二極體

二極體用半導材料。藉由二極體的特性，在電力工程上常用作整流器；在計算機硬體邏輯設計上常用作邏輯電路的邏輯閘。1874年，德國物理學家卡爾·布勞恩在卡爾斯魯厄理工學院發現了晶體的整流能力。因此1906年開發出的第一代二極體——“貓鬚二極體”是由方鉛礦等礦物晶體制成的。早期的二極體還包含了真空管，真空管二極體具有兩個電極 ，一個陽極和一個熱式陰極，藉由電極之間加上的電壓能夠讓熱電子從陰極到達陽極，因而有整流的作用。在半導體效能被發現後，半導體二極體成為了世界上第一種半導體器件。現如今的二極體大多是使用矽來生產，鍺等其它半導體材料有時也會用到。目前最常見的結構是，一個半導體效能的結晶片透過PN接面連線到兩個電終端。功能.二極體具有陽極和陰極兩個端子，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，而不能從陰極流向陽極。對二極體所具備的這種單向特性的應用，通常稱之為「整流」功能,可將交流電轉變為，例如：無線電接收器對無線電訊號的調變，就是透過整流來完成的。因為其順向流通逆向阻斷的特點，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關性，而是呈現出較為複雜的非線性電子特徵——這是由特定型別的二極體技術決定的。一般來說，只有在正向超過障壁電壓時，二極體才會工作。一個正向偏置的二極體兩端的電壓降變化只與電流有一點關係，並且是溫度的函式。因此這一特性可用於溫度感測器或參考電壓。半導體二極體的非線性電流-電壓特性，可以根據選擇不同的半導體材料和摻雜不同的雜質從而形成雜質半導體來改變。特性改變後的二極體在使用上除了用做開關的方式之外，還有很多其他的功能，如：用來調節電壓。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接面效應，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型別。若是PN接面型的二極體，在P型側就是陽極，N型側則是陰極。歷史.20世紀初，由於無線電接收器探測器的需要，熱離子二極體之上。真空管的發現.1873年，兩者結合而來的。儘管二極體基本都有著“整流”作用，但是現在“整流器”一詞通常在特定情況下才會被使用。如電源供應所需要的“半波整流”或“全波整流”裝置；或者是陰極射線管所需的高壓電續流二極體。熱離子二極體.-{zh-hans:;zh-hant:}-一個熱離子二極體就是一個真空管，由一個包含著兩個電極的密封真空玻璃殼組成：由燈絲加熱的陰極，和一個陽極。早期產品的外觀和現在的白熾燈泡相當類似。在操作中，一個單獨的電流透過由鎳鉻合金製成的高電阻燈絲後可導致它釋放電子到真空。這一過程即熱發射。陰極通常塗有鹼土金屬氧化物，如鋇或鍶的氧化物。因為它們具有較低的功函式，可使發射的電子數量增加。有些真空管則直接加熱鎢絲，鎢絲則既作為加熱器也是陰極本身。交流電會在負極及與其同心的陽極板之間整流，當板子帶正電時，靜電會從負極處吸引電子。所以電子即從陰極連通到陽極成為了電流。然而當極性反轉陽極板帶有負電時，陽極板不會發射電子，而陰極也並不會吸引電子，因而沒有電流會產生。如此則保證了電流的單向流通，即從陰極流向陽極板。在汞弧閥中，一種難熔的導電陽極與一池作為陰極的液態汞之間會形成電弧，電壓單位可達數百千瓦，這對高壓直流輸電的發展起到了促進作用。一些小型的熱離子整流器有時候也用汞蒸氣填充，以減少他們的正向壓降並增加這種熱離子強真空器件的電流額定值。整個真空管時代，這種二極體應用於模擬訊號，並在消費電子產品的直流供電裝置中當做整流器。20世紀40年代，在那些供電裝置內的真空管開始被硒整流器所替代，然後在1960年代又被半導體二極體替代。如今，二極體仍然在一些高功率應用場合中使用，由於能夠承受瞬變和較好的魯棒性，使得他們比半導體器件的優勢能夠顯現出來。尤其是音訊處理上，真空管基本不存在瞬態互調失真、開關失真及交越失真等影響音質的問題。因此近年來，在音響發燒友和錄音棚所用的音訊裝置中，應用真空二極體的老式音訊裝置有回潮的跡象，如家用音響系統甚至是吉他效果器。半導體二極體.圖示.電路圖中用於二極體的圖示如下圖表所示。點接觸式二極體.點接觸式二極體和下文所述的面接觸式二極體工作原理類似，不過構造較為簡單。主要結構即為一個由第三主族金屬製成的導電的尖端，和一塊與其相接觸的N型半導體。一些金屬會進入半導體，接觸面的這一小片區域就成為了P型半導體。長期流行的1N34鍺型二極體，目前還在無線電接收器中的檢波器中使用，並有時會在一些應用類比電子的場合使用。面接觸式二極體.面接觸式PN接面二極體是由一塊半導體晶體制成的。不同的摻雜工藝可以使同一個半導體從N型半導體一端，流向P型半導體一端，但是不能反向流動。整流動作.當二極體兩邊施加電壓時，耗盡區的寬度，PN接面勢壘高低均會發生變化，導致二極體的電阻發生變化。正向偏壓.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的形式被放出。能讓正向電流透過的必要電壓被稱為開啟電壓，特定正向電流下二極體兩端的電壓稱為正向壓降。反向偏壓.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透過。更多的細節請PN接面」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。在擊穿區內，電流在較大的範圍內變化而二極體反向壓降變化較小。穩壓二極體就利用這個區域的動作特性而製成，可以作為電壓源使用。接面電壓.當二極體的P-N接面處於正向偏壓時，必須有相當的電壓被用來貫通空乏區，導致形成一反向的電壓源，此電壓源的電壓就稱為障壁電壓，矽二極體的障壁電壓約0.6V～0.7V，鍺二極體的障壁電壓約0.3～0.4V種類.依照材料及發展年代分類：依照應用及特性分類：施加順向偏壓，利用半導體中PN接合的整流性質，是最基本的半導體二極體，常見應用於整流方面以及與電感並聯保護其他元件用。細節請參照PN接面的條目。利用金屬和半導體二者的接合面的「蕭特基效應」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。施加逆向偏壓，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。其順向偏壓與一般的二極體相同。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。施加逆向偏壓，二極體PN接合的空乏層厚度會因電壓不同而變化，產生靜電容量的變化，可當作由電壓控制的可變電容器使用。沒有機械零件所以可靠度高，廣泛應用於壓控振盪器或可變電壓濾波器，也是電視接收器和行動電話不可缺少的零件。施加順向偏壓，可以發光的二極體。由發光種類與特性又有紅外線二極體、各種顏色的可見光二極體、紫外線二極體等。當LED產生的光是頻寬極窄的同調光時，則稱為雷射二極體。光線射入PN接面，P區電洞、N區電子大量發生，產生電壓。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等型別。太陽電池也是利用此種效應。由日本人江崎玲於奈於1957年發明。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。這是最能耐受核輻射的半導體二極體。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透過的性質，用於天線的頻帶切換以及高頻率開關。應用於低功率微波振盪器。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。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"。礦石收音機中使用的也是一種點接觸二極體。當施加超過規定電壓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/可控矽整流器的複雜分類中。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。通常由二氧化鋅的燒結體顆粒製成，當作非線性電阻使用。雖然一般認為它的作用應是由內部眾多金屬氧化物顆粒間的蕭特基接面二極體效應而產生，但對外並不呈現二極體的特性，因此平常並不列在二極體分類之中。利用奈米尺寸的幾何結構實現特性。有望應用於需要極高速整流的領域如，實現將可見光或紅外線轉化為直流電的功能。註解.