CHAPTER 7 半 導 體 (semi-conductor) 與 二 極 體 (diode)
CHAPTER 8 二 極 體 的 應 用
圖 7-1 矽 (a) 與 鍺 (b) 的 原 子 結 構
圖 7-2 矽 原 子 的 共 價 鍵 結
圖 7-3 73 溫 度 升 高 導 致 自 由 電 子 增 加, 原 來 的 位 置 形 成 電 洞
如 圖 7-3, 當 溫 度 增 加 時, 價 電 子 獲 得 的 熱 能 增 加, 所 以 活 動 性 增 大, 於 是 能 脫 離 原 子 核 束 縛 成 為 自 由 電 子 的 數 目 也 增 加 許 多, 這 使 得 材 料 的 導 電 性 也 跟 著 提 高 這 時 原 子 與 原 子 間 的 共 價 鍵 受 到 破 壞, 而 電 子 脫 離 後 留 下 的 空 位 稱 為 電 洞 (hole) 熱 能 使 得 矽 原 子 最 外 層 電 子 脫 離 軌 道 成 為 自 由 電 子, 並 在 外 層 形 成 一 個 空 洞, 稱 為 電 洞 電 洞 能 吸 引 附 近 的 自 由 電 子, 因 此 其 特 性 如 同 一 個 正 電 荷 當 自 由 電 子 在 晶 體 中 運 動 至 電 洞 附 近 時 會 遭 電 洞 捕 獲, 於 是 電 洞 消 失, 此 過 程 稱 為 再 結 合
將 圖 7-4 中 的 矽 晶 體 兩 端 施 以 電 壓, 則 自 由 電 子 因 負 端 的 排 斥 力 與 正 端 的 吸 引 力 而 向 正 端 運 動 同 理, 電 洞 則 向 反 方 向 運 動, 於 是 形 成 電 流 事 實 上 此 電 流 的 發 生 便 是 一 連 串 電 子 脫 離 軌 道 與 再 結 合 的 過 程 圖 7-4 在 矽 晶 體 兩 端 施 以 電 壓, 則 有 電 流 發 生
圖 75 7-5 電 子 的 運 動 與 電 洞 的 運 動 是 一 體 的 兩 面
圖 7-6 在 矽 或 鍺 等 本 質 半 導 體 中 摻 入 五 價 的 雜 質 元 素 後, 便 出 現 一 個 自 由 電 子 圖 7-7 在 矽 或 鍺 等 本 質 半 導 體 中 摻 入 三 價 的 雜 質 元 素 後, 便 出 現 一 個 電 洞
圖 7-8 p 型 與 n 型 半 導 體 接 面 處 形 成 空 乏 區 209
此 時 在 空 乏 區 兩 側 的 n 型 材 料 略 帶 正 電 性,p 型 材 料 略 帶 負 電 性, 形 成 一 電 位 差, 稱 為 障 壁 電 壓 (barrier potential), ti 我 們 可 以 說.. 在 空 乏 區 兩 側 的 正 負 載 子 因 為 障 壁 電 壓 的 存 在 而 無 法 自 由 通 過 pn 接 面 在 25 C 時 矽 的 障 壁 電 壓 為 0.7 伏 特, 鍺 則 為 0.3 伏 特 圖 7-9 二 極 體 的 符 號 210
Diode 鍺 (Germanium) 矽 (Sili ) (Silicon)
電 洞 流 空 乏 區 電 子 流 p 型 + - n 型 圖 7-10 二 極 體 的 順 向 偏 壓 212
電 洞 流 空 乏 區 電 子 流 p 型 - + n 型 圖 7-12 二 極 體 的 逆 向 偏 壓 213
圖 7-13 Si 二 極 體 的 特 性 曲 線
第 一 象 限 的 曲 線 代 表 二 極 體 受 到 順 向 偏 壓 後, 電 流 與 偏 壓 之 間 的 關 係 在 順 向 偏 壓 值 未 達 障 壁 電 壓 ( 矽 為 0.7 V, 鍺 為 0.3 V) 之 前, 電 子 與 電 洞 無 法 通 過 空 乏 區, 所 以 電 流 趨 近 於 零 當 順 向 偏 壓 大 於 障 壁 電 壓 後, 二 極 體 的 電 流 便 急 速 上 升, 這 時 二 極 體 兩 端 的 電 壓 值 會 維 持 在 障 壁 電 壓 的 大 小 第 三 象 限 的 曲 線 代 表 的 是 逆 向 偏 壓 時 的 情 形, 在 二 極 體 兩 端 加 以 逆 向 電 壓 後, 空 乏 區 加 大, 二 極 體 無 多 數 載 子 流 動, 但 因 溫 度 效 應 產 生 的 少 數 載 子 流 動 會 產 生 一 大 小 約 01. μa 的 逆 向 飽 和 電 流 215
100 C 50 C 25 C 圖 714 7-14 二 極 體 的 溫 室 效 應
圖 7-16 利 用 三 用 電 表 量 測 二 極 體 :(a) 表 二 極 體 為 良 品 ; (b) 表 二 極 體 損 壞
在 半 導 體 中, 電 洞 處 於 原 子 的 最 外 層 軌 域 中, 而 自 由 電 子 則 是 獲 得 大 於 外 層 軌 域 能 量 後 脫 離 束 縛 而 成, 所 以 自 由 電 子 的 能 量 比 電 洞 來 的 大 因 此 當 電 子 與 電 洞 發 生 再 結 合 時, 電 子 回 到 外 層 軌 域, 於 是 有 多 餘 的 能 量 必 須 放 出, 釋 放 能 量 的 方 式 可 能 是 熱 或 者 是 光 圖 8-24 發 光 二 極 體 及 其 符 號
The theremin is one of the earliest electronic musical instruments, and the first musical instrument played without being touched. It was invented by Russian inventor Lev Theremin in 1919. The controlling section is usually two metal antennas to sense the position of the player's hands. These control audio oscillators for frequency with one hand, and volume with the other. The electric signals from the theremin are amplified and sent to a loudspeaker. http://en.wikipedia.org/wiki/theremin
A theremin uses the heterodyne principle to generate an audio signal. The instrument's t' circuitry it includes two radio frequency oscillators. One oscillator operates at a fixed frequency. The other is a variable frequency oscillator, the frequency of which is controlled by the performer's distance from the frequency control antenna. The performer's hand acts as the grounded plate (the performer's body being the connection to ground) of a variable capacitor in an L-C (inductance-capacitance) circuit. The difference between the frequencies of the two oscillators at each moment generates a beat frequency in the audio frequency range, resulting in audio signals that are amplified and sent to a loudspeaker. To control volume, the performer's hand acts as the grounded plate of another variable capacitor. In this case, the capacitor detunes another L-C circuit, which affects the amplifier circuit. The distance between the performer's hand and the volume control antenna determines the capacitor's value, which hihregulates lt the theremin's i' volume. http://en.wikipedia.org/wiki/theremin
Theremin, the untouchable music http://tw.youtube.com/watch?v=x-ywh1vj8_u&feature=user 0-7:30 and 10:40-13:00 Gnarls Barkley Crazy Theremin Jam http://tw.youtube.com/watch?v=mw0b1siplbi&feature=related Gnarls Barkley - Crazy http://www.youtube.com/watch?v=9nlbl1xz_gs t / t h?
博 達 科 技 掏 空 案 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%e5%8d%9a%e9%81%94%e7%a7%91%e6%8a%80%e6%8e%8f%e7%a9%ba%e6%a1%88 砷 化 鎵 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%e7%a0%b7%e5%8c%96%e9%8e%b5 p
稽 納 二 極 體 是 一 種 經 過 大 量 摻 雜 的 矽 質 pn 接 面 二 極 體, 由 圖 8-1 稽 納 二 極 體 的 工 作 特 性 曲 線 可 知, 當 逆 向 偏 壓 大 於 某 一 定 額 的 電 壓 之 後, 即 使 電 流 持 續 增 加, 電 壓 仍 維 持 一 定 的 固 定 值, 此 時 的 電 壓 稱 為 稽 納 電 壓 一 般 商 業 化 的 稽 納 二 極 體, 因 不 同 需 求 與 用 途, 可 經 由 控 制 摻 雜 的 程 度, 而 得 到 2 V~200 V 的 稽 納 電 壓 值
V Z I Z 圖 8-1 稽 納 二 極 體 的 工 作 特 性 曲 線
R S + V S V Z V out 圖 8-2 稽 納 二 極 體 的 典 型 工 作 情 形
如 同 一 般 的 二 極 體, 稽 納 二 極 體 的 工 作 特 性 也 會 受 到 溫 度 的 影 響, 其 影 響 程 度 通 常 以 溫 度 係 數 表 示 而 稽 納 電 壓 與 溫 度 變 化 之 間 有 如 下 的 關 係 : ΔV = V T ΔT (8-1) z z c 其 中 ΔV z 為 稽 納 電 壓 的 變 化 量,T c 為 溫 度 係 數, ΔT 為 溫 度 變 化 量
15 V ZD1 ZD2 5V 輸 入 ZD1= ZD2 = 5V ( a) 輸 出 15 V ZD1 ZD2 5V ( b) 圖 8-4
電 源 電 路 是 由 變 壓 器 電 路 整 流 器 電 路 濾 波 器 電 路 穩 壓 器 電 路 等 依 圖 8-5 的 順 序 組 合 而 成, 其 工 作 原 理 分 別 說 明 如 下.. 變 壓 器 整 流 器 濾 波 器 穩 壓 器 圖 8-5 電 源 電 路 各 組 成 電 路 的 順 序
在 基 本 的 交 流 電 路 理 論 中, 變 壓 器 的 一 次 側 與 二 次 側 間 有 以 下 的 關 係 : ( a ) ( b ) 圖 8-6 為 變 壓 器 的 外 型 及 其 符 號 表 示
Vp Np Is = = (8-2) V N I s s p 其 中 V p, N p, Ip 分 別 代 表 變 壓 器 一 次 側 的 電 壓 繞 線 圈 數 及 電 流 量, V, N, I 則 為 變 壓 器 二 次 側 的 電 壓 繞 線 圈 數 電 s s s 流 量 值 也 就 是 說 變 壓 器 兩 側 的 交 流 電 壓 值 與 繞 線 圈 數 成 正 比, 而 電 流 量 則 與 繞 線 圈 數 成 反 比
R L ( a)! V 0 V 0 R L 輸 入 @ ( b) 圖 8-9 半 波 整 流 電 路
@ R L V 0 輸 入! 輸 出 () c 圖 8-9 ( 續 )
半 波 整 流 的 直 流 輸 出 平 均 值 V dc 可 計 算 如 下 : π V = 1 dc V msin t dt T 0 = 1 0 V m( cos t) π =0.318 V 2π m (8-3) 其 中 V m 為 交 流 峰 值 輸 入 半 波 整 流 輸 出 圖 8-10 半 波 整 流 的 輸 入 與 輸 出
D 1 D 2 D 4 R L D3 ( a) 圖 8-13 橋 式 整 流 電 路
輸 入 + D 2 R L + + D 4 ( b) 輸 出
D 1 R L + + 輸 入 + D 3 輸 出 () c
圖 8-14 市 售 的 各 種 IC 型 橋 式 整 流 器
圖 8-15 為 一 電 容 式 濾 波 器, 其 組 成 是 將 電 容 與 負 載 並 聯 而 成 經 半 波 整 流 後 的 脈 動 式 電 壓 進 入 上 升 波 段 時, 電 容 器 充 電 至 輸 入 電 壓 的 峰 值 當 脈 動 式 電 壓 進 入 下 降 波 段 時, 電 容 器 經 負 載 放 電, 所 以 電 壓 下 降 在 電 容 器 尚 未 完 全 放 電 完 畢 前, 脈 動 電 壓 又 進 入 第 二 個 上 升 波 段, 於 是 電 容 器 再 次 充 電, 所 以 輸 出 電 壓 再 次 升 高 這 樣 的 過 程 因 脈 動 電 壓 的 重 複 出 現 而 進 行 著, 其 輸 出 便 形 成 如 圖 8-16 般 的 波 動, 這 種 微 波 動 電 壓, 稱 為 漣 波 (ripple)
圖 8-15 電 容 濾 波 器 的 工 作 原 理
圖 816 8-16 電 容 濾 波 器 的 脈 動 電 壓 輸 入 與 漣 波 輸 出
1. 電 容 的 大 小 : 一 般 而 言, 電 容 器 容 量 愈 大, 則 放 電 時 電 位 下 降 愈 少, 放 電 時 間 愈 長, 因 此 漣 波 愈 小 一 般 而 言 電 容 器 容 量 達 1000 μf 以 上 時, 漣 波 即 不 明 顯 2. 全 波 整 流 或 半 波 整 流 : 全 波 整 流 輸 出 時, 電 容 的 充 電 次 數 比 半 波 整 流 多 一 倍, 使 直 流 輸 出 更 穩 定 圖 8-17 為 半 波 整 流 及 全 波 整 流 後 經 濾 波 器 所 產 生 的 漣 波 比 較, 很 明 顯 的 可 以 看 出 半 波 整 流 後 所 產 生 的 漣 波 比 全 波 整 流 要 明 顯 的 多 3. 在 電 容 濾 波 器 後 再 附 加 一 個 RC 濾 波 器, 此 RC 濾 波 器 的 目 的 是 讓 大 部 分 的 直 流 通 過 而 隔 離 交 流 成 分 根 據 基 本 電 學 原 理,RC 濾 波 器 對 交 流 的 阻 抗 與 電 容 量 成 反 比, 即 電 容 量 越 大, 對 交 流 阻 抗 愈 大
圖 8-17 全 波 整 流 (a) 及 半 波 整 流 (b) 所 產 生 的 漣 波 比 較
圖 8-18 以 稽 納 二 極 體 作 為 穩 壓 器 的 電 源 電 路
圖 8-19 819 (a) 78 及 79 系 列 穩 壓 器 ;(b) 穩 壓 IC 的 工 作 方 式
7805 10 : 8 470 μ /25V + + - - 10 μ / 1 μ / 25 V 25 V ~ 2200 μ / 25 V 110 V 8 V 8 V 8 V 5 V 圖 8-20 為 完 整 的 電 源 電 路