实习三二极体之特性与应用.DOCVIP

電路模擬實習一 二極體之V-I特性曲線模擬 學習目標 能藉由電路模擬來瞭解二極體的V-I特性曲線。能藉由電路模擬來瞭解二極體特性 相關知識 1-1二極體的識別 將P型半導體與N型半導體結合在一起，即成為PN接面二極體(P-N Junction Diode)，簡稱二極體(Diode)，以下將說明二極體的結構、符號與偏壓。 1-1-1 二極體的結構與符號 一、二極體的結構 二極體是一個具有兩個端子的元件，其中連接P型半導體的端子稱為陽極(Anode;簡稱A)，連接N型半導體的端子稱為陰極(Kathode;簡稱K)，二極體的結構圖，如圖1-1(a)所示。 (a) 結構圖 (b) 電路符號 (c) 實體圖 圖1-1二極體的結構圖與電路符號 二、二極體的電路符號 二極體是單向導通元件，如圖1-1(b)所示為二極體的電路符號，其箭頭方向代表電流流通的方向。 三、二極體的實體圖 如圖1-1(c)所示，是二極體的實體圖，其外殼上有一道標示環，代表陰極的一端。 1-1-2 二極體的偏壓 一、未加偏壓 當P型半導體與N型半導體接合的瞬間，由於N型半導體中自由電子（多數載子）的濃度比P型半導體中自由電子（少數載子）的濃度高出許多，所以N型半導體中的自由電子會往P型半導體擴散，與P型半導體在接面附近的電洞發生復合，所以P型半導體在接面附近的受體雜質(三價元素)因為吸收電子而產生負離子（帶負電）；反之，N型半導體在接面附近的施體雜質(五價元素)因為失去電子而產生正離子（帶正電），如圖1-2所示。 圖1-2　未加偏壓下的PN接面 因此我們可以得到以下的結論： 1. 當擴散達到平衡時，在接面附近只有正負離子的存在，並無自由電子與電洞，這個由正負離子所形成的區域稱為空乏區（Depletion Region）。 2. 在空乏區內由正負離子所形成的電位差稱為障壁電壓（Barrier Potential）或膝點電壓(Knee Voltage;簡稱)。在室溫下，矽的障壁電壓約為0.6V～0.7V，鍺的障壁電壓約為0.2V～0.3V。 3. 當溫度上升時，障壁電壓會下降，溫度每上升1℃，矽的障壁電壓會下降2.5mV(即)，鍺的障壁電壓會下降1mV(即)。 二、順向偏壓 當P型半導體接電源的正極，N型半導體接電源的負極，即形成順向偏壓，如圖1-3(a)所示。 (a)電路圖 (b)等效圖 圖1-3　二極體施加順向偏壓 在順向偏壓的情形下，N型半導體中自由電子（多數載子）受到電源正電壓的吸引，會越過接面形成電子流，部分的自由電子與空乏區內的正離子復合，使空乏區內正離子的數目減少；反之，P型半導體中的電洞（多數載子）受負電壓的吸引，會越過接面形成電洞流，部分的電洞與空乏區內的負離子復合，使空乏區內負離子的數目減少。由於正負離子的減少，使得空乏區的寬度變窄，障壁電位下降。 因此我們可以得到以下的結論： 1. 當二極體施加順向偏壓時，空乏區的寬度變窄，多數載子能越過PN接面產生大量的順向電流。 2. 若順向偏壓大於障壁電壓，二極體流過大量順向電流，此時二極體導通猶如短路一般，如圖1-3(b)所示。 三、逆向偏壓 當P型半導體接電源的負極，N型半導體接電源的正極，即形成逆向偏壓，如圖1-4(a)所示。 (a)電路圖 (b)等效圖 圖1-4　二極體施加逆向偏壓 在逆向偏壓的情形下，由於N型半導體中的自由電子（多數載子）受到電源的正電壓吸引而遠離接面，使得N型半導體在接面附近產生更多的正離子；同樣地，在P型半導體中的電洞（多數載子）也會受到電源的負電壓吸引而遠離接面，使得P型半導體在接面附近產生更多的負離子。由於正負離子的增加，使得空乏區的寬度變寬，障壁電位上升。 因此我們可以得到以下的結論： 1. 當二極體施加逆向偏壓時，空乏區的寬度變寬，多數載子無法越過PN接面產生大量的電流，此時二極體截止猶如斷路一般，如圖1-4(b)所示。 2. 逆向偏壓對少數載子而言會形成順向偏壓，所以會產生微量的電流，稱之為逆向飽和電流或漏電流，一般以或表示，溫度每上升10℃，逆向飽和電流就會增加一倍。 3. 當逆向偏壓不斷地增加直到超過二極體所能承受的電壓時，二極體會產生崩潰而燒毀，此時的逆向電壓稱之為逆向峰值電壓(Peak Inverse Voltage;簡稱PIV)或崩潰電壓(Breakdown Voltage;簡稱)。 1-2 二極體之V-I特性曲線 1-2-1 二極體的V-I特性曲線 圖1-5是二極體的V-I特性曲線，以下將區分為順向特性與逆向特性來說明： 圖1-5 二極體的V-I特性曲線 順向特性： 當順向偏壓小於障壁電壓時，二極體只有微小的順向電流流過，此時二極體截止猶如斷路一般