🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 分清「理想模型」與「真實二極體」差在哪裡
- 了解造成模型失效的 6 大物理來源（不是背規格，而是懂原因）
- 知道工程師在不同情境會改用哪一種二極體模型
- 看到 I–V、溫度、頻率、脈衝切換時，能判斷哪種效應在主導
🧭 一、先給核心觀念
理想二極體模型（只允許單向導通、導通時壓降=0、反向電流=0）
它之所以「失效」，不是因為工程師算錯，而是因為：
👉 真實二極體的電流不是只由「位障」決定
👉 還同時被 材料缺陷、載子復合、串聯電阻、溫度、電場崩潰、電容與儲存電荷 影響
換句話說：
理想模型只描述了“方向性”，沒有描述“代價”。
真實世界的代價包括：壓降、漏電、速度限制、熱失控、崩潰風險。
🧠 二、理想模型長什麼樣
理想二極體的 I–V 想像是這種「硬切換」：
I
│ │ (正向：一導通就無限大電流，壓降=0 的理想化)
│ │
│______│________________ V
│ │
│ │ (反向：完全 0 漏電)
但你在第 13 單元已經看到：真實 I–V 是彎的，而且會受條件改變。
⚡ 三、理想模型失效的 6 大原因（每一個都會在工程上出事）
3.1 正向壓降不可能是 0：因為你不是在「開門」，你是在「搬運載子」
在正向偏壓下，電流增加代表大量載子跨越接面並在材料中移動。
這會帶來兩種不可避免的壓降：
- 接面本身的指數關係（不是線性開關）
- 材料與金屬接觸的串聯電阻 Rs（電流越大壓降越大）
所以真實曲線會在大電流時「變鈍」，不像理想那樣一路暴衝。
直覺一句話：
👉 電流越大，你越是在付“導線＋材料”的內阻成本。
3.2 反向電流不可能是 0：熱會一直產生少數載子
反向偏壓時你以為「關起來了」，但材料裡仍然會因溫度產生少數載子，形成 反向漏電流。
漏電流的工程含意非常致命：
- 低功耗電路：漏電就是耗電
- 感測電路：漏電就是偏移與雜訊
- 高溫環境：漏電會顯著上升
直覺一句話：
👉 反向不是“完全沒電流”，而是“只剩熱造成的那一點點”。
3.3 「門檻電壓」不是固定常數：溫度一變，你的“Vth”就在漂
很多人把 0.7V 當定律，但它只是某些條件下的常見數字。
溫度升高會造成：
- 少數載子變多
- 指數曲線整體向左移（同電流下所需的正向電壓下降）
工程後果：
- 溫度變化 → 壓降改變 → 偏壓點漂移
- 高功率時自我發熱 → 更容易導通 → 更大電流 → 更熱（熱正回授風險）
直覺一句話：
👉 二極體不是“0.7V 元件”，它是“溫度敏感的指數元件”。
3.4 反向崩潰不是「意外」：是電場到極限後的必然機制
理想模型把反向視為開路，但真實二極體在反向電壓夠高時會進入崩潰。
崩潰來源主要兩類（你先抓直覺就好）：
- Zener（多見於較重摻雜、較低崩潰電壓）
- Avalanche（多見於較高崩潰電壓）
工程後果：
- 你若沒設限流，崩潰電流暴增會直接燒毀
- 但若你“刻意使用它”（像齊納穩壓），那就必須設計電流範圍與散熱
直覺一句話：
👉 崩潰不是“突然壞掉”，是“電場機制切換”。真正壞掉的是你沒限流。
3.5 二極體不是純電阻元件：它內建「電容」與「儲存電荷」
只要有 PN 接面，就一定會有接面電容；只要你曾正向導通，就會有載子儲存。
這會導致高頻與切換時的行為跟直流完全不同：
- 接面電容 → 造成延遲、相位、頻率響應改變
- 反向恢復（Reverse Recovery） → 你以為關了，但它還在“吐出儲存的載子”
工程後果：
- 開關電源、整流、PWM、數位高速切換：二極體可能造成尖峰、損耗、EMI
- 所以才會有 快恢復二極體、肖特基二極體 等選擇
直覺一句話：
👉 二極體不只“通或不通”，它還有“來不來得及停”。
3.6 量測與佈線會讓你誤判：你看到的不是“二極體本體”，而是“整個回路”
在實驗或產品上，常見誤差來源：
- 導線電阻、接觸電阻
- 電源內阻與限流機制
- 萬用電表量測方式（電壓表內阻、電流表負擔電壓）
- 元件自我發熱（量越久越不一樣）
直覺一句話：
👉 你量到的是“二極體＋線材＋儀器＋溫度”的總和。
🧩 四、工程師因此改用哪些「更接近真實」的模型？
你不需要一開始就背公式，你要先會選「工具」。
4.1 最常用：固定壓降模型（快速估算）
- 正向：假設 0.7V（矽）或 0.3V（肖特基）
- 反向：開路 用途：邏輯判斷、粗估功耗、初步電源路徑分析
4.2 進階一點：分段線性模型（能看出電流變大時的代價）
加入一個等效串聯電阻 Rs：電流越大，壓降越大
用途：整流、大電流、功耗估算更可靠
等效概念圖（直覺版）：
┌───|>|───┐
Vin o--┤ ├--o Vout
└---[ Rs ]--┘
(真實：導通後仍有 Rs，壓降不是固定不變)
4.3 真正貼近物理：指數模型（含 n、Rs、溫度）
用途：精準偏壓、類比電路、溫漂敏感設計、SPICE 模擬
4.4 高速/電源必備：加上電容與反向恢復的動態模型
用途：SMPS、RF、脈衝切換、EMI/尖峰問題定位
🧠 五、把「失效」轉成一張直覺地圖
你可以用一句話把整個單元記住：
- DC 小電流：指數曲線主導（門檻感來自指數，不是硬牆）
- DC 大電流：Rs 開始主導（曲線變鈍、壓降上升、發熱增加）
- 反向與高溫：漏電主導（功耗、偏移、可靠度）
- 高反向電壓：崩潰機制主導（限流與熱設計決定生死）
- 高頻/切換：電容與儲存電荷主導（速度、尖峰、EMI）
🔬 電子學實驗題（14/120）
實驗名稱
理想模型 vs 真實二極體：溫度與大電流下的偏差觀察
🎯 實驗目的
- 驗證「0.7V」不是定律
- 觀察大電流下 Rs 造成的壓降變化
- 觀察溫度上升導致 I–V 位移
🧰 器材
- 矽二極體（1N4148 或 1N400x 皆可）
- 可調直流電源（具限流）
- 電阻（例如 100Ω、10Ω 各一）
- 萬用電表（V、A）
- 可選：熱風槍或吹風機（低溫也可用冰袋外包避免凝露）
🔧 接線 ASCII 圖
+V o----[ R ]---->|----o GND
|
(Vd)
Vd：量二極體兩端電壓
🔧 步驟
1. 用較大電阻（如 100Ω）做小電流掃描：0V 起每 0.1V 記錄 I、Vd
2. 換較小電阻（如 10Ω）進入較大電流區：觀察 Vd 是否仍接近固定值
3. 在固定電流（例如 5 mA 或 20 mA）下，對二極體輕微加熱，再量 Vd 變化
4. 將結果用兩句話解釋：
o 哪一段偏差主要來自「指數」？
o 哪一段偏差主要來自「Rs / 發熱」？
📌 預期觀察
- 小電流區：你會看到“門檻感”但不是硬牆
- 大電流區：Vd 會隨 I 增加而上升（Rs + 發熱）
- 加熱後：同電流下 Vd 下降（曲線向左移）
✅ 本單元一句話結論
⚠️ 理想二極體模型會失效，因為真實二極體不是“單向開關”，而是會隨電流、溫度、電場與頻率改變狀態的物理系統。
