雖然二極體(diode)是一種簡單元件,卻有許多值得探討的特性;這些特性通常取決於應用,包括整流器、訊號ORing或電晶體關斷、飛輪(freewheeling,電感與馬達應用)等等,當然還有LED和電壓參考等特定功能。

二極體正如其三角形電路符號所表示的,只能以單一方向傳輸電流,在相反方向則會阻斷電流及電壓。該理論是基於半導體接面(semiconductor junction)和摻雜區域的位向(orientation);而其中最基本的是PN接面二極體。

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圖1:基本二極體電路符號、組成、封裝外觀和特性圖。
(來源:Electronic & Electrical Engineer's Guide)

二極體偏置,即透過一個較低的正向壓降「自動」傳輸電流;PN接面二極體的典型壓降值為0.7V,蕭特基(Schottky)二極體的典型值為0.3V。運作發生於第一象限,其中電壓和電流均為正,而第四象限是阻斷電壓及所產生的漏電流。

大多數功率損耗(power loss)都是根據這兩個運作點計算的,然而二極體的快速開關也會導致功率耗損,其表現形式為在開關期間出現的電壓和電流。

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圖2:開通波形。
(來源:Vishay)

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圖3:關斷波形。
(來源:Vishay)

反向恢復(Reverse recovery)也會導致功率耗損,這與碳化矽(SiC)等新型半導體材料的技術發展有關。有許多不同類型的半導體材料被應用於二極體,包括氮化鎵(GaN)和砷化鉀(GaAs);這些材料針對不同的需求而有相對應的優勢,例如更快的恢復時間、更高的阻斷電壓,以及更大的電流容量等。

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圖4:反向恢復時間比較。
(來源:Research Gate)

因為這些半導體是根據能隙(energy gap)原理運作,所以二極體產生的熱量會改變其特性;功率耗損會產生熱量,因此Ptotal = Pconduction + Pblocking + Pturnoff + Pturnon。幸運的是,在關斷時間內的關斷損耗是均衡的,否則因為產生的電壓和電流量,功率耗損可能變得非常明顯。

關於二極體的最後一個想法是,它們並非無所不能;二極體具有能量脈衝額定值(energy pulse rating),以在週期性應用中單次甚至重複吸收能量。了解這些限制以及對元件性能的影響可以避免許多讓人頭痛的問題,例如為了分散一些壓力,採用並聯或串聯二極體可能會更好;與其他血緣相近的元件不同,它們具有更好的共享(share)特性。

(本文原刊於EDN姊妹刊、ASPENCORE旗下Planet Analog網站:Diode Characteristics,by Scott Deuty;本文作者為電力電子專家)