单元四二极体与稽纳二极体特性.docx
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单元四二极体与稽纳二极体特性
單元五二極體與稽納二極體特性
實習5-1:
二極體的V-I靜態特性曲線與溫度特性
一.相關原理
對於一個PN接面二極體而言,其物理操作可分為兩部份:
(A)順向偏壓
如圖5-1,加順向電壓於PN接面時,接面兩端電位將下降,使得V的正端推斥P型材料的電洞,負端推斥N型材料的電子,流過接面的電流包含兩個分量:
(1)傳導帶中的電子流(隨電子深入P型材料的程度而遞減)。
(2)價電子能帶中的電洞流(隨電洞深入N型材料的程度而遞減)。
電子流與電洞流在空乏區的中心約相等,但於圖5-2中,除了此多數載子的主要電流,尚有少數載子產生的微小電流,但可忽略之。
(B)逆向偏壓
如圖5-3,加入逆偏時,會增加位障電壓而阻止多數載子的流動。
但少數載子不受能障壁的影響,因此P型傳導帶中的自由電子被V推斥而通過接面,N型中的電洞亦如此。
圖5-4是反向特性曲線,只要有很小的反向偏壓,就能使少數載子通過接面,形成電流,雖然偏壓再增加,都無法使電流再增加,此電流為逆向飽和電流(Reversesaturationcurrent),即為IS。
圖5-1PN接面順偏下電子與電洞之移動圖5-2PN接面的電流分量
圖5-3二極體符號表示PN接面逆向偏壓圖5-4PN接面的反向特性
當外加反向偏壓於
接面達一極限時,少數載子獲得足夠的能量,與原子碰撞時會破壞共價鍵,而產生電子對,這些電洞與電子再從反向偏壓獲得足夠的能量,再與其它原子碰撞,因此造成更多之共價鍵被破壞,逆向飽和電流迅速增加,此時的反向電壓叫崩潰電壓(Breakdownvoltage),如圖5-4所示。
這種崩潰叫累增崩潰(Avalanchebreakdown)。
PN接面二極體其電流I與端電壓V間的關係式為
(5-1)
其中
在定溫下為常數,稱為飽和電流(Saturationcurrent),或比例電流(Scalecurrent)。
在(5-1)式中,電壓
是一個常數稱為熱電壓(Thermalvoltage):
其中K=波茲曼常數=1.38×10-23焦耳/oK。
=絕對溫度,以oK表示=273+攝氏度數。
q=電子的電量大小=1.602×10-19庫倫。
室溫時(20℃),VT=
,通常使用
作快速分析。
二極體順向偏壓時,(5-1)式的V為正值,此時電流I亦為正值,代表電流由P型半導體流向N型半導體,大小隨順向偏壓作指數增加;當二極體逆向偏壓時,V為負值,VTV時,二極體的電流I等於-IS,由N型流向P型。
其V-I特性曲線如圖5-5所示。
二極體順向偏壓時,電壓超過某一定值Vr,電流會顯著的隨電壓快速增加,此電壓Vr稱為二極體的切入電壓(Cut-involtage)。
在溫度T=25℃下,矽二極體約為
。
反向飽和電流IS是由少數載子所形成,當接面半導體受熱時,會產生更多的電子對,使少數載子的數目增加,因而使IS增加。
使IS增加的因素除了溫度之外,當然還有摻雜雜質的濃度及接面面積,但以受外界溫度的影響為最大。
溫度對於二極體反向特性曲線的影響可以說,溫度每增加10℃,IS增加一倍。
在順偏工作之下,順向電流IF亦會受溫度的影響,如圖5-6(a):
外加順偏
固定時,
會隨溫度之增加而增加;又如圖5-6(b):
固定時,溫度上升,所需的順偏比溫度未增加時還低。
圖5-5實際矽接面二極體的V-I關係
(a)(b)
圖5-6順向特性曲線與溫度的關係
二.實習步驟
工作一:
二極體順向、逆向偏壓與電流之特性曲線
(1)如圖5-7所示接線。
(2)改變可變電阻VR,即可改變順向二極體電流
,由示波器
檔量測二極體上之順向電壓VF。
(3)在量測時,VR應先調至最大值,使電流表值為最小,然後依表5-1所需之電流值,調整減少VR,並記錄示波器之電壓於表5-1中。
(4)由表5-1之數據描繪二極體之順向電流—電壓特性曲線於圖5-10中。
(5)電路改接成如圖5-8之逆向偏壓接線。
(6)當電源電壓增加時,逆向電流亦會隨著增加,因此示波器輸入阻抗(約1MΩ±2%)上之電壓降
亦隨著增加,反向電流IR即可由IR=V/Rin求出。
由於
很小,因此示波器輸入端上之電壓V也就很小,故二極體之逆向電壓
即可視為電源電壓,即VR=E。
(7)測試時,示波器應置於
檔約10mV/DIV處。
爾後電源由零伏特逐漸調升,依表5-2所示測出逆向電流IR=V/Rin,然後將表5-2中之結果亦描繪於圖5-10中。
(8)由表5-1,5-2連接而成圖5-10,即為二極體V-I特性曲線,試與圖5-5之理論曲線比較,兩者有何差異?
圖5-7二極體順向偏壓實驗電路
圖5-8二極體逆向偏壓實驗電路
工作二:
二極體的V-I靜態特性曲線
(1)按圖5-9接妥電路。
其中交流電壓10V(rms)可由變壓器提供,或以函數產生器之弦波輸出提供。
(2)示波器選擇“X-YMode”及“DC”訊號顯示,調整position而定出原點。
(3)適當的調整兩個CH的Volt/Div,使曲線顯示在CRT上。
(4)把圖形以實線描繪在圖5-11中,並標示V-I座標軸之電壓電流值。
(5)用吹風機﹑烙鐵或打火機加熱二極體,觀察CRT上的曲線變化情形,並將曲線以虛線繪於圖5-11中。
(6)比較圖5-11中實線與虛線之變化,確認是否與理論相吻合。
圖5-9二極體V-I靜態特性曲線實驗電路
三.結果數據
表5-1二極體順向偏壓實驗數據
電流表之電流(mA)
0.1
0.3
0.5
0.8
1.4
2.0
3.0
5.0
7.5
10.0
15.0
17.5
20.0
示波器上之電壓(V)
表5-2二極體逆向偏壓實驗數據
電源電壓E=VR(V)
5
10
15
20
25
30
示波器上之電壓(mV)
IR=V/Rin(nA)
圖5-10二極體順、逆向偏壓與電流特性實驗結果
圖5-11二極體V-I靜態特性曲線實驗結果
實習5-2:
二極體動態曲線測試
一.相關原理
二極體的靜態特性曲線與負載線的交點(iA,VA),即代表輸入電壓Vi及負載RL時,二極體所通過的電流iA及其壓降VA。
當輸入電壓變換時,負載線的斜率(-1/RL)保持不變,但會隨輸入電壓Vi的變化而平移如圖5-11所示。
將不同的輸入電壓Vi及通過二極體的電流i繪出其交點的軌跡,我們可得如圖5-12所示的
曲線,此曲線稱為二極體的動態特性(Dynamiccharacteristic)曲線。
如果將動態特性曲線的電流乘以RL,則輸出電壓Vo與輸入電壓Vi之間的關係曲線,即轉換特性曲線就可以畫出了。
圖5-12二極體動態特性曲線之求法
二.實習步驟
(1)按圖5-13接妥電路,其中交流電壓10V(rms)可由變壓器提供,或以函數產生器之弦波輸出提供。
示波器CH1量的電壓為Vi,CH2量的電壓為VO。
(2)示波器選擇“X-YMode”及“DC”訊號檔,適當調整兩個CH的Volt/Div鈕,使曲線顯示在CRT上。
(3)把圖形描繪在圖5-14中,標示V、I座標軸電壓電流值。
(4)比較圖5-14與二極體之Vi-Vo轉移特性曲線,兩者有何異同之處?
為什麼?
圖5-13二極體VI特性曲線之量測
三.結果數據
圖5-14二極體動態特性曲線實驗結果
實習5-3:
稽納二極體的特性曲線與溫度特性
一.相關原理
一般二極體,順向偏壓時導通,如同短路(壓降、阻抗均甚小);逆向偏壓時截止,如同開路。
而稽納(Zener)二極體順向偏壓時亦導通如同短路;逆向偏壓時,當逆向電壓值在某一特定電壓(崩潰電壓)以下,仍如同一般二極體截止開路,但當逆向電壓大於該特定電壓時,Zener二極體又開始導通,不過此時並非如同短路,而是於其上有近乎固定之特定電壓壓降,故Zener二極體主要用於穩壓電路,且通常操作於逆向偏壓區。
圖5-15所示為Zener二極體的電壓電流特性及符號,順向特性與一般順向偏壓二極體一樣,逆向偏壓有下列各主要點:
VZ:
Zener崩潰電壓。
IZT:
測量Zener電壓的測試電流,一般為IZ(max)的1/4~1/2。
IZK:
膝點電流,即能維持Zener電壓的最小電流。
IZ(max):
最大Zener電流,此電流受Zener二極體最大容許功率消耗PD(max)所限制。
,ZZT為Zener動態阻抗(Dynamicresistance),是Zener二極體在操作點的增量電阻(Incrementalresistance),幾為V-I特性曲線的斜率倒數。
ZZT之值愈低,Zener電壓在其電流改變時愈能維持於一固定值,因而其性能將變得更理想。
(a)V-I特性曲線(b)符號
圖5-15稽納二極體
對於不同的Zener二極體電壓準位而言,溫度係數可以為正,也可以為負,甚至為零。
正溫度係數表示VZ是隨溫度的升高而增加,而負溫度係數則表示VZ是隨溫度的增高而減少。
溫度係數(αZ)為溫度變化攝氏一度時,所造成參考電壓變化的百分比,其關係式為
(1)Zener電壓在5V以下時,不管工作電流的大小,Zener電壓的溫度係數為負值,主要是由Zener效應所造成。
(2)Zener電壓在7V以上時,其溫度係數為正值,主要由累增效應所造成。
(3)假若Zener電壓在5~7V之間,且工作於適當的電流範圍(1mA~2mA)時,則Zener電壓的溫度係數,接近於零。
這是因為介於5~7V之間的Zener二極體剛好同時具有Zener效應與累增效應,使Zener電壓的溫度係數正負變化相互抵消。
如果確定所用的Zener二極體為正溫度係數時,可用一負溫度係數的二極體與其串聯,使得整體的溫度係數減少,如圖5-16所示,這樣可使電壓更為穩定。
圖5-16二極體的溫度補償方法
二.實習步驟
(1)按圖5-17所示接妥電路.
(2)用示波器“X-YMode”測量Zener稽納二極體的V-I特性曲線。
注意:
用“X-YMode”時,需先定出原點座標才可以正確的描出其V-I特性曲線,將曲線圖描繪於圖5-19中,並註明其座標值。
(3)若使用之Zener瓦特數不到1/2W,則略提高可變電阻值。
(4)將電路改接成圖5-18。
(5)用電烙鐵或吹風機加熱至Zener二極體上大約數十秒,觀察Vz電壓指示的變化。
(6)比較加熱前後兩次電壓指示值,即可得知選用的Zener二極體具有何種溫度係數,並將求得之值記錄於表5-3中。
(7)如圖5-16串聯一個二極體於Zener二極體之上,重覆(5)~(6)步驟,並將所得結果記錄於表5-3中,比較串聯二極體前後之結果。
圖5-17Zener二極體特性曲線測試
圖5-18Zener二極體溫度係數測量
三.結果數據
圖5-19Zener二極體特性曲線實驗結果
表5-3Zener二極體溫度特性與補償
加熱前電壓
加熱後電壓
何種溫度係數
單純Zener二極體
Zener串聯二極體
實習5-4:
Zener二極體負載穩壓情形
一.相關原理
Zener二極體的主要用途為穩壓,在此情況下,負載電阻器接於Zener二極體的兩端,為分流穩壓器(Shuntregulator)。
Zener二極體唯有在崩潰區內工作,才有能力使負載兩端的電壓穩定,此時Zener二極體必需確保流過Zener的電流大於IZK和小於IZ(max),並儘可能不要讓Zener二極體工作在IZK附近,以免造成VZ電壓因電源電壓的降低而失去穩壓作用及造成很大的雜訊。
穩壓器之功能為:
即使電源電壓變動或負載電流、電阻有變化之情況下,仍儘可能提供輸出電壓或負載電壓維持不變,以簡單例題說明穩壓器之功用。
【例5-1】如圖5-20所示,求RL在多少歐姆範圍內變動,尚可保持負載電阻端電壓於10伏特?
其中Zener二極體的規格為VZ=10V,IZK=5mA,PD(max)=1/2Watt。
圖5-20Zener二極體穩壓例題
【Sol】在Zener二極體截止時
VRL>VZ
所以粗略判斷Zener在穩壓狀態
Zener二極體動作時,電源提供電流
如果R改成1k,則
此時I比Zener二極體所容許的最大電流50mA還小。
所以RL(max)=∞(用公式算,得RL(max)為負值),RL=∞即表示負載拔掉的情況,Zener二極體也不至於燒毀。
二.實習步驟
(1)按圖5-21所示接妥電路。
(2)依表5-4調整可變電阻,看示波器電壓指示值之變化情形,並將△V=Vo-VZ,△V(%)=△V/Vz記錄於表5-4中。
(3)當Zener無法穩壓於VZ時,此時之RL值即為RL(min),並將RL(min)與相關原理計算方法所算出的RL(min)值記錄於表5-4中。
(4)固定RL電阻值,依表5-5調整電源電壓,看示波器電壓指示值變化情形,並記錄於表5-5中。
圖5-21Zener二極體穩壓實驗電路圖
三.結果數據
表5-4Zener二極體於負載變動時之穩壓效果
RL
5k
4k
3k
2k
1k
測量值RL(min)
計算值RL(min)
Vo
△V
△V(%)
表5-5Zener二極體於電源變動時之穩壓效果RL=
VS
15V
14V
13V
12V
10V
9V
Vo
△V
△V(%)
實習5-5:
電晶體當稽納二極體使用
一.相關原理
二極體與BJT均可以作為Zener二極體使用,要把電晶體當作Zener二極體使用,首先應測知其等效的Zener額定:
(一)先決定Zener崩潰電壓VZ
如圖5-22所示為測量電晶體E-B或C-B間稽納電壓的方法。
在測試時,首先將電源供應器轉至最低輸入電壓,然後再緩慢增加,同時一面注意電壓表的讀數,在開始時,電壓表的讀數隨可變電源器輸出的電壓的上昇而上昇,到了某一點,不管可變電源器輸出電壓的繼續上昇,電壓表讀數仍然保持不變,這一點電壓,即是該電晶體的E-B或C-B的稽納電壓。
(二)再決定稽納的最大崩潰電流IZ(max)
IZ(max)
其中PD(max)為電晶體的最大消耗功率額定。
除了電晶體外,普通二極體亦可當成稽納二極體來使用,不同的是二極體是應用在順偏,其使用方法如圖5-23所示。
其中VF約為0.7V左右。
由於二極體的順向V-I曲線為一指數曲線,而非像稽納二極體的反向特性曲線為趨近於垂直,所以二極體的動態阻抗較稽納二極體的動態阻抗高,是故利用二極體串聯而得的稽納二極體的穩壓效果不甚良好。
(a)E-B稽納電壓(b)C-B稽納電壓
(c)B-E稽納電壓(d)B-C稽納電壓
圖5-22電晶體等效稽納二極體
圖5-23以矽二極體作為稽納二極體
二.實習步驟
(1)分別按圖5-24(a)、(b)所示接妥電路,其中交流電壓10V(rms)可由變壓器提供,或以函數產生器之弦波輸出提供。
(2)用示波器
測量電晶體B-E間的稽納特性曲線,並將其曲線以實線與虛線分別繪於圖5-25中。
(3)比較圖5-25之實驗結果與實際Zener二極體特性曲線(實驗5-3)之差異,並說明為甚麼?
(a)NPN(b)PNP
圖5-24電晶體當稽納二極體使用之實驗電路
三.結果數據
圖5-25電晶體當稽納二極體使用之實驗結果
問題討論
1.用示波器“X-YMode”測稽納二極體的V-I特性曲線,分別如圖5-26(a)、(b)所示,則在CRT上可呈現的曲線分別應如何?
差異之原因何在?
2.測V-I靜態特性曲線,如果CH1的Volt/Div鈕切換到低電壓/每格時,CRT上V-I曲線的順向偏壓區會呈現不重合現象,如圖5-27所示,為什麼?
3.說明溫度對二極體的順向偏壓VF和IF有何影響?
4.一穩壓電路如圖5-28所示,求出其輸出電壓。
5.假設手邊所用的Zener二極體為負溫度係數,試設計一方法抵消此一負溫度係數之特性,而使穩壓後之電壓不受溫度之變化而受影響。
6.試說明稽納電壓與溫度係數的關係為何,並解釋之。
7.實習5-1中,實驗結果之圖5-10與圖5-11同為二極體V-I靜態特性曲線,兩者為何不同?
試說明原因。
圖5-26稽納二極體V-I特性曲線測量圖
圖5-27V-I靜態特性曲線
圖5-28並聯雙稽納二極體穩壓電路
實習心得:
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- 单元 二极体 特性