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二極管

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各種二極體,最下方為橋式整流器。通常在二極管的陰極端會有色帶標示,也就是說電流會從這裡流出[1][2][3][4]

二極體英語Diode),是一種具有不對稱電導的雙電極電子元件[註 1]。理想的二極體在正嚮導電時它的兩個電極(陽極陰極)間擁有無窮小電阻,而反向時則有無窮大電阻,即電流只允許由單一方向流過二極管。

1874年,德國物理學家卡爾·布勞恩卡爾斯魯厄理工學院發現了晶體整流能力。因此1906年開發出的第一代二極管——「貓鬚二極管」是由方鉛礦等礦物晶體製成的。早期的二極體還包含了真空管,真空管二極管具有兩個電極 ,一個陽極和一個熱式陰極。在半導體性能被發現後,二極管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來生產,等其它半導體材料有時也會用到。目前最常見的結構是,一個半導體性能的結晶片通過PN結連接到兩個電終端。

功能[編輯]

半導體二極體的電流-電壓特性曲線。電壓在正的區域稱為順向偏壓。

二極體具有陽極陰極兩個端子,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。在真空管內,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。將交流電轉變為直流電,包括無線電接收器對無線電信號的調製,都是通過整流來完成的。

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——這是由特定類型的二極體技術決定的。一般來說,只有在正向達到閾值電壓時,二極管才會開始工作(此狀態被稱為順向偏壓)[5]。一個正向偏置的二極管兩端的電壓降變化只與電流有一點關係,並且是溫度的函數。因此這一特性可用於溫度傳感器參考電壓

半導體二極管的非線性電流-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。特性改變後的二極管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(齊納二極管),限制高電壓從而保護電路(雪崩二極管),無線電調諧(變容二極管),產生射頻振蕩(隧道二極管耿氏二極管IMPATT二極管)以及產生光(發光二極管)。

半導體二極體中,有利用P型N型兩種半導體接合面的PN結效應,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類型。若是PN結型的二極體,在P型側就是陽極,N型側則是陰極。

歷史[編輯]

20世紀初,由於無線電接收器探測器的需要,熱離子二極管(真空管)和固態二極管(半導體二極管)大約在相同的時間分別研發。直到20世紀50年代之前,真空管二極管在收音機中都更為常用。這是因為早期的點接觸式半導體二極管(貓須探測器)並不穩定,並且那時大多數的收音機放大器都是由真空管製成,二極管可以直接放入其中。而且那時真空管整流器和充氣整流器處理一些高電壓、高電流整流任務的能力更是遠在半導體二極管(如硒整流器)之上。

真空管的發現[編輯]

1873年,弗雷德里克·格思里Frederick Guthrie)發現了熱離子二極管的基本操作原理[6]。他發現了當白熱化的接地金屬接近帶正電的驗電器時,驗電器的電會被引走;然而帶負電的驗電器則不會發生類似情況。這表明了電流只能向一個方向流動。

1880年2月13日,托馬斯·愛迪生也發現了這一規律。當時,愛迪生正在研究為什麼他的碳絲燈泡的燈絲幾乎總是在正極端燒斷。他有一個密封了金屬板的特殊玻璃外殼燈泡。利用這個裝置,他證實,發光的燈絲會有一種無形的電流穿過真空與金屬板連接,但只有當板被連接到正電源時才會發生。愛迪生隨即發明了一種電路,他的特殊燈泡有效地取代了直流電壓表中的電阻。在1884年,愛迪生被授予了此項發明的專利。由於當時這種裝置實際上並不能看出實用價值,這項專利更多地是為了防止別人聲稱最早發現了這一所謂「愛迪生效應」。

20年後,約翰·弗萊明(愛迪生前僱員)發現了這一效應的實用價值,它可以用來製作精確檢波器。1904年11月16日,第一個真正的熱離子二極管——弗萊明管,由弗萊明在英國申請了專利[7]

固態二極管[編輯]

1874年,德國物理學家卡爾·布勞恩發現了晶體的「單向傳導」的能力[8],並在1899年將晶體整流器申請了專利[9]氧化亞銅硒整流器則是在1930年代為了供電應用而發明的。

印度人賈格迪什·錢德拉·博斯在1894年成為了第一個使用晶體檢測無線電波的科學家。他也在厘米和毫米級別對微波進行了研究[10][11]。1903年,格林里夫·惠特勒·皮卡德(Greenleaf Whittier Pickard)發明了硅晶檢波器,並在1906年11月20日註冊了專利[12]。也正是因為格林里夫,使得晶體檢波器發展成了可實用於無線電報的裝置。其他實驗者嘗試了多種其他物質,其中最廣泛使用的是礦物方鉛礦硫化鉛),因它價格便宜且容易獲取。在這些早期的晶體收音機集的晶體檢波器包括一個可調節導線的點接觸設備(即所謂的「貓須」)。可以通過手動調節晶體表面上的導線,以獲得最佳的信號。這個較為麻煩的設備在20世紀20年代由熱離子二極管所取代。20世紀50年代,高純度的半導體材料出現。因為新出現的鍺二極管價格便宜,晶體收音機重新開始被大規模使用。貝爾實驗室還開發了鍺二極管微波接收器。20世紀40年代中後期,美國電話電報公司在美國四處新建的微波塔上開始應用這種微波接收器,主要用於傳輸電話和網絡電視信號。不過貝爾實驗室並未研發出效果令人滿意的熱離子二極管微波接收器。

辭源[編輯]

在最初被發明的那個年代,二極管通常被稱作「整流器」。在1919年四極管被人發明後,威廉·亨利·埃克爾斯創造了術語Diode,是從希臘語詞根(δί,di,「二」)和(ὁδός,ode,「路徑」)兩者結合而來的[註 2]

儘管二極管基本都有着「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」設備;或者是陰極射線管所需的高壓電續流二極管

熱離子二極管[編輯]

真空二極體的構造
此標誌為一個間接加熱真空管二極管。從頂部到底部分別為:陽極、陰極和加熱燈絲。

一個熱離子二極管就是一個真空管(也稱「電子管」),由一個包含着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,一個單獨的電流通過由鎳鉻合金製成的高電阻燈絲(加熱器),將陰極加熱到紅熱狀態(800-1000℃)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,如的氧化物。因為它們具有較低的功函數,可使發射的電子數量增加。有些真空管則直接加熱絲,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。

汞弧閥(具有冷陰極的汞蒸氣離子閥)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,這種二極管應用於模擬信號,並在消費電子產品(如收音機、電視機、音響系統)的直流供電設備中當做整流器。20世紀40年代,在那些供電設備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管替代。如今,二極管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。尤其是音頻處理上,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,在音響發燒友錄音棚所用的音頻設備中,應用真空二極管的老式音頻設備有回潮的跡象,如家用音響系統甚至是吉他效果器

半導體二極管[編輯]

圖標[編輯]

電路圖中用於二極管的圖標如下圖表所示。

典型的二極管封裝,細環代表陰極

點接觸式二極管[編輯]

點接觸式二極管和下文所述的面接觸式二極管工作原理類似,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鍺型二極管,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模擬電子的場合使用。

面接觸式二極管[編輯]

半導體的PN結和能階結構的示意圖

面接觸式PN結二極管是由一塊半導體晶體製成的。不同的摻雜工藝可以使同一個半導體(如本徵硅)的一端成為一個包含負極性載流子(電子)的區域,稱作N型半導體;另一端成為一個包含正極性載流子(空穴)的區域,稱作P型半導體。兩種材料在一起時,電子會從N型一側流向P型一側。這一區域電子和電洞相互抵銷,造成中間區域載流子不足,形成「空乏層」。在空乏層內部存在「內電場」:N型側帶正電,P型側帶負電。兩塊區域的交界處為PN結,晶體允許電子(外部來看)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[13]

整流動作[編輯]

正向偏壓(Forward Bias)[編輯]

正向偏壓時的PN結二極體

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。如此N型半導體被注入電子,P型半導體被注入電洞。這樣一來,讓多數載流子過剩,空乏層縮小、消滅,正負載流子在PN接合部附近結合並消滅。整體來看,電子從陰極流向陽極(電流則是由陽極流向陰極)。在這個區域,電流隨著偏壓的增加也急遽地增加。伴隨著電子與電洞的再結合,兩者所帶有的能量轉變為熱(和)的形式被放出。能讓正向電流通過的必要電壓被稱為開啟電壓,特定正向電流下二極管兩端的電壓稱為正向壓降。

反向偏壓(Reverse Bias)[編輯]

反向偏壓時的PN結二極體

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通過。更多的細節請參閱「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(漏電流、漂移電流)通過。當反向偏壓持續增加時,還會發生隧道擊穿雪崩擊穿崩潰,發生急遽的電流增加。開始產生這種擊穿現象的(反向)電壓被稱為擊穿電壓崩潰電壓。超過擊穿電壓以後反向電流急遽增加的區域被稱為擊穿區崩潰區)。在擊穿區內,電流在較大的範圍內變化而二極管反向壓降變化較小。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[編輯]

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,此電壓源的電壓值就稱為接面電壓,矽半導體的接面電壓約0.6V~0.7V,鍺半導體的約0.3~0.4V

種類[編輯]

二極管的微距照片,左端黑色方形物為半導體

依照材料及發展年代分類:

  1. 二極真空管
  2. 二極體
  3. 二極體
  4. 二極體
  5. 砷化鎵二極體

依照應用及特性分類:

  • PN接面二極體(PN Diode)
利用半導體PN接合的整流性質,是最基本的半導體二極體。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。
被施加反方向電壓的場合,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(破壞電壓)。其正向特性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。
施加逆向電壓的場合,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(接合容量)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。
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(Coherent Light)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(光電效應)。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等類型。太陽電池也是利用此種效應。
  • 隧道二極體(Tunnel Diode)、江崎二極體(Esaki Diode)、透納二極體
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管。
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。
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。
  • 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耿效應二極體礦石收音機中使用的礦石檢波器也是一種點接觸二極體。
  • 交流二極體(DIAC)、突波保護二極體、雙向觸發二極體
當施加超過規定電壓(Break 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。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/可控硅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。

相關條目[編輯]

註解[編輯]

  1. ^ 真空管二極管可能還會多一或兩條用於加熱的輔助端子。
  2. ^ 不過實際上diode這個詞彙,早在時分多路復用電報業界當做術語使用了,參見The telegraphic journal and electrical review, September 10, 1886, p. 252

參考資料[編輯]

  1. ^ Tooley, Mike. Electronic Circuits: Fundamentals and Applications, 3rd Ed.. Routlege. 2012: 81. ISBN 1-136-40731-6. 
  2. ^ Lowe, Doug. Electronics Components: Diodes. Electronics All-In-One Desk Reference For Dummies. John Wiley & Sons. 2013 [January 4, 2013]. 
  3. ^ Crecraft, David; Stephen Gergely. Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing. Butterworth-Heinemann. 2002: 110. ISBN 0-7506-5095-8. 
  4. ^ Horowitz, Paul; Winfield Hill. The Art of Electronics, 2nd Ed.. London: Cambridge University Press. 1989: 44. ISBN 0-521-37095-7. 
  5. ^ 李慶常,王美玲. 《數字電子技術基礎》. 機械工業出版社, 北京. 2009. ISBN 978-7-111-04154-2. 
  6. ^ 1928 Nobel Lecture: Owen W. Richardson, "Thermionic phenomena and the laws which govern them", December 12, 1929
  7. ^ Road to the Transistor. Jmargolin.com. [2008-09-22]. 
  8. ^ Historical lecture on Karl Braun
  9. ^ Diode. Encyclobeamia.solarbotics.net. [2010-08-06]. 
  10. ^ Emerson, D. T. The work of Jagadish Chandra Bose: 100 years of mm wave research. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Dec. 1997, 45 (12): 2267–2273 [2010-01-19]. Bibcode:1997ITMTT..45.2267E. doi:10.1109/22.643830. 
  11. ^ Sarkar, Tapan K. History of wireless. USA: John Wiley and Sons. 2006: 94, 291–308. ISBN 0-471-71814-9, 請檢查|isbn=值 (幫助). 
  12. ^ 美國專利 836,531
  13. ^ 王遠,張玉平. 《模擬電子技術基礎》. 機械工業出版社, 北京. 2008. ISBN 978-7-111-04210-5. 

外部連結[編輯]