-V特性曲線如下圖，正向偏壓特性與一般二極體相同，但反向崩潰電壓(Vbreak)遠低於一般二極體，故成為實用的穩壓元件。 • 以稽納二極體為穩壓元件的優點是可以簡化電路，提供穩定的參考電壓；不像以二極體時，需要的電壓較大就需要大量的二極體。

  39. 圖3.13 12V R1 Vref   R3 VZ • 外加反向電壓 < VZ：稽納二極體處於截止狀態，電流為零外加反向電壓 > VZ：稽納二極體維持 VZ的壓降，電流則由電路決定。 例 4. • 右圖中假定VZ = 2V，R1 = 10K，若(1) R3 = 5K；(2) R3 = 1K，請分別計算稽納二極體上的電壓電流。

  40. I Vz0 V 斜率 圖3.15 • 稽納二極體在崩潰區間V-I關係的特性。 • VZ0：瀕臨崩潰的臨界電壓 • Z是一個小電阻，數值通常很小，反映VZ 隨IZ 的變化。 • VZ隨IZ 的變化不大，在精確的穩壓電路設計中才需考慮。

  41. IL 圖3.14 VCC R1 Vref   RL VZ 例 5. • 右圖的穩壓電路中，假定 Z = 10，VZ0 =3V，R1 = 1K(1) 假如IL =2mA，而VCC的變動範圍為6V至14V，請估算VCC變動對VZ的影響。 (2) 假如VCC = 10V，而IL的變動範圍為0 mA至3mA，請估算IL變動對VZ的影響。 (3) 假如VCC 的變動範圍為6V至14V，IL的的變動範圍為0 mA至3 mA，請設計R使得任何時候IZ 皆大於1 mA。

  42. 圖3.17 I V 1.5V 發光二極體 • 發光二極體(Light Emitting Diode, LED)，可作為小型顯示器。 • 加入磷、砷或鎵 • LED的I-V特性曲線和一般二極體類似，見右圖。唯一不同的是，LED的導通電壓通常在1V以上，因為所用材料不是矽半導體。 VLED：1.5~2.5V 崩潰電壓約3~15V

  43. P I 圖3.16 • LED的工作原理 ：二極體導通時，會有大量電子與電洞結合，過程會釋放能量；LED因為材料的緣故，以光的形式釋放；由於電子數目與電流成正比，所以LED發光強度和電流成正比，如下圖。 P：輸出光功率 I ：電流 斜率由LED的材料及結 構所決定

  44. 圖3.19 R   9V • LED 電路設計 • 電阻 R 可以決定LED的電流 ( 與亮度有關 ) • 蕭特基二極體(Schottky Diode) • 鋁+少量n型矽結合，供高速開關用

  45. Homework Page 67 2，4，6，8，9 Page 98 2，4，6

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