單元四二極體與稽納二極體特性.doc

單元五 二極體與稽納二極體 5 - 17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( Reverse saturation current )，即為IS。 圖5-1 PN接面順偏下電子與電洞之移動 圖5-2 PN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5-4 PN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( Breakdown voltage )，如圖5-4所示。這種崩潰叫累增崩潰( Avalanche breakdown )。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( Saturation current )，或比例電流( Scale current )。在(5-1)式中，電壓是一個常數稱為熱電壓( Thermal voltage )：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，VT<<ïVï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-in voltage )。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1M±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-Y Mode ”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)0.10.30.50.81.42.03.05.07.510.015.017.520.0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)51015202530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( Dynamic characteristic )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-Y Mode”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1/41/2。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( Dynamic resistance )，是Zener二極體在操作點的增量電阻( Incremental resistance )，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(Z)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57V之間，且工作於適當的電流範圍(1mA2mA)時，則Zener電壓的溫度係數，接近於零。這是因為介於57V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-Y Mode”測量Zener稽納二極體的V-I特性曲線。注意：用“X-Y Mode”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z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5-17 Zener二極體特性曲線測試圖5-18 Zener二極體溫度係數測量三. 結果數據圖5-19 Zener二極體特性曲線實驗結果表5-3 Zener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( Shunt regulator )。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=10 V，IZK=5 mA，PD(max)=1/2 Watt。圖5-20 Zener二極體穩壓例題【Sol】在Zener二極體截止時VRLVZ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1kW，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5-21 Zener二極體穩壓實驗電路圖三. 結果數據表5-4 Zener二極體於負載變動時之穩壓效果RL5 kW4 kW3 kW2 kW1 kW測量值RL(min)計算值RL(min)VoVV(%)表5-5 Zener二極體於電源變動時之穩壓效果 RL= WVS15 V14 V13 V12 V10 V9 VVoVV(%)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0.7 V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-Y Mode”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5-27 V-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：