二極體

圖中顯示的為方形半導體晶體的近拍照片

電子元件當中，二極體是一種具有兩個(也只有兩個)電極的裝置(除了熱游離二極體thermionic diodes可能還會多一到兩條加熱用的輔助端)。二極體有兩個主要的電極可以使想要的訊號通過，大部分的使用上是應用其整流的功能。而變容二極體varicap diode則用來當作電子式的可調電容器。 大部分二極體所具備的電流方向性我們通常稱之為「整流rectifying」功能。二極體最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(稱為順向偏壓)，反向時阻斷 (稱為逆向偏壓)。因此，二極體可以想成電子版的逆止閥。然而實際上二極體並不會表現出如此完美的開與關的方向性，而是較為複雜的非線性電子特徵－這是由特定類型的二極體技術決定的。二極體使用上除了用做開關的方式之外還有很多其他的功能。 早期的二極體包含「貓鬚晶體“cat's whisker” crystals」以及真空管(英國稱為「熱游離閥thermionic valves」)。現今最普遍的二極體大多是使用半導體材料如矽或鍺。

[编辑] 二極體的整流作用

各種二極體，下方為橋式整流器

半導體二極體的電流－電壓特性曲線。電壓在正的區域稱為順向偏壓。

二極體具有陽極(anode)和陰極(cathode)兩個端子（這些用語是來自於真空管），電流只能往單一方向流動。也就是說，電流可以從陽極流向陰極，不能從陰極流向陽極(单向性)。這種作用就被稱之為整流作用。而在真空管內，藉由電極之間加上的電壓讓熱電子從陰極到達陽極，因而有整流的作用。 半導體二極體中，有利用P型和N型兩種半導體接合面的PN结效應，也有利用金屬與半導體接合產生的肖特基效應達到整流作用的類型。若是PN结型的二極體，在P型側就是陽極，N型側則是陰極。

[编辑] 二極體的基本運作

這裡針對半導體二極體的運作原理，選擇基本的PN结(PN接面)型二極體作為例子，簡單地說明其特性。讀者若是想尋找真空管二極體的運作原理，請參照真空管的條目。

[编辑] 基本構造和熱平衡狀態

半導体的pn接合面和能階結構的示意圖

PN结(PN接面)二極體是n型半導體和p型半導體互相結合所構成。PN结(PN接面)區彼此的電子和電洞相互抵銷，造成主要載流子不足，形成空乏層。在空乏層內N型側帶正電，P型側帶負電，因此內部產生一個靜電場，空乏層的兩端存在電位差。但是如果讓兩端的載流子再結合的話，兩端的電壓差則會變成零。

[编辑] 整流動作

[编辑] 正向偏壓(forward bias)

正向偏壓時的PN结二極體

二極體的陽極側施加正電壓，陰極側施加負電壓，這樣就稱為正向偏置，所加電壓為順向偏壓。如此N型半導體被注入電子，P型半導體被注入電洞。這樣一來，讓多數載流子過剩，空乏層縮小、消滅，正負載流子在PN接合部附近結合並消滅。整體來看，電子從陰極流向陽極（電流則是由陽極流向陰極）。在這個區域，電流隨著偏壓的增加也急遽地增加。伴隨著電子與電洞的再結合，兩者所帶有的能量轉變為熱（和光）的形式被放出。能讓正向電流通過的必要電壓被稱為開啟電壓，特定正向電流下二極管兩端的電壓稱為正向壓降。

[编辑] 反向偏壓(reverse bias)

反向偏壓時的PN結二極體

在陽極側施加相對陰極負的電壓，就是反向偏置，所加電壓為逆向偏壓。這種情況下，因為N型區域被注入電洞，P型區域被注入電子，兩個區域內的主要載流子都變為不足，因此結合部位的空乏層變得更寬，內部的靜電場也更強，擴散電位也跟著變大。這個擴散電位與外部施加的電壓互相抵銷，讓反向的電流更難以通過。更多的細節請參閱「PN接面」的條目。

實際的元件雖然處於反向偏壓狀態，也會有微小的反向電流（漏電流、漂移電流）通過。當反向偏壓持續增加時，還會發生隧道擊穿或雪崩擊穿或崩潰，發生急遽的電流增加。開始產生這種擊穿現象的（反向）電壓被稱為擊穿電壓或崩潰電壓。超過擊穿電壓以後反向電流急遽增加的區域被稱為擊穿區（崩潰區）。在擊穿區內，電流在較大的範圍內變化而二極管反向壓降變化較小。穩壓二極體就利用這個區域的動作特性而制成，可以作為電壓源使用。

[编辑] 二極體的種類

• PN接面二極體 (PN Diode)

利用半導体中PN接合的整流性質，是最基本的半導體二極體。細節請參照PN接面的條目。

• 蕭特基二極體 (Schottky Barrier Diode)

利用金屬和半導體二者的接合面的'蕭基特效應'的整流作用。由於順向的切入電壓較低，導通回復時間也短，適合用於高頻率的整流。一般而言漏電流較多，突波耐受度較低。也有針對此缺點做改善的品種推出。

• 穩壓二極體 (Reference Diode)（常用稱法：齊納二極體(Zener Diode))

被施加反方向電壓的場合，超過特定電壓時發生的反向擊穿電壓隨反向電流變化很小，具有一定的電壓穩定能力。利用此性質做成的元件被用於電壓基準。藉由摻雜物的種類、濃度，決定擊穿電壓（破壞電壓）。其正向特性與一般的二極體相同。

• 恒流二極體（CRD, Current Regulative Diode)

被施加順方向電壓的場合，無論電壓多少，可以得到一定的電流的元件。通常的電流容量在1~15mA的範圍。雖然被稱為二極體，但是構造、動作原理都與接合型電場效應電晶體相似。

• 隧道二極體 (tunnel diode)、江崎二極體(Esaki diode)、透納二極體

是利用量子穿隧效應的作用，會出現在一定偏置範圍內順向電壓增加時流通的電流量反而減少的「負電阻」的現象。1957年由日本人江崎玲於奈發明。這是最能耐受核輻射的半導體二極管。

• 交流二極體（DIAC）、突波保護二極體、雙向觸發二極體

當施加超過規定電壓（break over電壓，VBO）的電壓會開始導通使得端子之間的電壓降低的雙方向元件。用於電路的突波保護上。另，雖被稱為二極體，實際的構造、動作原理都應歸類為閘流管/可控硅整流器([[[thyristor]]]/SCR)的複雜分類中。

• 變容二極體（variable capacitance diode、varactor diode）

施加逆向電壓的場合，二極體PN接合的空乏層厚度會變化，利用靜電容量（接合容量）的變化的可變容量蓄電器。沒有機械零件所以可靠度高，廣泛應用於VCO或可變電壓濾波器，也是電視接收器和行動電話不可缺少的零件。

• PIN二極體(p-intrinsic-n Diode)

PN之間一層高電阻的半導體層，使少數載子的積蓄效果增加，逆回覆時間也較長。利用順向偏壓時高頻率訊號較容易通過的性質，用於天線的頻帶切換以及高頻率開關。

• 雷射二極體 (laser diode)

當LED產生的光是頻寬極窄的同調光（coherent light）時，則稱為雷射二極體。

• 光電二極體 (photo diode)

光線射入PN接面，P區電洞、N區電子大量發生，產生電壓（光電效應）。藉由測量此電壓或電流，可作為光感應器使用。有PN、PIN、蕭特基、APD等類型。太陽電池也是利用此種效應。

• 非線性電阻器ja:バリスタ

若超過一定電壓，電阻就會降低。是保護電路受到突波電壓傷害的雙向元件。由二氧化鉛的燒結體顆粒製成，當作非線性電阻使用。

• 二極真空管

参照真空管。

• 氣體放電管整流器

針狀電極和平板電極相向接近尖端放電。若把針狀電極當做負極，比較低的電壓就會開始放電。利用這樣的性質來做當作整流器。

• 點接觸二極體

用鎢之類的金屬針狀電極與N型半導體的表面接觸。此構造的特徵是寄生電容非常小。採用於鍺質二極體和耿效應二極體。礦石檢波器也是一種點接觸二極體。

• 發光二極體 (Light Emitting Diode. LED)
• 耿效應二極體

應用於低功率微波振盪器。

[编辑] 依材料分類（年代順序）

1. 二極真空管
2. 锗二極體
3. 硒二極體
4. 硅二極體
5. 砷化鎵二極體

[编辑] 相關條目

• 半導體
• 三極體

[编辑] 外部链接

• 二极管的特性与应用