Chapter 3 Diodes

RectifierChapter 3 Diodes1Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 3Ideal DiodeRectifier with BatteryVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 2Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 4

Diode Logic Gatesi-v CharacteristicidealVideo & ImageProcessing Lab.VIPOR GateAND GateC.-Y. Su (2010) 5Video & ImageProcessing Lab.VIPi I Si I s(ev/nV1)C.-Y. Su (2010) 7TExample 3.2Forward i-v Relationshipi I s( ev / VI s : saturation currentT1)V T : thermal voltageV TkTqV T25mVat20oCk: Boltzmann’s constant=1.3810 -23 joules/kelvinT: 絕 對 溫 度 in kelvin= 273 + temperature in o Cq=1.610 -19 coulombVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 6Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 8

i-v Curve with Semilog Plot• If i>>I S, theniv nVTlnIsI1V1 nVTlnIsI2nVTlnIV2i I e v / nVss…(1)…(2)TV 1V 2I 1I 22.3nV T1I 2 =10I 1LogscaleAnalysis of Diode CircuitsExponential modelConstant-voltage-drop modelSimplified modelIDIV D / nV TSeVideo & ImageProcessing Lab.VIP(2)-(1),IIV2 loglog2210 V1nVTln 2.3nVT(ln a )I1I1log10eC.-Y. Su (2010) 9aVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 11Temperature DependenceI S and V T are functions of temperature.I S 與 接 面 面 積 成 正 比 , 通 常 每 增 加 5 o C, I S 變 成 2 倍在 相 同 電 流 I 下 , 每 增 加 1 o C, V T 減 少 2mVPiecewise-Linear ModelvDVD 0iDrDVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 10Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 12

Constant-Voltage-Drop ModelApplication of SSM假 設 為 線 性 , 則1iD ( vDVrdD 0)Simplified modelVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 13Video & ImageProcessing Lab.VIPvDVVVD 0D 0DiC.-Y. Su (2010) 15dD(IirrddDi) rdVDdvdSmall-Signal Model (SSM)Application of SSMIDVideo & ImageProcessing Lab.VIPISIIIei ( t)IeDDDV D / nV T( VDvd ( t )) / nVTsevd( t ) / nVTDvd( t)(1 )nVIDnVTTv ( t)i d(t)d小 信 號 條 件 : v d/nV T

Example 3.5Modeling the Diode ForwardCharacteristicVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 17Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 19Example 3.6Modeling the Diode Forward Characteristic (Cont’d)Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 18Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 20

Modeling the Diode Forward Characteristic (Cont’d)Model of Zener DiodeVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 21Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 23Zener DiodesExample 3.71. 特 性 及 符 號工 作 在 崩 潰 區 ( 可 逆 )電 流 可 在 大 範 圍 變 動但 是 電 壓 維 持 在 一 固 定 值Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 22Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 24

Zener Shunt RegulatorHalf-Wave RectifierLine regulation = V O /V SLoad regulation = V O/I LR rzVoVZ 0 VS IL ( rz// R)R rR rzz Line regulation=Video & ImageProcessing Lab.VIP Load regulation=C.-Y. Su (2010) 25Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 27Block Diagram of a DC PowerSupplyFull-Wave RectifierVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 26Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 28

Bridge RectifierPrecision Half-Wave Rectifier—The SuperDiodeVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 29Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 31Voltage and Current WaveformsLimiting CircuitsHard limiterSoft limiterVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 30Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 32

Limiting Circuits (Cont’d)Voltage DoublerVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 33Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 35Clamped Capacitor or DC RestorerSpecial Diode TypesVideo & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 3436

Video & ImageProcessing Lab.VIPSchottky-Barrier Diode (SBD)• 由 半 導 體 和 金 屬 所 形 成 , 因 此 是 金 屬 - 半 導 體 接 面 而 不 是 PN接 面 。• 只 有 多 數 載 子 , 沒 有 少 數 載 子 。 在 順 向 時 有 傳 導 電 流 , 在 逆向 時 形 同 開 路 , 因 此 切 換 的 速 度 相 當 的 快 。• 主 要 應 用 在 高 頻 和 快 速 切 換 的 場 合 , 又 稱 為 熱 載 子 (hotcarrier)二 極 體 。• 沒 有 一 般 二 極 體 的 少 數 載 子 儲 存 效 應 。 順 向 壓 降 大 約 0.3V。變 容 二 極 體 (Varactors)C.-Y. Su (2010) 37Light-Emitting Diode (LED)• 發 光 二 極 體 為 一 PN 接 合 二 極 體 , 當 兩 端 接 上 順 向 偏 壓時 , 此 二 極 體 即 可 發 光 。• 工 作 原 理 為 當 電 子 自 傳 導 帶 落 到 價 帶 時 , 會 釋 放 出 多餘 的 能 量 , 其 能 量 會 以 光 和 熱 的 形 式 出 現 , 當 在 半 導體 材 料 的 一 邊 有 一 個 很 大 的 暴 露 區 域 時 , 光 子 會 以 可見 光 的 方 式 發 射 出 來 。• 摻 雜 的 材 料 決 定 發 光 的 波 長 , 波 長 決 定 發 光 的 顏 色 還有 是 否 是 可 見 光 。• 常 用 的 材 料 有 GaAs( 砷 化 鎵 ): 紅 外 線 ( 不 可 見 光 )GaAsP( 磷 砷 化 鎵 ): 紅 或 黃 光GaP( 磷 化 鎵 ): 紅 或 綠 光• 1993 年 日 亞 化 學 ( 中 村 修 二 ), 發 表 了 全 世 界 第 一 顆 商用 化 藍 光 LED 之 後 , 便 真 正 地 開 啟 了 LED 照 明 時 代• 最 大 順 向 偏 壓 約 為 1.2~3.2V, 最 大 逆 向 偏 壓 約 為3~10V。Video & ImageProcessing Lab.VIPLED 發 光 材 料C.-Y. Su (2010) 39Video & ImageProcessing Lab.VIPAC d電 路 符 號• 利 用 逆 向 偏 壓 來 改 變接 面 電 容 量 的 二 極體 。• 當 逆 向 偏 壓 增 加 時 ,空 乏 區 變 寬 , 電 容 量變 小 。 亦 即 , 逆 向 偏壓 與 電 容 量 成 反 比 。• 主 要 應 用 在 調 變 電路 , 如 TV 和 調 頻 接 收機 的 自 動 頻 率 控 制(AFC) 電 路 。C.-Y. Su (2010) 38Video & ImageProcessing Lab.VIPLED 發 光 效 率 和 缺 陷 關 係 。( 資 料 來 源 : 日 本 國 立 築 波 大 學 、 獨 立行 政 法 人 科 學 技 術 振 興 機 構 )C.-Y. Su (2010) 40

Electroluminescence in a forward-biasedLEDSeven Segment Display ( 七 段 顯 示 器 )Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 41Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 43Typical LEDsPhotodiodes ( 光 電 二 極 體 )• 工 作 在 逆 向 偏 壓 , 有 一 個 小 小 的 透 明 視 窗 可 允 許 光 照 射 在PN 接 面 上 。• 光 的 強 度 愈 強 , 會 使 得 逆 向 電 流 愈 大 。• 可 用 在 由 光 的 強 度 來 控 制 的 可 變 電 阻 裝 置 。Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 42Video & ImageProcessing Lab.VIPC.-Y. Su (2010) 44