实习三二极体之特性与应用Word格式文档下载.docx

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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（DepletionRegion）。

2.在空乏區內由正負離子所形成的電位差稱為障壁電壓（BarrierPotential）或膝點電壓（KneeVoltage;

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。

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。

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。

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（PeakInverseVoltage;

簡稱PIV）或崩潰電壓（BreakdownVoltage;

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

1、順向特性：

1.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。

2.當順向偏壓大於障壁電壓時，二極體的順向電流IF呈指數型增加，此時二極體導通猶如短路一般，而二極體的順向電流IF如公式1-1所示。

公式1-1

其中

為逆向飽和電流

為二極體兩端的電壓

矽質

，鍺質

為

二、逆向特性：

1.當逆向偏壓未超過崩潰電壓

時，二極體只有微小的逆向飽和電流流過，此時二極體截止猶如斷路一般。

一般而言，矽二極體的逆向飽和電流

約為

，鍺二極體的逆向飽和電流

。

2.當逆向偏壓超過崩潰電壓

時，二極體會產生崩潰而燒毀。

一般而言，矽二極體的崩潰電壓

約為-250V，鍺二極體的崩潰電壓

約為-40V~-50V。

1-2-2二極體的規格與電氣特性

當我們在使用二極體時，必須對二極體的一些重要電氣特性加以了解，如此在使用二極體時，才不會對電路或其他元件造成不良的影響。

一、最大順向電壓VF（max）

在額定的電流與溫度之下，二極體兩端所能承受的最大順向電壓，一般約為1V左右。

二、最大順向電流IF（max）

在額定的溫度之下，二極體所能流過的最大順向電流，一般約為1mA至數百mA之間。

三、最大逆向峰值電壓PIV

在額定的溫度之下，二極體兩端所能承受的最大逆向峰值電壓，一般約為25V至200V之間。

四、最大逆向飽和電流IR（max）

在額定的溫度之下，二極體所能流過的最大逆向飽和電流，一般約為1μA以下。

五、最高工作溫度

二極體的工作溫度會影響其特性，因此必須限定其工作時的溫度，以確保電路的工作正常。

一般而言，矽的最高工作溫度約為200℃，鍺的最高工作溫度約為75℃。

六、最大消耗功率PD（max）

二極體的工作電壓與工作電流的乘積稱之為消耗功率，而二極體所能承受的最大功率稱之為最大消耗功率。

一旦二極體的消耗功率超過其最大消耗功率，則二極體便十分容易燒毀。

1-2-3二極體量測

一、二極體好壞的判別

步驟1　將三用電表撥至

檔，並做好零調整與零歐姆調整。

步驟2　將三用電表的黑色測試棒接至二極體的P極接腳，紅色測試棒接至二極體的N極接腳，稱之為順向偏壓，如圖1-6（a）所示。

反之，則稱之為逆向偏壓，如圖1-6（b）所示。

（a）順向偏壓（b）逆向偏壓

圖1-6二極體量測圖

步驟3　根據表1-2所示，測量二極體並判斷符合哪一種狀況，即可判斷出二極體是否良好。

表1-2二極體好壞的判別

狀況

順向偏壓

逆向偏壓

判斷結果

1

指針偏轉（導通）

指針未偏轉（截止）

良好

2

短路（損壞）

3

開路（損壞）

二、矽質或鍺質二極體的判別

檔，做好零調整與零歐姆調整，並先判斷二極體為良好。

步驟2　將三用電表的黑色測試棒接至二極體的P極接腳，紅色測試棒接至二極體的N極接腳，如圖1-6（a）所示。

步驟3　觀察三用電表指針在LV刻度中指示的數值，並根據表1-3所示，判斷二極體屬於哪一種材料。

表1-3二極體材質的判別

材料

LV刻度指示的數值

0.6V~0.7V

鍺質

0.2V~0.3V

2、

實習技能

實習項目一以電路模擬來瞭解二極體的V-I特性曲線

步驟1：

依照圖1-7完成電路，VG1為電壓產生器（VoltageGenerator），AM1為電流表（AmpereMeter），D1為1N4001二極體（Diode）。

圖1-7

步驟2：

執行Analysis-->

DCAnalysis-->

DCTransferCharacteristic直流轉移特性分析，將出現圖1-8之對話盒。

圖1-8

二極體順向特性：

請在Startvalue填入起始值0V，在Endvalue填入終止值1V，在Numberofpoints填入插入點數501，輸入完成後按OK鍵執行分析。

步驟3：

執行分析後將得到圖1-9之二極體順向直流轉移特性。

圖1-9

請依照圖1-10調整電流刻度到適當的位置。

圖1-10

步驟4：

最後得到圖1-11二極體的順向直流轉移特性圖，請將二極體直流特性的結果依序量測後填入表1-4。

圖1-11

表1-4二極體順向電壓與電流量測

IF

0.2mA

0.4mA

0.6mA

0.8mA

1mA

2mA

4mA

6mA

8mA

10mA

20mA

VF（V）

步驟5：

DCTransferCharacteristic直流轉移特性分析，將出現圖1-12之對話盒。

圖1-12

二極體逆向特性：

請在Startvalue填入起始值-5V，在Endvalue填入終止0V，在Numberofpoints填入插入點數501，輸入完成後按OK鍵執行分析。

步驟6：

執行分析後將得到圖1-13之二極體逆向直流轉移特性，請將二極體直流特性的結果依序量測後填入表1-5。

圖1-13

表1-5二極體逆向電壓與電流量測

VR

1V

2V

3V

4V

5V

IR（

）

步驟7：

DCTransferCharacteristic直流轉移特性分析，將出現圖1-14之對話盒。

圖1-14

二極體崩潰特性：

請在Startvalue填入起始值-50.2V，在Endvalue填入終止值-49.8V，在Numberofpoints填入插入點數501，輸入完成後按OK鍵執行分析。

步驟8：

執行分析後將得到圖1-15之二極體崩潰直流轉移特性。

圖1-15

請依照圖1-16、圖1-17調整電流刻度到適當的位置。

圖1-16圖1-17

步驟9：

最後得到圖1-18二極體崩潰直流轉移特性圖，。

圖1-18

步驟10：

ControlObject-->

點選二極體，將出現圖1-19之對話盒，按Select鍵設定溫度範圍。

圖1-19

二極體溫度特性：

如圖1-20之對話盒，請在Startvalue填入起始值0度，在Endvalue填入終止值100度，在Numberofpoints填入插入點數3，輸入完成後按OK鍵。

圖1-20

步驟11：

DCTransferCharacteristic直流轉移特性分析。

將出現圖1-21之對話盒。

圖1-21

步驟12：

執行分析後，並調整電流刻度到適當的位置，將得到圖1-22之二極體溫度特性，請將二極體溫度特性的結果依序量測後填入表1-6。

圖1-22

表1-6二極體順向電壓與電流量測

IF=10mA

0℃IF=10mA

50℃IF=10mA

100℃IF=10mA