9911

55

6677

+

55

+

77

22 3388 77

66

55331111 ++4444

11

11

3-2+1=

?

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

電子電路與實習

77

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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。

VVON

I

圖 3.3

圖 3.4

I

V

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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) ，

( 1)T

V

nVSI I e

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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 1010 ～ 1018 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 。

77

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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。

圖 3.5

VVcut-in

I

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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 。

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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

SnV

V

S I)1e(II T

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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。

圖 3.7

V

I

Vreaks

Vcut-in

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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

incutVV

incutVV

0I

V7.0V )on(D

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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)

1K

V2

I2

R1

I1

VCC

圖 3.82 2

2 2

(1) 0.7V; =4.3mA:

(2) 0.2V; =0mA

V IAnswer

V I

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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)

1K

V2

I2

R3

I1

5V

圖 3.9

R1

I3

2 2

2 2

(1) 0.7V; =3.95mA:

(2) 0.455V; =0mA

V IAnswer

V I

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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。

圖 3.10

12V

R1

D1

D2

D3

Vref

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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。

圖 3.11 ( 重複 )

VCC 12V

R1

D1

D2

D3

Vref

Rin

Io

1

1

:

3 0.70.5 1

12 2.16.6

1.5

CC

Answer

V VmA mA

R

V VR k

mA

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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。

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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

圖 4.3

Vo

0.7VR

I

s(t)

( ) 5sin (volt)s t t

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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

圖 4.4

Vo

0.7VR

I

s(t)

( ) 0.7o D onV V V ( )oV s t

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並聯截波

( )iV t

R

RV

( )OV t

( ) ( )O iV t V t

逆偏： Diode off

( )

( )R O D

i R D

V V t V

V t V V

順偏： Diode on

( )iV t

R

RV

( )OV t

DV

fR

neglect

( )( )

f

i D RO D R f

f

R

D R

V t V VV t V V R

R R

V V

( )i R DV t V V

77

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並聯截波

( ) ( )O iV t V t

逆偏： Diode off

( ) ( )

( )O R D

i R D

V t V t V

V t V V

順偏： Diode on

neglect

( )( )

f

i D RO D R f

f

R

D R

V t V VV t V V R

R R

V V

( )i R DV t V V

( )iV t

R

RV

( )OV t

( )iV t

R

RV

( )OV t

DV

fR

77

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串聯截波

( ) ( )O i RV t V t V

逆偏： Diode off

( ) 0

( )O D

i R D

V t V V

V t V V

順偏： Diode on

neglect

( )( )

f

i D RO D f

f

R

D

V t V VV t V R

R R

V

( )i R DV t V V

( )iV t

R RV

( )OV t

( )iV t

R

DV

fR

RV

( )OV t

77

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串聯截波

( ) 0OV t V

逆偏： Diode off

( )

( )i R O D

i R D

V t V V V

V t V V

順偏： Diode on

neglect

( )( )

( )f

i D RO

f

R

i D R

V t V VV t R

R R

V t V V

( )i R DV t V V

( )iV t

R ( )oV t

RV

( )iV t

R ( )oV t

DV fR

RV

77

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串聯截波

( ) ( )O i RV t V t V

逆偏： Diode off

0 ( )

( )O D

i R D

V V t V

V t V V

順偏： Diode on

neglect

( )( )

f

i D RO D f

f

R

D

V t V VV t V R

R R

V

( )i R DV t V V

( )iV t

R RV

( )OV t

( )iV t

R

DV

fR

RV

( )OV t

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串聯截波

( ) 0OV t V

逆偏： Diode off

( )

( )O R i D

i R D

V V V t V

V t V V

順偏： Diode on

neglect

( )( )

( )f

i D RO

f

R

i D R

V t V VV t R

R R

V t V V

( )i R DV t V V

( )iV t

R

RV

( )OV t

( )iV t

R

RV

DV fR( )OV t

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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

圖 4.5

s(t) R Vo

D1 D2

I

( ) 0.7o D onV V V

( ) 0.7o D onV V V

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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

圖 4.6

s(t) R Vo

Va Vb

I

D1 D2

( ) ( 0.7 )o b D on bV V V V V

( ) 0.7o a D on aV V V V V

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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 。

圖 4.7

Vo

4.3V

RI

s(t)

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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

電壓轉換單元

AC→DC轉換單元

穩壓單元

外接電路110V/60Hz

圖 4.12

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電壓轉換單元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。

)V(1562110Vp

R1

R2

圖 4.13

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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

圖 4.14

N1 ： N2

V1 V2

2

1

2

1

N

N

V

V

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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。

圖 4.16

12V

110V/60Hz

1

30V

212V

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交流對直流轉換單元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

圖 4.17

110V/60Hz

110 ： 12

V2 C Vo

max max(1 ) (1 )T

RC RCrippleV V e V e

77

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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 )

maxmax[1 (1 )]ripple

V TTV V

RC RC

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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 圖 4.19

110V/60Hz

CR

D2

D1

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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。

2

T

C

)2/T(I

C

QV o

ripple

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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

圖 4.20

110V/60Hz

C

D2 D1V2

D4 D3

Vo

R

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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

V4.1VV o2

)V4.1V(V o2

V4.1VV)V4.1V( o2o

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穩壓單元穩壓單元 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

圖 4.21

110V/60Hz

110 ： 12

C

7812

負載

Vo = 12VIoI'o

77

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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 。

I

VZ

圖 3.12

77

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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。

圖 3.7

V

I

Vbreak

Vcut-in

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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。 圖 3.13

12V

R1

Vref

R3VZ

: (1) 2V; 0.6mA. (2) 1.09V; 0mA.Z Z Z ZAnswer V I V I

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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。

ZZ0ZZ IVV

Vz0

I

V

斜率

圖 3.15

A KZVZR

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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 。

圖 3.14

VCC

R1

Vref

RLVZ

IL

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0

0

:

( )(1)

6V 0.99mA, 3.01V

14V 8.91mA, 3.089V

0mA 6.93mA, 3.069V(2)

3mA 3.96mA, 3.039V

(3) 0.747k

CC Z L Z CC Z LZ

Z Z Z Z Z

CC Z Z

CC Z Z

L Z Z

L Z Z

Answer

V I I R V V V I RI

V V r I R r

V I V

V I V

I I V

I I V

R

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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。

圖 3.17

V

I

1.5V

VLED ： 1.5~2.5V

崩潰電壓約 3~15V

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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。

I

P

圖 3.16

P ：輸出光功率 I ：電流 斜率由 LED 的材料及

結 構所決定

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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

圖 3.19

R9V

77

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Homework

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