k = 1.381×10⁻²³ J/K、q = 1.602×10⁻¹⁹ C。n为理想因子(1=扩散占主导,2=复合占主导)。
使用Shockley方程式 $I = I_0(e^{V/nV_T}-1)$ 计算二极管的电流-电压特性。实时改变材料、温度、理想因子,体验半导体工作原理。
k = 1.381×10⁻²³ J/K、q = 1.602×10⁻¹⁹ C。n为理想因子(1=扩散占主导,2=复合占主导)。
整流电路(交直流转换):这是最基本的应用。家用电源适配器和电源电路中,硅二极管用作整流桥将交流转换为直流。模拟器显示的正向电压降(硅约0.7V)就是这个过程中的损耗。
电压基准和温度传感器:利用二极管正向电压随温度变化的特性。通过恒定电流下的电压变化测量温度。这正是模拟器改变温度时曲线移动的原理。
高频·无线通信(锗二极管):锗二极管的正向电压低,适合微弱高频信号的检波。无线电晶体管收音机的鉴频器就用过这种特性。
太阳能电池:太阳能电池的内部模型以PN结和二极管特性为基础。暗状态下太阳能电池的I-V特性就是这个模拟器的输出曲线。
使用本模拟器时,特别是在实际设计中,有几个重要的误区需要避免。首先是"二极管正向电压总是0.7V(硅)"这个误解。数据手册的0.7V只是特定电流(如10mA或100mA)下的"代表值"。用模拟器对比1mA和100mA的压降,虽然电流增加10倍,但电压仅增加约60mV(n=1,室温),但绝对值差异巨大。在低电流电路中可能只有0.4V,大电流整流时可能超过1V。
其次是反向饱和电流 I₀ 的处理。模拟器使用固定值,但实际器件的制造偏差很大,数据手册通常只给"最大值"。标注为25℃时I₀=1nA(典型值)的硅二极管,最大值可能是50nA,高温下会增加1000倍以上。在高阻抗电路中精确处理漏电流对设计成败至关重要。
最后要理解Shockley方程式的适用范围。它在中等电流区表现完美,但实际二极管还有许多这个模型忽略的效应。大正向电流时,半导体的体积阻(series resistance)导致电压降快速增加,曲线变陡。在极低正向电压和反向区域,表面漏电和复合效应变成主导,与模拟值偏离明显。这是个"第一近似的优美模型",复杂设计需要使用SPICE模型等更高级的工具。
Si PN结二极管(1N4148型),反向饱和电流I0=2.5e-13 A,理想因子n=1.05,温度25℃时:热电压VT=25.87 mV,正向0.6V时电流约100 mA。升温至125℃时I0增加8倍,相同电压电流增加约40%。Vf@1mA从25℃的0.59 V降至85℃的0.56 V,温度系数-2.0 mV/℃。