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1、二極體及基本二極體電路Semiconductor diode and the basic diode circuit(Correspondence with the text book: Section9.3、9.4、9.5) (壹)二極體及其電路性質二極體由個P型半導體及一個N型半導體背對背所組成。基本二極體電路特性：l順向偏壓時，P型半導體的電洞與N型半導體的電子對流，並在接合區中和，而形成持續電流。l逆向偏壓時，P型半導體的電洞與N型半導體的電子反向移動而離開接合區，造成接合區無電流載子，而無法形成持續電流。 = 形成單向導電之現象二極體之電路特性(右圖)。l其實，就算是順向偏壓時，電壓
2、仍需大於某個值(稱為開啟電壓約為伏特)方能啟動二極體。l受逆向偏壓時，逆向電流其實仍存在，但其值甚少。l當逆向偏壓大過某個定值時，逆向電流將急速增加，此種現象稱為二極體的崩潰，或曾納崩潰(Zener breakdown)。l總的來講，跟成非線性的函數關係，就如同圖上的曲線所顯現，這曲線就稱為二極體的特性曲線。l一般而言，二極體的特性曲線可分成四段線性區 - 為直線非線性區- 為曲線截止區 - 崩潰區 - (貳)二極體電路分析電路之圖解法跟負載線的觀念l考慮右上圖的電路，其中是電壓源、為負載、是某個電路元件，而我們想求解及。 =若為電阻，則答案為 及。 = 然而，若為一個二極體，則將不再跟成比例
3、，因此答案的計算將不會是這樣地直接。= 但不管是否跟成比例，上圖電路的答案都可以圖解法求之如下。l以圖解法求上圖的為電阻之時的答案元件(電阻)的特性公式可以用右圖的紅色直線(稱為的特性線)來表示 同裡，跟的物理條件也可用右圖的律色直線來表示大體上，稱為負載，因此稱為此電路的負載方程式，而代表的律色線也就稱為此電路的負載線最後，負載線跟特性線之交點即為答案。l為電阻之時，圖解法的答案的驗證答案即為右圖之及由電阻之特性方程式可得圖上紅色線的斜率為則由圖上abc跟bcd兩三角型共用bc線的關係，可得，所以因此， 及 二極體電路之圖解法l 基本理論當為一個二極體(右圖)，則其特性公式，也可以用其特性曲
4、線，也就是右下圖的藍色線，來代表。另一方面，跟的物理條件並未改變，因此代表的的藍色負載線維持不變此時，電路的答案仍然為負載線跟特性線之交點。l 題目變化之一：如果電壓源的電壓改變之時，電路的解會怎樣改變？或者，如果是負載的電阻改變之時，電路的解又會怎樣改變？基本上，減(增)等於是將負載線左(右)移動。至於改變則等於是將負載線的斜率(下圖)。l 題目變化之二：如果為交流電源，則及如何求解l為交流電壓()時的電路解-電路的非線性特點使得我們通常以圖解法求解。-首先，的交流變化將使得負載線做左右擺動。-因此，負載線與二極體特性曲線之交點也將隨著擺動。-最後的解如藍色線所示。 = 注意在之圖解法跟之時
5、相同。 二極體電路之直流偏壓與小訊號分析(A)問題的起源：(1)的解嚴重失真、(2)圖解法麻煩費時，如何改善？ =答案：在裡引進直流偏壓，如下所述。 (B)直流偏壓的引進l考慮當裡同時存在有直流及交流電壓，亦即 - 稱為電路的偏壓，而則稱為電路的輸入(或工作)訊號。l工作特性分析：在之時；此際電路的解為右圖上之Q點(即而)。變成是由負載線在Q點兩側的特性圖上左右移動來產生 (C)小訊號分析之構想l若我們在不變的情況下，將上述的漸漸增加，則電路的圖解狀況將如下頁圖一至圖三之結果l由圖上可以見到隨著的逐漸增加，的失真也得到改善，l到圖三之情況，即，則的失真也幾乎完全的解除。 - 此時，而也因此稱為
6、小訊號。【圖示二極體電路之直流偏壓與小訊號分析】【討論】1) 增加即等於將Q點右移2) Q點右移使得負載線的擺動範圍(深藍色粗線)也跟著右移3) 這使得負載線的擺動範圍有更多進入二極體特性線的直線部份，從而減少的失真情形4) 一直到整個負載線的擺動範圍都處在特性線的直線部份之後，的失真情形便幾乎完全消失。 二極體電路之小訊號分析與等效電路 (A)Q點的角色：的是否失真，端視負載線擺動的範圍是否為直線。由於Q點幾乎位於這個範圍的中點，因此Q點的位置決定了載線擺動的範圍，隨著也決定了是否失真。職是之故，Q點通稱為該電路的工作點。 (B)近似圖解與等效電路：l在之下右圖A幾乎等於右圖B.l圖B裡，二
7、極體的特性被近似為兩截式的直線l圖B為圖A之近似圖解l近似圖的解可以使用等效電路求得(如下圖)上圖的等效電路只用在，其中的二極體以電壓源及串聯電阻來近似。 = 為二極體導電後的有效電阻，其值為特性線斜率之倒數- 範例 -在右圖裡 且 ，求Q點以及- 由於且，因此可用近似圖求解，或者以等效電路求解 以近似圖(下圖A)求解： 首先，對任意的三角型ABC，若其兩斜邊之斜率分別為及，則下式成立：由紅色輔助圖得為三角型aQd的高，且aQ邊及Qd邊的斜率為及，因此另外，由圖A之藍色輔助圖可得最後，電流的答案為 以等效電路(下圖B)求解：交流負載線的觀念l問題：我們藉由負載線在Q點的左右擺動來求交流訊號的解
8、，然而負載線的使用，乃是要達成電路負載的方程式。照說，既然求的是交流訊號的解，則用來左右擺動以求解的負載線豈不應該是要反映電路負載的交流方程式才對？有時，電路的交流負載跟直流負載相同，此時前面的作法自然沒問題但常常地，同一個電路的直流負載跟交流負載會有不同，如右圖令、且-及分別代表及的交流部份則跟必須滿足：而跟則必須滿足：上例的直流負載為，而其交流負載則為。 - 因此我們稱 為電路的直流負載方程式 - 而稱 為電路的交流負載方程式在圖解法裡，負載線的斜率為將負載方程式取之值 - 對直流負載方程式而言，其負載線的斜率將為 - 對交流負載方程式而言，則其負載線的斜率為= 將出現兩種不同斜率的負載線
9、的斜率分別代表直流及交流的情況。這兩條負載線各有意義，並分別稱為直流負載線及交流負載線。 - 直流負載線：用於Q點的計算=Q點的計算為直流網路的問題 - 交流負載線：用於交流訊號的計算=交流訊號必須滿足交流網路方程式l交流負載跟直流負載不同之時，交流訊號之圖解步驟： 1)分別計算直流負載跟交流負載。 2)以直流負載線的斜率跟求出Q點。-亦即以為橫軸的截距，並以直流負載的負倒數為斜率畫直流負載線，此線跟二極體特性線的交點即為Q點， 3)以Q點為起點並以交流負載的負倒數為斜率劃交流負載線，直到它與橫軸相交，並令這個交點為C點。-這條線乃對應於的交流負載線-之所以從Q點起畫，是由於之時，因此這條交流
10、負載線必通過Q點 4)以C點為中心，讓交流負載線隨作左右擺動，擺動過程裡，交流負載線跟二極體特性線的交點即為交流電流的解。-注意我們是以C點的電壓來作為訊號的中間值，這是因為C點在交流負載線上，而所有交流訊號的解都必須在交流負載線上，以滿足交流負載方程式。注意：(a)交流電壓跟電流的解乃依據交流負載線來求得。 (b)交流負載線的左右擺動乃是以C點(而非點)為中心。l其他討論：負載線擺動的範圍將就交流負載線來認定，但這個範圍的中點仍然是直流工作點(Q點)只要上述的擺動範圍都在二極體的線性區，則將二極體近似為跟的等效電路仍適用 = 此時，及為等效電路的直流解，而及則為其交流解 =重疊原理- 範例
11、-右圖裡，求Q點及- 由於，可用近似圖求解或用等效電路求解 以近似圖(圖A)求解： 由紅色輔助圖得為三角型aQc的高，且aQ邊及Qc邊的斜率為及，因此另外，的交流部份將由圖A之藍色輔助圖求得。但此題之交流阻抗為，因此fd邊的斜率為，因此最後，電流的答案為 以等效電路(下圖B)求解：【附錄一：當直流負載不同於交流負載之時如何判斷？】 當電路的直流負載()不同於交流負載()之時，的擺動中心點為C點而非。此時想要用等效電路求解必須 若，則上述之的條件跟幾乎一致。 但若跟相差很大，則的達成須由下面的計算決定：l 首先，由三角型跟以及三角幾何可得l 將上式最右邊兩項移項後可得 l 另一方面來講，的達成可由的條件來得到保證l 因此，達成的條件將為 l 一般而言，且，因此達成的條件可近似為23
