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1、Chapter 3二極體特性及應用二極體特性及應用 1本章重點一覽3.1穩壓元件穩壓元件 理想的穩壓元件特性理想的穩壓元件特性 3.2二極體元件特性二極體元件特性 正向偏壓正向偏壓 反向偏壓反向偏壓 導通電壓導通電壓 3.3二極體穩壓電路二極體穩壓電路 二極體穩壓電路的限制二極體穩壓電路的限制 二極體穩壓電路的設計原理二極體穩壓電路的設計原理2本章重點一覽3.4 稽納二極體稽納二極體 崩潰狀態的利用崩潰狀態的利用3.5 發光二極體發光二極體 LED的電路設計的電路設計3.6 結語結語 33.1 穩壓元件 實際電路中，有時需要一固定的參考電壓實際電路中，有時需要一固定的參考電壓(Vref)作電路
2、動作的依據，其中得到參考電壓作電路動作的依據，其中得到參考電壓最簡單的電路如下圖最簡單的電路如下圖3.2，利用分壓定理得到，利用分壓定理得到需要的電壓值需要的電壓值缺點：容易受外界影響缺點：容易受外界影響 一一. 外接其他電路，外接其他電路， I2 = I1 - I o 又又 Vref = I 2R2 ，所以，所以I o的的 大小會很容易影響到大小會很容易影響到Vref二二. Vref 由由VCC決定，當電源決定，當電源 VCC本身不穩定時，本身不穩定時，Vref 就就 跟著變動。跟著變動。 圖3.2VCCI1R15KIoVrefI2R2接其餘電路1K43.1 穩壓元件 電阻電路提供的參考電壓
3、易受電流或電壓變電阻電路提供的參考電壓易受電流或電壓變動動 ，因為電阻是無穩壓能力的元件，因為電阻是無穩壓能力的元件理想中的穩壓元件：端電壓穩定，幾乎不隨理想中的穩壓元件：端電壓穩定，幾乎不隨電流改變，電流改變，I-V 特性如下圖特性如下圖3.3，只要電流不，只要電流不為零，端電壓就維持在導通電壓為零，端電壓就維持在導通電壓(VON) VVONI圖3.353.2 二極體元件特性 二極體由半導體製成，特性近似左下圖二極體由半導體製成，特性近似左下圖3.3，是一顆很好的穩壓元件。右下圖是一顆很好的穩壓元件。右下圖3.4是其電路是其電路符號，端為陽極，端為陰極，符號，端為陽極，端為陰極，箭頭顯示其方
4、向性，也是電流主要流動的方箭頭顯示其方向性，也是電流主要流動的方向向 VVONI圖3.3圖3.4IV 63.2 二極體元件特性 在二極體的陽極和陰極間加上一個電壓，其在二極體的陽極和陰極間加上一個電壓，其V-I關係為：關係為： IS ：反向飽和電流反向飽和電流(reverse saturation current)，由二極體，由二極體實際結構決定的定值實際結構決定的定值 n ：介於：介於1和和2之間的常數，通常取之間的常數，通常取n = 1 VT ：thermal voltage，在常溫下，在常溫下VT 25mVV0 表示陽極電位高於陰極，為表示陽極電位高於陰極，為正向偏壓正向偏壓(forwa
5、rd bias)；V0 時，電流由陽極流向陰極，其時，電流由陽極流向陰極，其中大約分為兩個狀態中大約分為兩個狀態一一. V0.5V：電流隨電壓變動而快速上升；：電流隨電壓變動而快速上升；因為因為I-V特性成指數關係，且特性成指數關係，且VT很小很小區分兩種狀態的電壓稱為區分兩種狀態的電壓稱為切入電壓切入電壓 Vcut-in (cut-in voltage)，約等於，約等於0.5V83.2 二極體元件特性 典型的二極體典型的二極體V-I關係曲線關係曲線見右圖見右圖3.5Vcut-in ：切入電壓切入電壓(cut-in voltage)和理想的穩壓元件特性很類和理想的穩壓元件特性很類似，顯示二極體
6、可作為良好似，顯示二極體可作為良好的穩壓元件的穩壓元件分析、設計電路時，估算分析、設計電路時，估算(estimate)電壓電電壓電流的能力，遠比利用流的能力，遠比利用KCL配合元件特性解方配合元件特性解方程式，或電腦軟體模擬得到精確值，程式，或電腦軟體模擬得到精確值， 還重要還重要圖3.5VVcut-inI93.2 二極體元件特性 觀察二極體的觀察二極體的V-I特性曲線，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，開始導通，之後電流隨電壓增加快速上升，大約大約V = 0.8V時瀕臨極限時瀕臨極限一般合理的電路設計都不會讓一般合理的電路設計都不會讓V超過超過
7、0.8V 正常情況下，二極體的導通電壓正常情況下，二極體的導通電壓( VD(on)約介約介於於0.6V至至0.8V之間，一般假定之間，一般假定VD(on) = 0.7V，也就是，若判斷二極體導通，端電壓也就是，若判斷二極體導通，端電壓 = VD(on) = 0.7V 103.2 二極體元件特性 反向偏壓反向偏壓 V 0.7V稽納二極體稽納二極體(zener diode)，電路，電路符號如右圖符號如右圖VZ ：稽納電壓：稽納電壓(zener voltage)，就是，就是Vbreak 實用上通常將稽納二極體反向偏壓，故習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慣上其
8、電壓電流的標示和一般二極體相反 IVZ圖3.12203.4 稽納二極體 稽納二極體的稽納二極體的I-V特性曲線特性曲線如右圖如右圖3.7正向偏壓特性與一般二極正向偏壓特性與一般二極體相同，但反向崩潰電壓體相同，但反向崩潰電壓(Vbreak)遠低於一般二極體遠低於一般二極體，故成為實用的穩壓元件，故成為實用的穩壓元件以稽納二極體做為穩壓元件的優點，是可以以稽納二極體做為穩壓元件的優點，是可以簡化電路，提供穩定的參考電壓；不像以二簡化電路，提供穩定的參考電壓；不像以二極體為穩壓元件時，需要的電壓較大就需要極體為穩壓元件時，需要的電壓較大就需要大量的二極體大量的二極體圖3.7 VIVbreakVcu
9、t-in213.4 稽納二極體 外加反向電壓外加反向電壓 VZ：稽納二極體維持：稽納二極體維持 VZ的壓的壓降，電流則由電路決定降，電流則由電路決定 例例 4.圖圖3.13中假定中假定VZ = 2V，R1 = 10K ，若，若(1) R3 = 5K ；(2) R3 = 1K ，請分別計算稽，請分別計算稽納二極體上的電壓電流納二極體上的電壓電流 圖3.1312VR1VrefR3VZ223.4 稽納二極體 稽納二極體在崩潰區間稽納二極體在崩潰區間V-I關係的特性關係的特性 VZ0：瀕臨崩潰的臨界電壓：瀕臨崩潰的臨界電壓 Z是一個小電阻，數值通常是一個小電阻，數值通常很小，反映很小，反映VZ 隨隨I
10、Z 的變化的變化VZ隨隨IZ 的變化不大，的變化不大，在精確的穩壓電路設在精確的穩壓電路設計中才需考慮計中才需考慮 Vz0IV斜率圖3.15233.4 稽納二極體 例例 5. 圖圖3.14的穩壓電路中，假的穩壓電路中，假定定 Z = 10 ，VZ0 = 3V，R = 1K (1) 假如假如IL = 2mA，而，而VCC的變動範圍為的變動範圍為6V至至14V，請估算請估算VCC變動對變動對VZ的影響的影響(2) 假如假如VCC = 10V，而，而IL的變動範圍為的變動範圍為0 mA至至3mA，請估算，請估算IL變動對變動對VZ的影響的影響 (3) 假如假如VCC 的變動範圍為的變動範圍為6V至至
11、14V，IL的的變動範的的變動範圍為圍為0 mA至至3 mA，請設計，請設計R使得任何時候使得任何時候IZ 皆大於皆大於1 mAVz0IV斜率圖3.15243.5 發光二極體 發光二極體發光二極體(Light Emitting Diode, LED)，可，可作為小型顯示器作為小型顯示器LED的的I-V特性曲線和一般特性曲線和一般二極體類似，見右圖二極體類似，見右圖3.17唯一不同的是，唯一不同的是，LED的導的導通電壓通常在通電壓通常在1V以上，因以上，因為所用材料不同，不是矽為所用材料不同，不是矽半導體，而是能發光的物質半導體，而是能發光的物質圖3.17VI1.5V253.5 發光二極體 L
12、ED的工作原理的工作原理 ：二極體導通時，會有大量：二極體導通時，會有大量電子與電洞結合，過程會釋放能量；電子與電洞結合，過程會釋放能量；LED因因為材料的緣故，以光的形式釋放；由於電子為材料的緣故，以光的形式釋放；由於電子數目與電流成正比，所以數目與電流成正比，所以LED發光強度和電發光強度和電流成正比，如下圖流成正比，如下圖3.16 IP圖3.16 P：輸出光功率輸出光功率 I ：電流電流 斜率由斜率由LED的材料及結的材料及結 構所決定構所決定 263.5 發光二極體 LED 電路設計電路設計電阻電阻 R 可以決定可以決定LED的電流的電流 ( 與亮度有關與亮度有關 ) 圖3.19R9V27
