二極管的動作特性及應用

  &n☂bsp; 二極管屬于半導體元件的一種,應用在一般電子電路的半導體,依照性質的不同可以分成P型與N型兩種,如果利用P型→N型性質改變所構成的PN接合,就可以制作二極管(Diode)元件,除此之外使金屬與半導體接觸,利用Schottky接合的電氣特性,同樣可以制作二極管元件。二極管具備兩個端子,它的外形隨著用途的不同有許多形狀,不過基本上二極管的工作原理卻完全相同。本文要介紹二極管的基本功能,同時針對汎用二極管進行模擬分析,藉此探討二極管動作時的電流與電壓決定方法。

二極管的工作原理

    表1是目前常用二極管的特性與分類一覽;圖1是利用萬用電壓源VSRC,對汎用小信號二極管施加直流電壓的測試電路;圖2是針對二極管以0.01V為刻度,從-2V到+2V對二極管兩端施加電壓V_D時,利用DC模擬分析電流I_D的結果,根據分析結果可知電壓V_D低于0.6V時I_D接近零,電壓V_D一旦超過0.6V的話,正向(從正極朝負極方向)電流會急遽涌現,類似這ꦫ樣的電流流🅠動特性我們稱它為「電流單向流動特性」。

    正向流動的電流稱為「順向電流I_F」 (F表示Forward),接近零的負向流動電流則稱為「逆向電流I_R」(R表示Reverse),順向電流流動時發生的電壓稱為「順向電壓V_F」,逆向電流流動時發生的電壓稱為「逆向電壓V_R」。

表1 二極管的特性與分類

圖1 檢測二極管電壓-特性的模擬電路

圖2 二極管的電壓、電流特性

    圖3是利用上述相同模擬方式,計算二極管從V_D到I_D的等價性阻抗R_D,依此描繪的座標圖,必需注意的是圖中的縱軸為對數刻度,以及V_D = 0V時出現的計算誤差。由圖可知R_D是以V_D = 0.6V為界線,如果V_D < 0.6V時,等價性阻抗R_D會急遽升高接著迅速降低,這種現象若以機械開關作比喻,R_D很高時如同開關的接點呈OFF狀態, 很低時開關的接點則變成呈ON狀態,換句話說二極管可以從外部控制兩端發生的電壓,進行無接點的開關(Switch)動作。

圖3 二極管兩端的電壓超過0.6V時的特性

    圖4的測試電路先將二極管D₁串聯1KΩ電阻接著連接電壓源V₁;圖5是對二極管的兩端以0.01V為刻度,從-5V到+5V施加電壓 ,接著再用DC進行模擬分析獲得的結果,由圖可知由于二極管的V₁在-5V ~ +0.6V之間為OFF,測試電路幾乎沒有電流流動,因此V₁的電壓變成直接施加狀態,亦即V_D = V₁,不過V₁一旦超過+0.6V二極管會成為ON狀態,V_D = V₁的關系立即消失成為+0.6V一定值,由此可知二極管ON時,兩端產生的電壓V_F與電流無關,它幾乎是呈一定值的定電壓元件。

    雖然V_F值隨著二極管的種類與順向電流改變,不過一般小信號硅二極管元件的V_F 0.6V,大功率的場合V_F 0.8V。

圖4 二極管與電阻串聯的電路

圖5 二極管的順向電壓即使超過0.6V時的特性

    圖4的二極管順向電流I_F是電阻產生的電壓從V₁減掉V_F的結果,它可以用下式表示:

    圖6是用圖5相同條件改變V₁,依此進行二極管電流模擬分析所獲得的結果,圖中「×」表示式(1)計算式之中,V_F = 0.6V時的順向電流,根據模擬分析的結果顯示它與計算值非常接近,換言之利用式(1)可以輕易求得二極管的順向電流。