二極體是什麼？讓電流只往一個方向流的原理與用途

生活中的例子

手機充電器和筆電的電源轉接器裡，都裝有二極體。它們負責把插座的電，轉換成機器能用的形式。LED燈泡發光的部分，以及電視遙控器前端發出紅外線的部分，也都是一種二極體。

汽車和家電的電路板上，也裝著許多二極體。CPU這類晶片的內部，也做有保護電路不受靜電損害的二極體。

在電路圖中，二極體用三角形加上一條直線的符號表示。三角形指向的方向，就是電流容易流的方向。它的2個端子各有名稱：電流流入的一側叫陽極，流出的一側叫陰極。

原理①：電流的單行道

把電池和二極體接起來，試著讓電流流過。如果接成電流沿著符號三角形的方向流，電流就很容易流過。這個方向稱為順向。反過來接，電流就幾乎不流。這個方向稱為逆向。

電流好不好流，會隨電壓方向大幅改變。這個性質稱為「整流作用」。二極體沒有用來下達開或關指令的端子。讓電流通過或擋住，只由加在它上面的電壓方向與大小決定。這一點和用電壓操作開關的電晶體不同。

原理②：核心是PN接面

一般的二極體，是把p型和n型半導體接在一起做成的。n型是有許多電子負責導電的半導體，p型是有許多電子空位「電洞」的半導體。兩者相接的交界處，稱為PN接面。

在交界處附近，n型的部分電子和p型的部分電洞會移到對方那一側，相遇後消失。結果，交界處形成一層薄薄的區域，幾乎沒有能移動的電子和電洞。這一層稱為空乏區。

在空乏區中，電子離開的n型那側帶正電，電洞離開的p型那側帶負電。這種電的偏向，會把電子和電洞推回去，不讓它們再越過交界。也就是說，交界處形成了一道對電子和電洞而言的「坡」。

PN接面是1940年由美國貝爾實驗室的羅素·歐爾（Russell Ohl），在矽的樣品中發現的（美國電腦歷史博物館）。這項發現，後來促成了太陽能電池和電晶體的誕生。

把p型那側接電池的正極、n型那側接負極，就是順向。外加的電壓會降低交界處的坡，所以電子和電洞接連越過交界，在對方那側相遇後消失。消失的部分由電池補充，因此電流會持續流動。

反過來接時，電子和電洞會分別被吸往電極那側，離開交界。空乏區變寬，坡也變高。能越過的電子和電洞幾乎沒有，所以電流幾乎不流。

原理③：「0.6〜0.7伏特」的意義

即使接成順向，在電壓很小的時候，能越過坡的電子和電洞很少，只有極少的電流。矽二極體在電壓達到0.6〜0.7伏特左右時，電流會開始明顯流動。電流流過時加在二極體兩端的電壓，稱為「順向電壓」。

這個數字和交界處坡的高度有關。不外加電壓時，坡的高度用電壓來表示，稱為內建電位，矽約為0.6〜0.9伏特。用外加電壓把這道坡充分降低後，電子和電洞就能大量越過。

重要的是，0.6〜0.7伏特並不是「到這裡突然開始流」的界線。電流會隨電壓平順地、但非常急遽地增加。來看看小電流用（小訊號用）二極體1SS181，在東芝規格書上的典型值。1毫安培（千分之一安培）時是0.61伏特。10毫安培時是0.74伏特，100毫安培時是0.92伏特。電流增加10倍，電壓只增加0.1〜0.2伏特左右。

因此在估算電路時，記住「約0.6〜0.7伏特」很方便。不過在大電流時，還會加上元件內部電阻的部分，變成1伏特左右。

順向電壓也會隨溫度改變。讓矽二極體流過相同的電流，溫度每升高1℃，電壓約下降2毫伏特（0.002伏特）。有些晶片內部就利用這個性質，用二極體來量溫度（東芝）。

材料改變，順向電壓也會改變。LED的材料，電子能量的「高低差」（能隙）比矽大，交界處的坡也比較高。所以順向電壓也比較高。以ROHM（羅姆）的產品來說，流過20毫安培時的典型值，紅光LED是1.9伏特，藍光LED是3.2伏特。

原理④：逆向的極限——崩潰

接成逆向時，電流也不是完全為零。因為熱會產生少量的電子和電洞，它們會通過交界。例如小訊號用二極體1N4148的規格中，加上20伏特時的逆向電流，在25℃下最大為25奈安培。1奈安培是10億分之一安培。不過在150℃時，上限會增加為2000倍。

把逆向電壓再加大，到某個電壓時就會突然流過大電流。這稱為「崩潰」（breakdown）。發生崩潰的電壓，由每種產品的設計決定。例如整流用的1N4007，規格允許在逆向反覆加上最高1000伏特的電壓。

崩潰的發生方式主要有2種。第1種是被空乏區強大電力加速的電子撞上原子，產生新的電子和電洞。新產生的電子也被加速去撞擊，數量像雪崩一樣增加。這稱為累增崩潰。

另一種發生在摻入大量雜質、讓空乏區變得非常薄的時候。電子會因為量子力學的性質，穿過本來越不過的薄牆（「穿隧效應是什麼？」）。這種穿過造成的崩潰，稱為稽納崩潰。

崩潰本身並不會讓二極體壞掉。損壞的原因，是大電壓和大電流同時出現時產生的熱。只要把熱控制在容許範圍內，也可以在崩潰的狀態下持續使用。利用這一點的，就是後面介紹的稽納二極體。

用途①：把交流變成直流（整流）

家裡插座的電，流動方向會來回切換，每秒反覆50次或60次（依地區而定，例如日本東部是50次，西部是60次）。這種方向會交替的電，稱為交流。另一方面，手機的電池和電子電路，要用方向固定的電才能運作。這種電稱為直流。

在交流的路徑上放1個二極體，只有一個方向的那一半能通過，反方向的那一半會被擋住。這稱為半波整流。電流的方向雖然一致了，但有一半的時間電送不過來。

把4個二極體組成菱形，反方向的那一半也能折返方向後通過。它的接法讓兩個方向的電流，到了出口都往同一個方向流。這稱為全波整流。

只經過整流的電，方向雖然一致，大小卻還是起起伏伏。所以要接上能暫時儲存電、再釋放出來的零件（電容器），把波動抹平。這樣就接近方向和大小都幾乎固定的直流了。

現在的充電器，大多先用4個二極體的組合（二極體橋）把插座的交流整流，再用電容器抹平。接著以每秒數萬次以上的速度細細切換，通過小型變壓器降低電壓。最後再整流、抹平一次，變成送給手機的直流（ROHM）。切換得越快，變壓器就能做得越小，充電器也就越小、越輕。

用途②：保護電路

二極體也負責保護電路。例如，在電池的路徑上先放一個二極體，即使電池裝反，電流也不會流過。雖然會損失順向電壓那一部分的電，但能避免因為裝錯而傷到內部電路。

馬達，以及用電磁鐵動作的開關（繼電器）這類使用線圈（捲起來的電線）的零件，也少不了二極體。線圈有一種性質，會想讓正在流的電流繼續流下去。所以在關掉開關的瞬間會產生高電壓，可能弄壞其他零件。在線圈旁並聯一個二極體，就能成為電流的出口，壓住這個高電壓。

人體累積的靜電，有時會一瞬間從指尖流向端子。這稱為ESD（靜電放電），可能弄壞晶片內部的薄膜等構造。所以晶片的端子上，做有把多餘電流導到電路外的二極體。電路板上有時也會另外放置保護專用的二極體（東芝）。

二極體的同類

二極體有好幾個同類，它們依照用途改變了做法。

稽納二極體：利用崩潰讓電壓固定

稽納二極體是刻意讓崩潰在目標電壓發生的二極體。讓它在逆向流過電流，兩端的電壓就會幾乎維持在那個值。利用這個性質，可以產生固定的電壓，或壓住電壓不讓它升得太高。

名稱來自物理學家克拉倫斯·稽納（Clarence Zener，也譯作齊納）。他在1934年用理論說明了絕緣體中電子穿過牆壁所造成的崩潰。不過，稽納崩潰主要發揮作用的，是崩潰電壓大約低於5伏特的產品。更高電壓的產品，主要發生的是累增崩潰（東芝、Nexperia）。即使原理不同，習慣上都統稱為稽納二極體。

蕭特基二極體：低電壓、切換快

蕭特基二極體不用PN接面，而是用金屬與半導體的接面。根據東芝的說明，它在規定電流下的順向電壓約為0.4〜0.7伏特（依使用的金屬而變），比相同條件的PN接面低。因電壓而損失的電變少，所以能提高電源的效率。

PN接面二極體剛切換成逆向時，在內部殘留的電子和電洞消失之前，會有短暫的逆向電流。蕭特基二極體幾乎沒有這種延遲，適合切換速度快的電源。缺點是逆向漏電流大，而且矽製品不耐高電壓。高電壓用途會使用碳化矽（SiC）製的產品（「功率半導體是什麼？」）。

LED、光二極體、太陽能電池：和光打交道的同類

LED是一種二極體：順向流入的電子和電洞在交界處相遇時，會把能量變成光放出來。顏色由材料決定的原理，在「LED為什麼會發光？」中說明。

光二極體和太陽能電池的作用正好相反。光在交界附近產生成對的電子和電洞，空乏區的電力把它們拉開，變成電流。在相機的像素中用來測量光量（「影像感測器是什麼？」），在太陽能電池中用來取得電力（「太陽能電池為什麼能發電？」）。

常見的誤解

從數字來看

讓1N4148順向流過10毫安培時，電壓最大也只有1伏特。逆向即使加上20伏特，電流最大也只有25奈安培。電流的比約為40萬倍，這就是「只往一個方向流」的實際內容。

進一步學習

• 用表格看差異：順向偏壓與逆向偏壓的差異 / PN接面二極體與蕭特基二極體的差異 / 稽納崩潰與累增崩潰的差異
• 用圖和數字試試看：PN接面的圖解（空乏區寬度隨電壓改變的樣子） / PN接面空乏層寬度計算器（改變雜質的量或電壓來計算）
• 下一步的名詞：整流電路（各種整流方式的電路細節）、逆向恢復時間（剛切換後逆向流動的時間）、同步整流（用電晶體整流以減少損失的方法）