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二極體


何謂二極體(Diode)

二極體是一種具有兩個電極(一個陰極和一個陽極)的電子元件裝置,只允許電流由單一方向流過。西元1904年英國物理學家 弗萊明(J.A.Fleming)所發明。最早的二極體是由真空管或低壓氣體的管子所組成,在管子內電流只能往單一方向流動。也就是説,電流可以從陽極流向陰極,不能從陰極流向陽極(單向性),以此限定電流的方向,這種特性就被稱之為整流作用。現今的二極體大多是使用半導體材料如矽或鍺所取代,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,在P型側就是陽極,N型側則是陰極。也有利用金屬與半導體接合產生的蕭特基效應達到整流作用的類型。

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。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。

二極體的原理

二極體工作原理(正向導電,反向不導電)半導體二極體是一個由P型半導體和N型半導體形成的,在其界面處兩側形成了空間電荷層,並且建有自建電場,當不存在外加電壓時,因為P-N接面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。當產生正向電壓偏置時,外界電場與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(也就是導電的原因)。當產生反向電壓偏置時,外界電場與自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓範圍中與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0(這也就是不導電的原因)。當外加的反向電壓高到一定程度時,P-N接面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。

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,N型端為陰極。
  2. 蕭特基二極體 (Schottky Diode) 利用金屬和半導體二者接合面的蕭基特效應之整流作用。若加入順向偏壓時, N型區的自由電子獲得足夠的能量移至較大的軌道中運動,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。
  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,利用此特質得到一定的之電壓,被用於作為電壓的基準。
  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. 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。雖被稱為二極體,實際的構造與動作原理都應歸類為電晶體的複雜分類中。
  6. 變容二極體(variable capacitance 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)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。
  7. 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。

二極體的應用

應用迴路介紹

1. TV電源與介面


2. 網通PSE電源應用


3. LED Lighting


4. 電源


5. 車載


6. 醫療


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