宇量內容標題導覽：│二極體的動作原理│電阻與二極體構成的應用電路│電容與二極體構成的應用電路│
二極體屬於半導體器件的一種，應用在一般電子電路的半導體，依照性質的不同可以分成p型與n型兩種，如果利用p型→n型性質改變所構成的pn接合，就可以製作二極體(diode)器件，除此之外使金屬與半導體接觸，利用schottky接合的電氣特性，同樣可以製作二極體器件。二極體具備兩個端子，它的外形隨著用途的不同有許多形狀，不過基本上二極體的動作原理卻完全相同。本文要介紹二極體的基本功能，同時針對泛用二極體進行模擬分析，藉此**二極體動作時的電流與電壓決定方法。
二極體的動作原理
表1是目前常用二極體的特性與分類一覽；圖1是利用萬用電壓源vsrc，對泛用小訊號二極體施加直流電壓的測試電路；圖2是針對二極體以0.01v為刻度，從-2v到+2v對二極體兩端施加電壓vd時，利用dc模擬分析電流id的結果，根據分析結果可知電壓vd低於0.6v時id接近零，電壓vd一旦超過0.
6v的話，正向(從正極朝負極方向)電流會急遽湧現，類似這樣的電流流動特性我們稱它為「電流單向流動特性」。
正向流動的電流稱為「順向電流if」 (f表示forward)，接近零的負向流動電流則稱為「逆向電流ir」(r表示reverse)，順向電流流動時發生的電壓稱為「順向電壓vf」，逆向電流流動時發生的電壓稱為「逆向電壓vr」。
表1 二極體的特性與分類
圖1 檢測二極體電壓-特性的**電路
圖2 二極體的電壓、電流特性
圖3是利用上述相同模擬方式，計算二極體從vd到id的等價性阻抗rd，依此描繪的座標圖，必需注意的是圖中的縱軸為對數刻度，以及vd = 0v時出現的計算誤差。由圖可知rd是以vd = 0.6v為界線，如果vd < 0.
6v時，等價性阻抗rd會急遽公升高接著迅速降低，這種現象若以機械開關作比喻，rd很高時如同開關的接點呈off狀態， 很低時開關的接點則變成呈on狀態，換句話說二極體可以從外部控制兩端發生的電壓，進行無接點的開關(switch)動作。
圖3 二極體兩端的電壓超過0.6v時的特性
圖4的測試電路先將二極體d1串聯1kω電阻接著連線電壓源v1；圖5是對二極體的兩端以0.01v為刻度，從-5v到+5v施加電壓 ，接著再用dc進行模擬分析獲得的結果，由圖可知由於二極體的v1在-5v ~ +0.6v之間為off，測試電路幾乎沒有電流流動，因此v1的電壓變成直接施加狀態，亦即vd = v1，不過v1一旦超過+0.
6v二極體會成為on狀態，vd = v1的關係立即消失成為+0.6v一定值，由此可知二極體on時，兩端產生的電壓vf與電流無關，它幾乎是呈一定值的定電壓器件。
雖然vf值隨著二極體的種類與順向電流改變，不過一般小訊號矽二極體器件的vf 0.6v，大功率的場合vf 0.8v。
圖4 二極體與電阻串聯的電路
圖5 二極體的順向電壓即使超過0.6v時的特性
圖4的二極體順向電流if是電阻產生的電壓從v1減掉vf的結果，它可以用下式表示:
圖6是用圖5相同條件改變v1，依此進行二極體電流模擬分析所獲得的結果，圖中「×」表示式(1)計算式之中，vf = 0.6v時的順向電流，根據模擬分析的結果顯示它與計算值非常接近，換言之利用式(1)可以輕易求得二極體的順向電流。
圖6 二極體的電流與計算結果一致
電阻與二極體構成的應用電路
圖7是可以輸出交流訊號正極端的正輸出半波整流電路，輸入訊號為2vpeak , 1khz正弦波；圖8是利用過渡分析模擬範圍0 ~ 2ms時各部位的波形獲得的結果，由圖可知輸入電壓超過+0.6v時d1變成on，因此產生輸出電壓voutput，此時的voutput比vinput二極體的順向電壓vf 0.6v低。
圖9是圖8時間軸的放大圖，由圖可知vinput若超過+0.6v，voutput便開始站立，vinput低於+0.6v時d1變成off，voutput幾乎成為0v。
值得一提的是圖7電路，它的輸入訊號同時具備控制二極體的on/off功能，雖然雙極電晶體(bipolar transistor)與fet，也擁有可以控制器件on/off的專用端子，不過二極體卻沒有控制端子，因此二極體器件利用外部電路改變器件兩端的電壓與電流，才能達成控制電流on/off的目的。
根據奧姆法則可知負載阻抗的電流irl，可以用下式表示:
它的波形與圖8的voutput完全相同。
圖7 可以輸出交流訊號正極端的正輸出半波整流電路
圖8 正輸出半波整流電路的各部位波形
圖9 輸出比輸入低vf 0.6v
圖10是可以抓取交流訊號負極端的負輸出半波整流電路，它與圖7最大差異是二極體的方向；圖11是利用過渡分析模擬範圍0 ~ 2ms時各部位波形所獲得的結果，由於二極體的方向相反，當vinput低於+0.6v時，d1變成on只能輸出負的半波voutput，d1 on時voutput與vinput兩者的電位差vf則變成+0.6v左右，此外voutput只會輸出負的電壓，因此負載阻抗的電流irl與圖8的極性相異成為逆極性(從rl算起二極體變成吸入方向)。
圖10 可以抓取交流訊號負極端的負輸出半波整流電路
圖11 負輸出半波整流電路的各部位波形
圖12是可以去除(cut)交流訊號負極端的負電壓clamp電路，欲去除負振幅時經常使用本電路；圖13是利用過渡分析模擬範圍0 ~ 2ms時各部位波形所獲得的結果，由圖可知輸入電壓vinput超過-06v時d1變成off，輸出電壓voutput變成voutput，如果vinput低於-0.6v的話，d1會變成on，由於voutput與vinput的振幅無關，因此會固定變成-0.6v一定值，而且還它會自動去除比輸入訊號-0.
6v更低部份。
使用由二極體構成的clamp電路時，必需注意clamp動作期間，二極體內會有(vinput - vf) / r1決定的電流流動，例如圖13的電路中二極體內有峰值2v - 0.6v / 1kω = 1.4ma的電流流動。
圖12 cut交流訊號負極端的負電壓clamp電路
圖13 負電壓clamp電路各部位的波形
電容與二極體構成的應用電路
圖14是利用變壓器將絕緣的交流訊號轉換成直流訊號的轉換電路，本電路是由半波整流電路與電容構成，它可以應用在電源電路與am(振幅變調)檢波電路。
圖14 電源用半波整流電路與平整電路的組合
圖15是為了進行模擬分析，依照圖14器件與電路定數設計的電路圖，圖中的變壓器2次端輸出改成萬用電壓源vsrc，二極體則使用一般整流用d1n60二極體；圖16是將v1設定5vpeak正弦波，接著再利用過渡分析模擬範圍0 ~ 40ms時各部位波形，由圖16的分析結果可知只有半波整流電路，可以變成圖8的voutput正弦波的半波，此時若將電容插入的話，隨著連線輸出波形山峰之間的波動，會變成直流訊號。
圖15 半波整流平整電路的**分析
根據奧姆法則，負載阻抗的電流irl可以用下式表示:
由於irl與voutput呈比例，因此波形與vinput相同。
圖16 半波整流平整電路的各部位波形
圖17是同時描繪二極體內的電流id1與輸出電壓所獲得的座標圖，如圖所示vinput比voutput的d1順向電壓高vf 0.8v 時，d1會有電流流動，此時二極體呈on狀態，至於id1變成負極性則代表從二極體的流出的方向有電流在流動 。
圖17 二極體的on時間特性
此外圖17中2ms附近的id1大到幾乎要超越圖17座標圖，主要原因是電荷對電容充電造成初期電流流動。
無平整電容的場合，如圖8所示voutput若大於時，雖然vf二極體會變成on，不過本電路的平整電容會有殘留電荷，所以圖17的二極體on時間非常短，而且此時二極體呈on狀態，因此voutput的峰值部位電壓，比voutput的低vf 0.8v。
接著將make裝設至圖18內，藉此觀察各部位電流波形，圖19是各部位電流波形的座標圖，由圖可知二極體on時的電流id1呈峰值狀(超過700ma以上)，不過二極體一旦off時電流立即變成零，至於電容內的電流ic1，它的峰值部位的波形幾乎與id1相同，一般認為主要原因是id1的大部份流入電容內充電所致，至於造成id1比ic1略大主要原因，一般認為是二極體對電容c1充電的同時也提供電流irl給rl所致。
二極體變成off時id1 = 0，ic1的極性也變成跟irl一樣，造成該現象主要原因是電容儲存的能量變成放電電流rl所致。圖20是綜合上述結論繪成的二極體電流流動特性圖，由圖可知隨著二極體on/off各部位的電流呈動態變化。根據圖19顯示，負載內的大部份電流都是電容提供的放電電流，電容兩端的電壓隨著放電逐漸降低，進而造成voutput發生波動(ripple)現象。
此處假設波動的峰值對峰值(peak to peak)為波動電壓δv，如此一來δv可用下式作近似計算:
由式(4)得知只要加大電容的容量，就可以降低波動電壓，接著將下列資料代入式(4):
上述計算結果與圖16模擬分析非常近似。
圖18 檢測半波整流電路的方法
圖19 各部位的電流波形
圖20 二極體的電流流動呈動態性
以上介紹二極體的基本功能，同時針對泛用二極體進行模擬分析，藉此**二極體動作時的電流與電壓決定方法。
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