2009年8月17日 星期一

[電子學] 淺談二極體 Diode - I/V characteristics

半導體二極體 (Diode) 基本上即為一個 PN junction 如下圖所示




上圖中 箭頭方向表示 diode 的電流方向,亦即 diode 為兩端子 單向導通的 (非線性)元件。

理想二極體 (Ideal Diode)特性:
下圖為 Ideal diode 的電流電壓特性圖 ($i,v$ characteristics)

  • 施加 "負"電壓 (逆向偏壓 reverse biase) 在 diode 兩端上,diode不導通 $\Rightarrow$ 電流為 $0$ $\Rightarrow$ 此時 diode 呈現開路(open circuit)狀態。
  • 施加 "正" 電壓 (順向偏壓 forward bias)在 diobe 兩端上,則 diode 導通$\Rightarrow$ 此時 diode 呈現短路(short circuit)狀態。


真實二極體 (Real diode) 的電流/電壓 (I/V characteristics)特性如下圖
當diode兩端施加電壓  $v>0$ (上圖右方 forward bias 部分),我們可以近似其 電流電壓關係為
\[
i = I_S \left[ e^{v/V_T}-1\right]
\]其中 $I_S$ 為 反向飽和電流 (reversed saturation current),$V_T$ 為 熱電壓 (thermal voltage)滿足下式
\[
V_T := \frac{kT}{q}
\]其中 $k$ 為 Boltzmann's constant = $1.38 \times 10 ^{-23}$ Joules/Kelvin,$T$為絕對溫度 (Kelvin, K),$q$ 為 單位電荷帶電量=$1.60 \times 10^{-19}$ Coulomb。

一般而言在室溫下 $(300 )$ K 時,thermal voltage 為 $V_T = 25$ mV (=$0.025$ V)。

現在我們觀察上圖,我們可以得到下列結論:
  • 當輸入 diode 的電壓低於 $0.5 {\rm v}$時,其 diode 電流 $i$ 幾乎可以忽略,此 $0.5 \rm v$ 稱為 切入電壓 (cut-in voltage)
  • 當輸入 diode 電壓 高於 cut-in voltage $0.5 \rm v$ 時,diode 視為 forward bias (對比於 ideal diode, forward bias 電壓為 0 $\rm v$)。
  • 當輸入 diode 電壓 高於 $0.7 \rm v$時(一般約為 $0.6~0.8$ v),diode 視為完全導通,故可假設導通的 diode 有 0.7 壓降。