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電子零組件介紹客服2005/8/16pn二極體的基本結構與原理基本二極體的應用電路整流器(rectifier)基本二極體的應用電路流電源供應器的結構方塊圖及每一級的輸出波形選擇整流用二極體的重要參數：1.最大瞬時通過電流2.最大平均電流（消耗功率）3.最大瞬時逆向偏壓(peakinversevoltage,PIV)PS:有關pn二極體的電流電壓特性，還有一點要說明的。在逆向偏壓超過一定值，電流會突然的增大，這個現象稱做接面崩潰(junctionbreakdown)。接面崩潰常常會造成元件的毀損，一般使用應儘量避免。二極體的基本結構與原理蕭基二極體(Schottky-barrierdiode)發光二極體與雷射二極體pn接面二極體在順向偏壓時，n型區中的電子與p型區中的電洞到達空乏區附近復合，並釋放出約與半導體帶溝Eg相同之能量，若大部分的能量是光子的形式，此二極體可當作一有效的光源，稱做發光二極體(light-emittingdiode，LED)。雷射二極體(laserdiode)是某些發光效率特別好的二極體加上光學的共振腔形成，體積比傳統的固態雷射或氣體雷射小很多，例如一個5mW的紅光雷射二極體晶片大小約.3×0.3×0.1mm3，而同功率的氦氖雷射則約有3cm直徑、30cm長。由於蕭基二極體中電子所看到的位障較pn二極體中為小，他的啟動電壓較低，約只有0.3~0.5V，而且反向飽和電流IS也較大。蕭基二極體大多用在需要高速切換的地方，例如微波電路，主要原因在於他由導通到不導通狀態改變的切換時間遠比pn二極體短。二極體的基本結構與原理光偵測器半導體用作光偵測器一般有兩種方式：一是利用他的光導電度，稱為光導體(photoconductor)；另一種是利用二極體的結構，稱為光二極體(photodiode)。太陽能電池當光二極體面積很大時，照光後產生之光電流也很大，可以當作電源使用，稱為太陽能電池(solarcell)。二極體的應用種類與範圍二極體運用在電子電路上，依其功能可區分為：1.整流二極體(Rectifier)：將交流電(AC)轉變為直流電(DC)之必要元件；目前電力公司所生產的是交流電，但電子產品使用的是直流電，因此整流二極體是電子產品在電路設計上必備之基本主動元件。2.突波抑制器(TransientVoltageSuppressor,TVS)：為雪崩式二極體(AvalancheDiode)結構，能將高於正常電壓的電壓突波(TransientVoltage)抑制於不致破壞電路元件的忍受電壓內，能吸收範圍在400瓦~5000瓦的突波能量，一般用以保護較昂貴之電子元件(如IC)免受電壓突波之損害。3.齊納二極體(ZenerDiode)：主要用於調整工作電壓，保護線路，具電路穩壓功能。4.交換式二極體(SwitchingDiode)：主要功能係在轉換工作訊號狀況，應用於控制線路中。二極體在電子電路中可具有整流、交換、檢波、混頻或定電壓之功能，因此應用範圍相當廣泛，涵蓋電腦及週邊設備產品、消費性電子產品、通訊產品及汽車工業產品等。由於目前尚無其他產品具有相同特性可取而代之，因此未來在終端產品持續採用下，二極體仍有其市場需求。常見:穩壓二極管/突波吸收器/標準/消特基/橋式/快速/高效整流器/開關二極管/消特基二極管/調頻二極管/雙向觸發二極管產品應用範圍:資訊產品:電腦、總端機、總端機、監視器、交換式電源供應器、磁碟機、掃描器通訊產品:電話機、交換機、傳真機、行動電話、衛星定位系統、充電器消費性電子:電視機、數位音響、錄影機、光碟機汽車工業:汽車儀表、汽車整流、點火系統、ABS系統、安全氣囊三極體的基本結構與原理pnp(a)與npn(b)電晶體的結構示意圖與電路符號電晶體(transistor)是近代電子電路的核心元件，他的主要功能是做電流的開關，就如同控制水管中水流量的閥(valve)，圖1即此類比的示意圖。和一般機械開關不同處在於電晶體是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。電晶體一般而言至少要有三隻外接腳，故又稱三極體，其中包含一隻控制訊號的接腳。三極體的基本結構與原理a)pnp電晶體在順向活性區時主要的電流種類；(b)電洞電位能分佈及注入的情形；(c)電子的電位能分佈及注入的情形。a)一pnp電晶體偏壓在順向活性區；(b)沒外加偏壓，和偏壓在順向活性區兩種情形下，電洞和電子的電位能的分佈圖比較。三極體的應用電路BJT在數位電路中的用途其實就是開關，利用電訊號使BJT在順向活性區（或飽和區）與截止區間切換，就開關而言，對應開與關的狀態，就數位電路而言則代表0與1（或1與0）兩個二進位數字。若BJT一直維持偏壓在順向活性區，在射極與基極間微小的電訊號（可以是電壓或電流）變化，會造成射極與集極間電流相對上很大的變化，故可用作訊號放大器。三極體的應用電路BJT當作放大器及開關放大器的功能，基本上就是要將輸入端小的電訊號（可以是電壓、電流或功率）放大成輸出端大的電訊號（可以是電壓、電流或功率）。電晶體開關則是利用輸入很小的開關訊號，控制輸出端較大功率的元件，如LED、燈泡、或馬達等。這裡要特別說明一下，輸出訊號的能量來源是提供偏壓的直流電源，而非電晶體產生的，事實上電晶體本身也會消耗功率。共射極放大器電路共射極放大電路只要稍經修改便可用作一開關，即一控制燈泡亮或不亮的開關電路。三極體的應用種類與範圍常見:PNP硅外延三极管/NPN硅外延三极管/帶阻三極管/三端穩壓集成塊/可控硅/功率三極管/達林頓三極管產品應用範圍:產品主要應用在電視機、音響、計算機、電話機、手機、多媒體器材、數碼相機、傳真機、電動玩具等電子整機和電子配件上。石英與石英震盪器的基本結構與原理一.石英晶體:石英是由矽和氧（二氧化矽）組合而成,並具有壓電效應,當施加壓力在晶片表面時,它就會產生電氣電位,相對的當一電位加在晶片表面時,它就會產生變形或振動現象,掌握這種振動現象,控制其發生頻率的快慢,以及精確程度,就是水晶震盪器的設計與應用二.石英切割的種類和角度:會影響到所製作晶片的頻率穩定性,及重要特性參數.通常客戶所要求的規格,如晶片頻率偏移量與溫度變化的關係,以及晶片電氣特性參數,就是決定石英切割種類與角度的主要因素,其切割的種類與角度如圖一所示石英與石英震盪器的特性三.石英晶片特性:1.振動的型式與對應角度.2.頻率-溫度特性.3.水晶的等效電路與參數.4.負載電容與貯存溫度特性.5.衰退老化特性.1.振動的型式與對應角度:振動的型式大致上可分為:音叉式,彎曲式,延展式,面扭曲式,厚度扭曲式下表所示為晶片的振動型式,對應角度,長度厚度,形狀尺寸等相互關係.從此表中可決選出,製作晶片應採用何種振動型式,與何種對應角度及其頻率含蓋範圍,石英與石英震盪器的特性圖一是Z型板塊石英水晶最常用的切割對應角度,圖二是以常溫（25度C）為基準,各種切割方式所顯現的頻率-溫度特性曲線石英與石英震盪器的特性2.頻率-溫度特性:厚度扭曲式AT型切割頻率溫度特性曲線,從其切割角度之參數曲線圖可看出,AT切割頻率溫度特性曲線,類似於一元三次方程式的曲線,顯示在特定的溫度範圍內,有很好的頻率穩定特性.是目前水晶振盪器最常使用的切割型式.石英與石英震盪器的特性3.水晶的等效電路與參數:一個水晶振盪器的構成,含晶片仔和金屬電極片,這電極片如圖四所示是鍍附在晶片的前後兩面,並接腳引出,且與封裝外殼絕緣,如圖五所示為其等效電路,這兩電極間會發生壓電效應.參數特性說明如下:3.1.頻率及其誤差之表示法:水晶振盪器的中心頻率,都是以幾百萬周（MHz）,或幾千周（KHz）來表示,在常溫之下,一特定規格頻率的偏移誤差值,有正頻偏誤差值（Maximum）及負頻偏誤差值（Minimum）兩種,通常以百分比(%),或幾百萬分之一（ppm）來表示.3.2.頻率穩定度:在一般工作溫度下的頻率偏移量,常與其使用狀況有關,包括工作溫度範圍,負載電容量和驅動電位等,而欲更有效控制頻率穩定度則要以下列因素來設計,如:石英切割型式,切割角度,動作方式,及晶片的尺寸大小等.石英與石英震盪器的特性3.3.串聯諧振與並聯諧振:如圖五所示,即為石英振盪器的等效電路,顯示有兩種諧振型態產生.而如圖六所示,即為其串聯諧振與並聯諧振的頻率點.當在|XL|=|XC|時,C1–R1–L1所形成的諧振型態,稱之為低阻抗串聯諧振.為一般應用電路所採用的諧振點.而當C1–R1–L1所形成的電抗等於C0的電抗時,就稱為高阻抗的並聯諧振.石英與石英震盪器的特性3.4.動態電容（C1）與動態電感（L1）:如圖五所示,石英振盪器的等效電路,C1即為動態電容,L1即為動態電感,標準狀況,大部份的石英振盪器,是不理會L1的,因為只要設定一個動態元件值,即可達成共振的目的,工業常用標準只設定適當的C1值而已,當我們了解到石英振盪器的設計時,就知道實際的C1值,是有它的物理性限制,而這也跟它的動作方式,切割型式,大小尺寸,及所設定的頻率有關.3.5.並聯電容（C0）:晶片的兩電極端的靜電容量,是以微微法拉（PF）為單位的,並聯電容的特性顯現,在於電路是否構成諧振,其因素有石英的介電係數,晶片兩電極的面積,及晶片基座的雜散電容量.3.6.品質因素（Q）:一個石英振盪器的Q值,即是諧振動力的品質因素,要得到一個高穩態的石英振盪器,最直接的關係就是提高Q值了,高的Q值使頻寬變小,使其誘導抵抗曲線更陡峭,而高Q值石英振盪器,對抗外接電路誘導抵抗特性變化的遷引效應,遠大於低Q值石英振盪器.使振盪頻率的選擇性更好穩定性更高.3.7.等效串聯電阻（ESR）:石英振盪器的等效串聯電阻是以歐姆為單位,上述的動態電感（L1）,和動態電容（C1）,是兩個反相的相等阻抗,在等效電路上其結果是相互抵消的,而只剩下電阻（R1）特性,來形成串聯諧振,除了一些預先定義的並聯諧振頻率外,在串聯諧振石英振盪器阻抗（CI）量測,通常稱此為”等效”諧振電阻（R1）.3.8.驅動準位:驅動準位是一種驅使振動的功能,或稱做流經振盪器的激發電流,也是石英振盪器內的電能消耗量,常以微瓦（mw）或微微瓦（uw）表示,而最大的功率就是所有的電源裝置於操作時同時動作稱之,振盪器驅動準位應該設計在維持須要的最小值,來保證有效的適當啟動並維持振盪狀態,而避免不良的壽命特性及損壞.在應用上則需注意其使用IC驅動能力的搭配.石英與石英震盪器的特性4.負載電容（CL）與貯存溫度特性:當一個諧振電路對石英振盪器,構成相當的負載電容量時,這石英振盪器即被稱為並聯負載諧振,而就會有負載電容的產生,如果這個電路不會出現任何的電容性負載,那麼,這石英振盪器被稱為串聯負載諧振,就不會產生任何的負載電容值,在振盪電路上,搭配不同的負載電容值,會產生不同的振盪頻率,如圖七負載電容與頻率偏移特性曲線所示,而圖八是簡單的負載電容接線圖,系統設計時應採用標準規格來實驗以降低成本其中CL=(Cg*Cd/Cg+Cd)+CsCg=Cd2CLCs:雜散電容石英與石英震盪器的特性與應用貯存溫度特性:石英振盪器在非動作狀態,貯存時能忍受的最高溫度與最低溫度,當貯存一段時間後,所有的工作規格,還是能在特定的工作溫度內被保證.5.衰退老化特性:石英振盪器經過一特定的期間,其工作頻率會產生的變化,通常以每年最大變化量為幾個百萬分之一（ppm/year）來表示,造成這種頻率變化的因素有很多,如封裝方法和整合,製作過程,材料種類,工作溫度及頻率等四.石英水晶震盪器應用:二十世紀電子產業蓬勃發展,從早期大而繁的類比電路時代,演化成近期小而精的邏輯數位電路時代,其中時序電路就是邏輯數位電路的心臟,而石英水晶振盪器更為時序電路內不可或缺的關鍵元件,舉凡消費性產品:如數位電視,遊樂器,數位相機,手錶等.資訊產品:如個人電腦,及其週邊設備,掌上型電腦,及硬碟等.通訊產品:如行動電話,無線電電話,及呼叫器等.網路產品:如數據機,IA產品,甚至藍芽套件等.都是必須使用石英水晶振盪器來組成時序電路.尤其最近各種電子產品的