特殊二极体.doc

3-1稽納二極體(Zener Diodes) 稽納二極體其圖形符號如圖3-1所示。稽納二極體是一種矽材料pn接面元件，其與整流二極體的差別在於專門選用其逆向崩潰區。稽納二極體崩潰電壓，是在製造時仔細地控制摻雜程度。當二極體達到崩潰時，其電壓幾乎不管電流得急驟變化，而仍維持定值，此種電壓電流特性是於圖3-2。 圖3-1 稽納二極體符號 圖3-2 一般二極體特性曲線3-1.1稽納崩潰(Zener Breakdown) 稽納二極體有兩種逆向崩潰現象，一種是在第一章內討論過的累增崩潰，這種現象也發生在整流二極體加上很高的逆向偏壓時；另一種則是發生在稽納二極體低逆向偏壓時的稽納崩潰，稽納崩潰是經大量摻雜降低了崩潰電壓，這種程序使空乏區變窄，其內部空乏區形成強電場，當逆向電壓接近崩潰接近崩潰電壓(Vz)時，電場即增強道將電子拉出價帶形成電流。稽納二極體的崩潰電壓小於5V，其動作主要由於稽納崩潰產生。若崩潰電壓約大於5V，則此類二極體動作主要由累增崩潰產生。此二種均稱為稽納二極體，商品化的稽納二極體崩潰電壓從1.8V到200V之間均有產品。 3 - 1第三章特殊二極体3-1.2崩潰特性(Breakdown Characterisics)圖3-3繪示稽納二極體的逆向特性曲線，請注意當逆向電壓(Vz)增大時，逆向電流(Ir)在曲線的膝點之前均維持著小極。在膝點時開始崩潰效應，使稽納電阻(Rz)開始減小而逆向電流(Iz)則急驟增大。由膝點開始崩潰電壓(Vz)幾乎維持著固定值，緊隨Iz增而稍微增加。這就是稽納二極體調整電壓的主要特徵。他能在特定的逆向電流範圍之內，維持其端子兩端所跨的定值電壓。 圖3-3 稽納二極體逆向特性曲線3-1.3稽納二極體等效電路(Zener Equlvalent Circuit) 圖3-4(a)所示為逆向崩潰的稽納二極體理想近似圖，就像一只電壓等於稽納電壓的電池。圖3-4(b)則表示實際的稽納等效圖，圖內已包括了稽納電阻Rz，由於電壓曲線並非理想的垂直線，小量逆向電流的變化會引起小量的稽納電壓變化，如圖3-4(c)所示。其Vz與Iz的比值即為此項電阻，表之如下式： Rz=Vz/Iz 3 - 2第三章特殊二極体圖3-4 稽納二極體等效電路一般而言，Rz由特定的逆向電流IzT所決定，稱為稽納測試電流。大體上，Rz之值在整個逆向電流區內均為定值。 3-1.4溫度係數(Temperature Coefficient) 溫度係數是溫度每變化1時所對應的稽納電壓百分率變化。3-2稽納二極體的應用(Zener Diode Applications)3-2.1輸入電壓變動的輸出電壓調整(Output Voltage Regulation with A Varying Input)當輸入電壓改變時(在限制範圍內)，稽納二極體兩端子會維持定值電壓。但是VIN改變會使Iz隨著改變，所以輸入的變化範圍，受到稽納二極體額定的工作電流上下及值(Izk及IZM)所限制。3-2.2負載變動的電壓調整(Voltage Regilation with a Varying Load)圖3-5所示為稽納二極體調整器，其端子跨接一可變的負載電阻。當稽納電流介於IZK和IZM之間，稽納二極體均能維持跨於RL兩端的電壓為定值，此稱為負載調整(load regulation) 3 - 3第三章特殊二極体圖3-5 可變負載的稽納電壓調整器3-2.3無滿載至滿載(No Load to Full Load) 當輸出端開路時(RL=)，負載電流為零，而電流完全流經稽納二極體。當連接負載電阻後，則總電流會分成部分流過稽納二稽體，部分流過負載電阻RL。若RL減小時，IL會增大而IZ減小。稽納二極體的調整作用會維持到IZ小於其下限值IZX，此時的負載電流為最大值。3-2.4電壓調整率(Percent Regulation) 電壓調整率為電壓調整器的性能指標，可分為輸入(線)調整及負載調整。輸入調整率表示輸入變化所引起的輸出電壓變化的百分比：輸入(線)調整率=VOUT/VIN*100% 輸入調整率則表示負載電流的變化範圍，通常由最小(無載)到最大(滿載)間，輸出電壓的變化率=(VNL-VFL)/VFL*100%其中VNL表無載下的輸出電壓，VFL表滿載時的輸出電壓。 3 - 43-2.5稽納限幅(Zener Limiting)稽納二極體在交流應用方面，可用來限制電壓擺幅在所祁望的準位。圖3-6所示為三種使用稽納二極體的限幅電路，(a)圖所示為限制正向峰值電壓為所選定稽納二極體的限幅電壓，而再另一負半週，稽納動作則如同一般順向偏壓二極體，限制其負電壓為一0.7V。若如圖(b)把稽納二極體反向，則負向峰值電壓限制在其稽納二極體的崩潰電壓，而正電壓則限制在+0.7V，若二個稽納二極體背對串聯則正負兩方向的峰值電壓則均限制在稽納電壓再加上0.7V，如圖(c)所示。在正半週，D2工作為稽納二極體，而D1則工作如一般順向偏壓的二極體，在負半週，工作情況則相反。 圖3-6 稽納二極體對正弦波電壓的限幅作用3-3變容二極體(Varactor Diode) 變容二極體基本上是一個逆向偏壓的pn接面，其原理為pn接面加上逆向偏壓時，空乏區兩邊形成的接面電容。由逆向偏壓所產生的空乏區，由於其非導電性而當成電容器的介面，p和n型分別成電容器的極板，如圖3-7所示。 3 - 5圖3-7 逆向偏壓的變容二極體作可變電容器3-3.1基本操作(Basic Operation)當逆向偏壓增大，空乏區擴大使介質變寬而降低了電容量。若逆向偏壓減小，則空乏區變窄使電容量增大。 圖3-8 變容二極體電容量隨逆向電壓變化已知電容量由極板面積(A)，介質常數()、與介質寬度所決定，其公式如下：C= A/d 在變容二極體中，其電容是由摻雜方式與二極體結構的大小和形狀來控制的。 3 - 63-4光學二極體(Optical Diode)3-4.1發光二極體(LED) 發光二極體(LED)的基本操作如下：當元件順向偏壓時，電子從N型區越過PN接面與P型區內的電洞結合。當發生再結合時，電子則以熱及光的型式將能量釋出。在半導體材料較大的暴露表面區的其中一層，允許以可見光型式放射光子，如圖3-10所示，此種程序稱為電發光(electro luminesence)。 圖3-10 LED的電發光 LED的主要半導體材料為砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)或磷化鎵(GaP)所製成的。砷化鎵LED主要放射紅外線，此為不可見光；砷磷價鎵放射的為黃或綠色可見光；磷化鎵則放射紅色或綠色的可見光，紅色則為最具普遍性的LED。 圖3-11 LED的符號 3 - 73-4.2光二極體(Photodiode)光二極體是在逆向偏壓下工作的pn接面元件，其符號如圖3-12(a)所示，I表示逆向電流。光二極體具有一小的透明窗口，讓光線能照射到PN接面。圖3-12(b)為其符號。 圖3-12 光感二極體光二極體與整流二極體不同，其逆向電流隨著照射於PN接面的光線強度增加而增加，當沒有光源照射時，逆向電流I幾乎可忽略，此電流稱為暗電