第2章 二極體之特性及應用電路實驗 實習一 二極體之識別 實習二 二極體之特性曲線量測 實習三 整流電路實驗 實習四 濾波電路實驗 實習五 倍壓電路實驗 實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗

實習一 二極體之識別 相關知識學習 1 本質半導體 在原子結構中，排列在原子最外圍的電子稱為價電子。導電特性介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。半導體其原子結構中的價電子數有四個故稱之為四價元素；而不含任何雜質的四價元素稱之為本質半導體。較常被使用的本質半導體有矽（Si）和鍺（Ge）兩種四價元素，其原子結構如圖2-1 所示，兩者又以矽（Si）元素具有較佳的特性，是目前最廣為被使用的半導體材料。在本質半導體中，其原子會和相鄰的4 個原子之間共用價電子，使其原子最外圍變成八個價電子，而形成穩定的狀態。這種原子相互共用價電子的情形稱為共價鍵，如圖2-2 所示。

實習一 二極體之識別

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實習一 二極體之識別 2 自由電子與電洞 本質半導體在絕對溫度0K時，所有價電子被共價鍵所束縛，沒有任何自由電子的產生。當溫度升高時，共價鍵內的價電子，獲得足夠的能量（室溫下，矽需要1.1 eV 的能量，鍺需要0.72 eV 的能量）脫離原子核的束縛，形成自由電子，共價鍵內所遺留的空缺稱之為電洞，如圖2-3 所示，本質半導體內自由電子與電洞的數量相同（成對產生）。當溫度升高，自由電子與電洞產生的數量就越多，其導電性愈佳，所以半導體的導電性很容易受到溫度影響。

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實習一 二極體之識別 3 摻雜 將少量的雜質（三價元素或五價元素）摻入本質半導體中，用以改變半導體的導電特性，此過程稱為摻雜（doping）。摻雜的比例約為108：1（即108 個原子加入1 個雜質原子。）。摻入雜質後的半導體稱為雜質半導體（外質半導體）。將本質半導體摻雜硼（B）、鎵（Ga）、銦（In）、鋁（Al）等少量的三價元素，會形成P 型半導體。將本質半導體摻雜磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等少量的五價元素，會形成N 型半導體。

實習一 二極體之識別 4 P 型半導體 在本質半導體中摻雜少量的硼（B）、鎵（Ga）、銦（In）、鋁（Al）等三價元素後，摻雜的三價原子會取代原有的矽原子，與相鄰的四個矽原子產生共價鍵結合，由於三價原子比矽原子少一個價電子，所形成的共價鍵中，因缺少一個價電子，形成一個空缺，此空缺稱之為電洞，如圖2-4 所示。摻雜三價元素所形成的電洞，可以吸收附近的自由電子加以束縛，所以摻雜的三價元素又稱為受體（accepter）。同時因為電洞具有可以吸引自由電子的能力，所以可將電洞視為帶有正電荷的質點，因此經摻雜三價元素的雜質半導體稱為P 型半導體（positive，正）。

實習一 二極體之識別 P 型半導體內部有大量因摻雜所形成的電洞，且半導體受溫度影響會產生少量的自由電子與電洞對。使得P 型半導體內部有大量的電洞（多數載子）和少量的自由電子（少數載子）。

實習一 二極體之識別 5 N 型半導體 在本質半導體中摻雜少量的磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等五價元素後，摻雜的五價原子會取代原有的矽原子，與相鄰的四個矽原子產生共價鍵結合，由於五價原子比矽原子多一個價電子，所形成的共價鍵中，因多出一個價電子，不受原子核的束縛，成為自由電子，如圖2-5 所示。經由摻雜的五價元素後會產生可自由移動的自由電子，所以摻雜的五價元素又稱為施體（donor）。同時因為產生的自由電子帶有負電荷，因此經摻雜五價元素的雜質半導體稱為N 型半導體（negative，負）。 N 型半導體內部有大量因摻雜所形成的自由電子，且半導體受溫度影響會產生少量的自由電子與電洞對。使得N 型半導體內部有大量的自由電子（多數載子）和少量的電洞（少數載子）。

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實習一 二極體之識別 6 二極體的結構－PN 接合 在本質半導體的一側加入受體雜質，使其形成P 型半導體；另一側加入施體雜質，使其形成N 型半導體，在P、N 型半導體外側兩端形成歐姆接觸，連接引線就形成了一個二極體元件。二極體的基本結構與電路符號，如圖2-6 所示，二極體元件在P 型半導體與N 型半導體之間會形成一個PN 接合面，接合的瞬間由於兩側載子濃度不均勻（N 型半導體內的自由電子濃度較P 型半導體高），N 型半導體內部的多數載子（自由電子），會跨過接合面，向P 型半導體擴散，進而和P 型半導體內部的多數載子（電洞）結合消失。

實習一 二極體之識別 同時，在接合面P 型側的受體，因接受一個自由電子變成帶負電的離子；在接合面N 型側的施體，因失去一個自由電子變成帶正電的離子。帶正、負電的離子會隨著擴散作用持續增加，形成一個持續增加的障壁電壓（barrier potential voltage），阻止擴散作用的進行，當此障壁電壓達到足以阻止擴散作用時，兩者達到平衡，擴散作用停止，障壁電壓固定。一般而言，矽半導體的障壁電壓約為0.5～0.8V，鍺半導體的障壁電壓約為0.1～0.3 V。由於上述的作用使得接合面附近沒有自由電子與電洞，形成一個沒有載子的空乏區，如圖2-7 所示。

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實習一 二極體之識別 7 二極體的測量 1 二極體P-N 識別的量測步驟 1.將三用電表置於歐姆檔×10 位置，如圖2-8 所示，利用二極體具有單向導電的特性。 2.將三用電表測試棒交替接觸二極體的兩端接線。 3.指針僅有一次大幅偏轉，於偏轉時，黑色測試棒所接之端子為二極體的A 極（陽極），為P 型半導體；紅色測試棒所接之端子為二極體的K 極（陰極），為N 型半導體。 4.指針兩次都大幅偏轉，則表示二極體短路毀損。 5.指針兩次都不偏轉，則表示二極體開路毀損。

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實習一 二極體之識別 2 矽、鍺二極體識別的量測步驟 1.利用矽二極體障壁電壓為0.7 V，鍺二極體障壁電壓為0.3 V的特性加以識別。 2.將三用電表置於歐姆檔×1k 位置，如圖2-9 所示。 3.將黑色測試棒置於為二極體的A 極（陽極），紅色測試棒置於為二極體的K極（陰極）。 4.觀察三用電表的LV 刻度。 5.若LV 指示為0.7V，則表示此二極體為矽二極體，如圖2-9(a)所示。 6.若LV 指示為0.3V，則表示此二極體為鍺二極體，如圖2-9(b)所示。

實習一 二極體之識別

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實習二 二極體之特性曲線量測 相關知識學習 1 二極體的順向偏壓（forward bias） 將二極體的P 型半導體端連接正電壓，而N型半導體端連接負電壓，此型態的連接方式稱為順向偏壓（VF），如圖2-10 所示。在順向偏壓的情形下，二極體P 型半導體內的電洞受到正電壓的排斥，會向接合面移動，二極體N 型半導體內的自由電子受到負電壓的排斥，也會向接合面移動，如此會導致空乏區變窄。當外加順向偏壓大於二極體障壁電壓時，空乏區被抵銷而消失。大量的自由電子與電洞會在接合面上產生再結合，形成大量的電流，所形成的電流稱為順向電流（IF）。

實習二 二極體之特性曲線量測 2 二極體的逆向偏壓（reverse bias） 將二極體的P 型半導體端連接負電壓，而N型半導體端連接正電壓，此型態的連接方式稱為逆向偏壓（VR），如圖2-11 所示。在逆向偏壓的情形下，二極體內P 型半導體的電洞受到負電壓的吸引，會遠離接合面；二極體內N 型半導體的自由電子受到正電壓的吸引，也會遠離接合面，如此會導致空乏區加大，障壁電壓增加，沒有多數載子通過接合面，不會有多數載子造成的電流形成。當外加逆向偏壓時，僅有少數載子會跨過接合面再結合，形成微量的電流，所形成的微量電流稱為逆向飽和電流（IS）或逆向漏電電流（IR）。

實習二 二極體之特性曲線量測 3 P-N 二極體的特性曲線 P-N 二極體的特性曲線，如圖2-12 所示，二極體工作於順向偏壓時，且電壓由零慢慢增加，一開始二極體的順向電流為零。當外加電壓增加到某一數值時，二極體的順向電流急劇增加，此時加於二極體兩端點間的轉態電壓稱為切入電壓（cutin voltage；Vr）。二極體的切入電壓與內部離子所形成的障壁電壓，其電壓值大小相同（Si = 0.6 V，Ge = 0.2 V）。當外加順向電壓大於切入電壓後，二極體順向電流會呈指數的型態增加，此時二極體具有很低的順向電阻特性，可將二極體視為開關在導通的狀態。一般而言，矽二極體的導通電壓約為0.6V～0.8V 之間，鍺二極體的導通電壓約為0.2V～0.3V 之間。

實習二 二極體之特性曲線量測 二極體工作於逆向偏壓時，當逆向電壓較小時，二極體僅有微量的逆向飽和電流（Si=10～20nA，Ge =1～2μA），在實際使用時此微量電流可忽略不計。當逆向偏壓超過某一額定值時，半導體內的共價鍵被外加高電場所破壞，導致逆向飽和電流急劇上升，若超過其額定功率時會造成二極體毀損，這種現象稱為崩潰（breakdown），此時的逆向電壓稱為崩潰電壓（VBR）或最大逆向電壓（peak inverse voltage；簡稱PIV）。矽二極體的崩潰電壓約為200V～250V，鍺二極體的崩潰電壓約為40V～50V。二極體工作在逆向偏壓時，具有很高的逆向電阻，此時二極體可視為開關在截止的狀態。由上述特性可知二極體具有單向導電的特性。

實習二 二極體之特性曲線量測

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實習三 整流電路實驗 相關知識學習 二極體具有單向導電的特性，利用此特性可將交流電壓轉變成脈動直流電壓的電路稱為整流電路。所使用的二極體因具有提供較大電流及耐壓的特性，稱之為整流二極體。整流電路的型態有半波整流、中間抽頭式全波整流及橋式全波整流三種，其電路原理與特性分述如下：

實習三 整流電路實驗 1 半波整流電路 半波整流電路的輸出波形只有輸入波形的一半（正半週或負半週），故稱為半波整流電路。如圖2-16 所示，半波整流電路的結構是整流電路中電路結構最為簡單的整流電路，只需要使用一個整流二極體，但是其整流效率較差，電壓變動率較大。

實習三 整流電路實驗 1 半波整流電路工作原理 當變壓器輸出為交流電壓正半週時，二極體D 順向導通，可視為短路，流經負載RL 的電流方向由上至下流動，輸入的正半週電壓完全降在負載RL 上，如圖2-17(a)所示。當變壓器輸出為交流電壓負半週時，二極體D 逆向截止，可視為開路，沒有電流流經負載RL ，負載RL 兩端電壓為零，如圖2-17(b)所示。由此可知，不論交流電壓在正、負半週交替變化時，流經負載的電流方向，只有在正半週時，維持由上至下的單方向流動，所以在負載兩端的電壓為單向正脈動直流電壓。其輸入與輸出波形，如圖2-17(c)所示。

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實習三 整流電路實驗 2 半波整流電路的特性

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實習三 整流電路實驗 2 中間抽頭式全波整流電路 全波整流電路在輸入波形的正、負半週期間，均能使負載兩端流過相同方向的電流，故稱為全波整流電路。全波整流電路的電壓變動率較小。全波整流電路依其結構可分為中間抽頭式全波整流電路與橋式整流電路兩種型態，如圖2-19 所示，為中間抽頭式全波整流電路，其電路結構需要使用中間抽頭式變壓器及兩個整流二極體，整流效率較佳，但是因為使用中間抽頭式變壓器導致變壓器體積龐大、價格較高。

實習三 整流電路實驗 1 中間抽頭式全波整流電路工作原理 當變壓器輸出為交流電壓正半週時，二極體D1 順向導通，可視為短路，二極體D2 逆向截止，可視為開路，流經負載RL 的電流方向由上至下流動，輸入的正半週電壓完全降在負載RL 上，如圖2-20(a)所示。當變壓器輸出為交流電壓負半週時，二極體D1 逆向截止，可視為開路，二極體D2 順向導通，可視為短路，流經負載RL 的電流方向維持由上至下流動，輸入的負半週電壓完全降在負載RL 上，如圖2-20(b)所示。由此可知，不論交流電壓在正、負半週交替變化時，流經負載的電流方向都維持由上至下的單方向流動，所以在負載兩端可以得到兩個正向的脈動直流電壓波形，其輸入與輸出波形如圖2-20(c)所示。輸出波形的頻率為輸入波形的頻率的2 倍，二極體所承受的逆向電壓最大值為2 Vm，即二極體的PIV 值最少為2 Vm。

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實習三 整流電路實驗 2 中間抽頭式全波整流電路的特性

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實習三 整流電路實驗 3 橋式全波整流電路 如圖2-22 所示為橋式全波整流電路，電路中需要使用四個整流二極體來完成整流工作，橋式全波整流電路與中間抽頭式全波整流電路比較，橋式全波整流電路所具有的優點為： 1.不需要使用中間抽頭式變壓器，可縮小變壓器體積，降低價格。 2.整流二極體的PIV 值為中間抽頭式整流電路的一半。 橋式全波整流電路可改善中間抽頭式全波整流的缺點，維持全波整流的較佳效率，是目前使用最為廣泛的整流電路。

實習三 整流電路實驗

實習三 整流電路實驗 1 橋式全波整流電路工作原理 當變壓器輸出為交流電壓正半週時，二極體D1、D3 順向導通，可視為短路，二極體D2、D4 逆向截止，可視為開路，流經負載RL 的電流方向由上至下流動，輸入的正半週電壓完全降在負載RL 上，如圖2-23(a)所示。當變壓器輸出為交流電壓負半週時，二極體D1、D3 逆向截止，可視為開路，二極體D2、D4順向導通，可視為短路，流經負載RL 的電流方向維持由上至下流動，輸入的負半週電壓完全降在負載RL 上，如圖2-23(b)所示。由此可知，不論交流電壓在正、負半週交替變化時，流經負載的電流方向都維持由上至下的單方向流動，所以在負載兩端可以得到兩個正向的脈動直流電壓波形，其輸入與輸出波形如圖2-23(c)所示。輸出波形的頻率為輸入波形的頻率的2 倍，二極體所承受的逆向電壓最大值為Vm，即二極體的PIV 值最少為Vm。

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實習三 整流電路實驗 2 橋式全波整流電路的特性

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實習三 整流電路實驗 3 橋式整流器 橋式全波整流電路是目前最被廣泛使用的整流電路，製造廠商會將四個整流二極體包裝在一起，形成一個單獨的電子元件稱為橋式整流器。依據不同的電流容量及耐壓，而有不同的包裝型式，其外觀如圖2-25(a)所示。橋式整流器的等效電路如圖2-25(b)所示。橋式整流器另一種較簡易電路符號的表示方式，如圖2-25(c)所示。

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實習三 整流電路實驗 4 橋式整流器接腳判別 量測原理 1.橋式整流器的兩個交流電輸入端，所形成的兩個迴路，其串接的二極體互相反向連接，以三用電表測量時，不會形成順向偏壓，指針都不偏轉。 2.橋式整流器的兩個直流電輸出端，所形成的兩個迴路，其串接的二極體互相同向連接，形成單向導電型態，以三用電表測量時，負電壓輸出端（P 型半導體）連接黑色測棒，正電壓輸出端（N 型半導體）連接紅色測棒，形成順向偏壓，指針偏轉；反接則指針不偏轉。 3.三用電表LV 刻度指示約1.4V(0.7V + 0.7V)。

實習三 整流電路實驗 量測步驟 1.將三用電表置於歐姆檔×10 位置（歸零調整）。 2.將三用電表測棒交替接觸橋式整流器的相同兩接腳。（6 種組合交替測量共12 次） 3.測量出其中一個組合，測棒交替兩次指針都不偏轉，此時橋式整流器的兩接腳，如圖2-26(a)中的a、b 接腳，為其交流電的兩個輸入端。（其餘5 種組合指針均會偏轉一次） 4.將三用電表測棒交替接觸橋式整流器的另兩接腳，如圖2-26(b)中的c、d 接腳。指針僅有一次大幅偏轉（阻值約為150Ω～200Ω），偏轉時，與黑色測棒接觸的接腳為負電壓輸出端（圖2-26(b)中的c 接腳），與紅色測棒接觸的接腳為正電壓輸出端（圖2-26(b)中的d 接腳）。

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實習四 濾波電路實驗 相關知識學習 整流後的脈動直流電壓是一個不穩定的直流電壓源，分析其成分，可將其視為由一個純直流電壓與一個交流電壓相加組合而成的電壓源型態。此電壓源內所含的交流電壓值稱為漣波電壓，以Vr 來表示。若以此脈動直流電壓作為電路的電源時，漣波電壓會對大多數的電子電路產生不良的影響。藉由濾波電路可將脈動直流電壓轉換成平穩的直流電壓，以提供電路所需的直流電源。在實際使用上，任何濾波電路都無法得到絕對平穩的直流電壓，必定含有微量的漣波電壓，如圖2-33 所示。漣波電壓愈小，則電壓愈穩定，濾波電路的性能愈佳。濾波電路的性能，可藉由漣波因數（ripple factor；簡稱r）來加以判定。漣波因數的定義為

實習四 濾波電路實驗

實習四 濾波電路實驗 濾波電路種類有電容濾波電路、電阻電容濾波電路及型濾波電路等，其電路結構及工作原理分述如下： 1 電容濾波電路 電容濾波電路是最簡單且廣泛被使用的濾波電路，是利用電容器具有儲存電荷的特性，在整流電路的輸出端並聯一個較大容量的電容器，形成電容濾波電路，此電容稱為濾波電容。 如圖2-34(a)所示，為半波整流電容濾波電路，當輸入電壓為正半週時，電壓由0V 上升至正峰值電壓（Vm）時，二極體D 順向導通，順向電阻很小，對濾波電容（C）很快的充到峰值電壓，此時濾波電容兩端電壓（Vc）等於峰值電壓，即Vc =Vm，當輸入電壓由正峰值電壓往下降時，由於濾波電容兩端電壓（Vc）為峰值電壓，高於輸入電壓，使二極體D 形成逆向截止，濾波電容對負載電阻（RL）放電，由於負載電阻阻值較大，放電較緩慢，濾波電容電壓緩慢下降。如圖2-34(b) 為電容濾波電路電容器充、放電的波形。

實習四 濾波電路實驗 當輸入電壓為負半週時，二極體D 逆向截止，濾波電容對負載電阻（RL）持續緩慢放電。若輸入電壓再回到正半週時，當輸入電壓由0V 上升且未超過濾波電容電壓時，二極體仍呈逆向截止狀態，濾波電容對負載電阻（RL）仍持續緩慢放電。當輸入電壓超過濾波電容電壓時，二極體D 順向導通，對濾波電容很快的又充到峰值電壓。如此週而復始，濾波電容兩端電壓會維持一個相當平穩的電壓，如圖2-34(b)中VC 的波形，可視為平穩的直流電壓。若將市電（60 Hz）經半波整流電容濾波電路後，電路中所使用的負載電阻阻值、濾波電容電容量與輸出電壓及漣波百分率r %的關係如下：

實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗 電容濾波電路若使用的濾波電容，電容量愈大，則放電速度愈慢，濾波效果愈好，漣波電壓也愈小，所以在實際使用上都用1000μF 以上容量的電容器作為濾波電容器。負載電阻阻值愈大時，放電速度愈慢，濾波效果愈好，所以電容濾波電路較適合輕載（負載阻值大、負載電流小）的電路使用。

實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗 2 電阻電容（RC）濾波電路 在電容濾波電路的輸出端加以串接一節電阻、電容就形成了電阻電容濾波的電路結構，如圖2-38 所示，其目的是用以降低電容濾波電路輸出的漣波電壓，但是由於串接一個電阻，使得輸出直流電壓也會隨著降低。電路圖中濾波電容C1 兩端點的電壓即是電容濾波電路的兩輸出端，其輸出電壓包含直流電壓（Vdc）及漣波電壓（Vr） 兩種成分，可藉由分壓定則計算出電阻電容濾波電路中，負載電阻RL 兩端點的輸出電壓值：

實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗 3 π型濾波電路 將電阻電容濾波電路的電阻以電感取代就形成了π型濾波的電路結構，如圖2-39 所示，其目的是用以改善電阻電容濾波電路輸出的直流電壓會降低的缺點。在電路圖中，濾波電容C1 兩端點的電壓即是電容濾波電路的兩輸出端，其輸出電壓包含直流電壓（Vdc）及漣波電壓（Vr） 兩種成分，可藉由分壓定則計算出π型濾波電路中，負載電阻RL 兩端點的輸出電壓值：

實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗

實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗

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實習四 濾波電路實驗

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實習五 倍壓電路實驗 相關知識學習 倍壓電路的電路結構具有整流與濾波的功能。將兩個以上的二極體及電容器適當的串接，可將輸出的直流電壓提升至輸入交流電壓峰值的兩倍以上，是一種供給輕負載高電壓的電源電路，又稱為電壓倍增器。 1 半波倍壓電路 圖2-46(a)所示為半波倍壓電路，其工作原理說明如下：

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

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實習五 倍壓電路實驗 2 全波倍壓電路 圖2-48(a)所示為全波倍壓電路，其工作原理說明如下：

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

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實習五 倍壓電路實驗 3 半波多倍壓電路 圖2-50 所示為半波多倍壓電路，其工作原理說明如下：

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

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實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

實習五 倍壓電路實驗

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實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗 相關知識學習 稽納二極體（Zener diode）具有穩定電壓的功能，可提供一個穩定的直流電壓源，此直流電壓源將不會受市電變動影響或負載電流大小的影響，同時也可降低漣波電壓的成分。 1 稽納二極體的結構、電路符號及特性曲線 稽納二極體結構與一般二極體完全一樣，只是將摻雜濃度比提升到約為105：1，此時將使二極體產生不同的操作特性，圖2-55 所示為稽納二極體的結構、電路符號及特性曲線。

實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗

實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗 稽納二極體逆向崩潰特性可分為： 1 稽納崩潰 1.原因：外加電場使共價鍵斷裂，進而產生大量的逆向飽和電流。 2.崩潰電壓VZ 在6 伏特以下。 3.負溫度係數。

實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗 2 累積崩潰 1.原因：熱能所產生的少數載子受到外加逆向電壓驅動，獲得足夠的動能加速，與原子碰撞使共價鍵破壞，產生更多的載子，如此循環，促使稽納二極體崩潰。 2.崩潰電壓VZ 在6 伏特以上。 3.正溫度係數。

實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗 2 稽納二極體穩壓電路的分析 稽納二極體穩壓電路如圖2-56 所示，當輸入電壓VS 變動時，只要稽納二極體兩端所加的逆向偏壓大於崩潰電壓VZ 時，稽納二極體就會崩潰，使輸出電壓維持在固定的VZ 電壓，進而達到穩壓的功能。 稽納二極體穩壓電路的分析，首先應判斷稽納二極體是否崩潰？稽納二極體崩潰時，可將其等效成電壓值為VZ 的電池；若未崩潰時，因逆向飽和電流甚小，可將視為電路在開路狀態。其分析步驟如表2-3：

實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗

實習六 稽納二極體之特性及應用電路實驗 3 稽納二極體穩壓電路的限制 稽納二極體穩壓電路中，若輸入電壓VS、限流電阻RS 或負載電阻RL 變動過大，將導致通過稽納二極體的電流太小，致使電路無法穩壓，或電流過大造成二極體毀損，使用時應特別注意。

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