●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。
在光通的領域中,二極體也是隨處可見。
●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。
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-)。
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。
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。 符號如下:
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。
●結語
二極體佔有極重要的部份,許多常見的電器用品都需 要用到二極體,像LED燈、MP3、電腦、奈米用品、手機等等;在許多電子電路 上也需用到二極體。
雖然二極體小小的並不起眼,但沒有了它就沒有現在電子科技的研究。因此我們藉由這篇來簡介二極體的功用。