篇名

二極體的工作原理與應用

作者

張弘勇。中山工商。綜合科。三年七班

二極體的工作原理與應用

- 1 -

壹●前言

二極體是各種電子系統中最基本的組成元件之一，同時，它的特性類似一般的開

關，有整流的作用，在電子系統中也扮演著重要的角色。它的應用範圍自簡單延

伸到複雜的範圍，二極體中，有利用 P 型和 N 型兩種接合面的 PN 結效應，也有

利用金屬與半導體接合產生的蕭特基效應達成整流作用的類型。就由我來帶你們

一起來探討什麼是二極體，在我們的生活有什麼樣的幫助。

贰●正文

一、二極體的起源

二極體(diode)具有兩個電極(一個陰極和一個陽極)的電子管。1904 年英國物理學

家弗萊明(J.A.Fleming)所發明。在二極管中電子僅單方向流通，因此被廣泛用作

整流器，將交流電(AC)轉變成直流電(DC)。

二、何謂二極體

二極體(diode)是一種讓電流只能電向通過的電子元件。最早的二極體是由真空管

或含低壓氣體的管子所組成，在管子內有二根細線—屏極與絲極，電子只能單向

地從絲極跑到屏極，如此可限定電流的方向；此種真空管或氣體二極體體，現在

大致被半導體二極體所取代了。(LED)更是用途廣泛，特別是雷射二極體，可發

射雷射光用作指示器。二極體的用途可用在將交流電轉換為直流電，光電管為二

極體的一種變形應用，可以感應光線或其他射線的改變，並能增強、放大光量，

此外，能釋放光能或其他射線的發光二極體。《註一》

三、二極體的種類

1.PN 二極體 (PN Diode)將Ｐ型半導體(本質半導體加入３價雜質：硼、鎵、銦)與Ｎ型半導體(本質半導

體加入５價雜質：砷、磷、銻)接合在一起即成為ＰＮ接面二極體，Ｐ型端為陽

極(正極＋)，Ｎ型端為陰極(負極－)。《註二》

2.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。若加入順向偏壓時，

Ｎ型區的自由電子獲得足夠的能量，而移至較大的軌道中運動，因此自由電子也

能跨越接面而進入金屬區，造成大的順向電流。由於金 屬並無少數載子，故無

電荷儲存，也幾乎沒有逆向恢復時間。

二極體的工作原理與應用

- 2 -

3 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 Zener 降伏，與電流大小無關，

得到一定的電壓之性質。利用此性質作成的元件。被用於作為電壓的基準。借由

添加不純物的種類、濃度，決定降伏電壓（破壞電壓）。另外，順方向的特性與

一般的二極體相同。

4.定電流二極體(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。

5.隧效應二極體(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。借由調整不純物的濃度、在

順向施加與 Zener breakdown 電壓相等的偏壓。

6.交流二極體(DIAC）、突波保護二極體

如果施加超過規定電壓（brak 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。使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三極管(thyristor)的複雜分類中。

7.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，也是電視接收器和移動電話不可缺少的零件。

符號如圖一所示：

(圖一)變容二極體的符號

資料來源：檢索於 2007/1014，http://sun.cis.scu.edu.tw/~lab/knowledge/s03.jpg

二極體的工作原理與應用

- 3 -

8.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，逆回復時間也較

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。

9.雷射二極體(laser diode)當 LED 產生的光是帶寬極窄的同調光(coherent light)時，則稱為雷射二極體。

10.光電二極體(photo diode)光線射入 PN 接合，P 領域的電洞、N 領域的電子集合，產生電壓（光電效應）。

借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。

11.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 Gunn 二極體。礦石檢波器也是一種點接觸二極體。

12.發光二極體(Light Emitting Diode. LED)在一適當的順向偏壓下，電子、電洞由乾電池分別注入Ｐ、Ｎ兩端後，便會在Ｐ

Ｎ界面區域結合而發光，即電子由高能量狀況掉回低能量狀態與電洞結合，將能

量以光的形式釋放出來。外部的乾電池會不斷地由Ｎ側注入(補充)電子，並由Ｐ

側注入電洞，使得電子、電洞結合而發光的動作持續進行，這就是發光二極體的

發光原理。《註三》

四、二極體的工作原理

晶體二極管為一個由 P 型半導體和 N 型半導體形成的 PN 結，在其介面處兩側形

成空間電荷層。當不存在外加電壓時，因 PN 兩邊載流子濃度差引起的擴散電流

和自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時，

外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流

當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電

壓範圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流。當外加的反向電壓高到一定程

度時，PN 結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生

大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極體的擊穿現象。

五、二極體的導電特性

二極體最重要的特性就是單方嚮導電性。在電路中，電流只能從二極體的正極流

入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極體的正向特性和反向特性。

二極體的工作原理與應用

- 4 -

1.正向特性：

在電子電路中，將二極體的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極體就會

導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極體兩端的正向電壓

很小時，二極體仍然不能導通，流過二極體的正向電流十分微弱。只有當正向電

壓達到某一數值(這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為 0.2V，矽管約為 0.6V)以後，二極體才能直正導通。導通後二極體兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為

0.3V，矽管約為 0.7V），稱為二極體的正向壓降。

【表一】、矽二極體與鍺二極體的比較

材質 切入電壓 逆向漏電流 逆向崩潰電壓 用途

矽 0.6 ～ 0.7 小(nＡ) 大(≦1000Ｖ) 整流、箝位、截波、保護

鍺 0.2 ～ 0.3 大(μＡ) 小(≦400Ｖ) 檢波

(資料來源：檢索於黃傑(2005)。電子電路實習升學寶典Ａ。台科大圖書)

2.反向特性：

在電子電路中，二極體的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極體中

幾乎沒有電流流過，此時二極體處於截止狀態，這種連接方式，稱為反向偏置。

二極體處於反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極體，稱為漏電流。當

二極體兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極體將失去單

方嚮導電特性，這種狀態稱為二極體的擊穿。

六、測試二極體的好壞

初學者在業餘條件下可以使用萬用表測試二極體性能的好壞。測試前先把萬用表

的轉換開關撥到歐姆檔的 RX1K 檔位（注意不要使用 RX1 檔，以免電流過大燒

壞二極體），再將紅、黑兩根表筆短路，進行歐姆調零。

1、正向特性測試：

把萬用表的黑表筆（表內正極）搭觸二極體的正極，，紅表筆（表內負極）搭觸

二極體的負極。若錶針不擺到 0 值而是停在標度盤的中間，這時的阻值就是二極

體的正向電阻，一般正向電阻越小越好。若正向電阻為 0 值，說明管芯短路損壞，

若正向電阻接近無窮大值，說明管芯斷路。短路和斷路的管子都不能使用。

2、反向特性測試：

把萬且表的紅表筆搭觸二極體的正極，黑表筆搭觸二極體的負極，若錶針指在無

窮大值或接近無窮大值，管子就是合格的。

二極體的工作原理與應用

- 5 -

七、二極體的實際用途

1.整流二極體

二極體具有 P 和 N 兩個端子，電流只能往單一方向流動。電流可以從 P 流向 N，

不能從 N 流向 P(單向性)，也可利用二極體單向導通電性，把方向交替變化的交

流電變換變成單一方向的脈動直流電。這種作用就被稱之為整流作用。

2.蕭特基二極體

此二極體的重要應用之一是用在數位計算機，因計算機的速率由其內部二極體及

其他裝置的通斷速度有多快來決定，而這也是開始製造蕭特基二極體的原因。因

為蕭特基二極體無電荷儲存，所以也成為快速數位。

3.開關元件

二極體在正向電壓作用下電阻很小，處於導通狀態，相當於一隻接通的開關；在

反向電壓作用下，電阻很大，處於截止狀態，如同一隻斷開的開關。利用二極體

的開關特性，可以組成各種邏輯電路。

4.限幅元件

二極體正嚮導通後，它的正向壓降基本保持不變（矽管為 0.7V，鍺管為 0.3V）。

利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定範圍內。

5.變容二極體

使用於電視機的高頻頭中。

参●結論

經過了這幾個星期的研究與探討，讓我了解到二極體的發明帶給人類無限的好

處。由於這幾年科技不斷的進步，二極體的技術也跟著快速的發展，因此二極體

是目前各種電子系統中最基本的組成元件之一，所以，在電子系統中也扮演著極

重要的角色。同時，它的特性類似一般的開關，也有整流的作用，通常家裡的電

器用品的整流作用都 是靠二極體的功能，還有，當我們走在路上所看到的廣告

看版，也都是利用發光二極體的作用而完成的。

肆●引註資料

《註一》http://www.bud.org.tw/answer/0106/010622.htm。(檢索於 2007/10/6)《註二》黃傑(2005)。電子電路實習升學寶典Ａ。台北，台科大圖書。

《註三》維基百科。(檢索於 2007/10/6) http://zh.wikipedia.org。