第 1 章 5：二極體（Diode）

二極體是最簡單的「半導體元件」，是進入主動元件世界的第一站。 理解二極體，是理解所有半導體元件的基石。

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一、什麼是二極體？

定義

二極體是「單向導電」的元件：電流只能從一個方向流過。

電路符號：

─►│─    （陽極 anode → 陰極 cathode）
   ↑
  bar 標示陰極（cathode）

物理結構：PN 接面

二極體 = 一片 P 型半導體 + 一片 N 型半導體 接在一起。

• P 型：摻雜「電洞」（正載子）
• N 型：摻雜「自由電子」（負載子）
• 接面（Junction）：兩種型半導體相接處

(完整理論在 02-半導體篇/02-PN接面.md)

工作原理

順向偏壓（Forward Bias）：陽極接正、陰極接負 → 載子越過接面，電流流動

逆向偏壓（Reverse Bias）：陽極接負、陰極接正 → 載子被推離接面，電流幾乎為零

   I (電流)
    ▲
    │      ╱
    │     ╱
    │    ╱
────┼───┴────► V (電壓)
    │
    │（逆向幾乎沒電流）

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二、二極體的伏安特性（V-I Curve）

蕭基方程式（Shockley Equation）

$$I = I_S \left( e^{V/(n V_T)} - 1 \right)$$

• I_S：反向飽和電流（pA–nA 級）
• V_T：熱電壓 ≈ 25.85 mV @ 300K
• n：理想因子（1–2，理想為 1）

重要特徵點

1. 順向壓降（V_F）

順向導通時的近似電壓：

二極體類型	典型 V_F
矽 PN（一般）	0.6–0.7 V
鍺	0.2–0.3 V（較少用）
蕭基（Schottky）	0.2–0.4 V
紅光 LED	1.8–2.2 V
黃綠 LED	2.0–2.4 V
藍/白光 LED	3.0–3.4 V
紅外 LED	1.2–1.4 V

2. 反向擊穿電壓（V_BR）

反向電壓超過 V_BR 時，電流暴增（崩潰）。 - 一般二極體：燒毀 - Zener 二極體：刻意利用

3. 反向飽和電流（I_S）

逆向時的微小漏電（pA–nA 級），隨溫度上升每 10°C 約倍增。

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三、二極體的種類

1. 一般整流二極體（General Purpose / Rectifier）

用途：將 AC 整流為 DC

經典型號： - 1N4001–1N4007：50V–1000V，1A - 1N5400–1N5408：50V–1000V，3A

特性：V_F ≈ 0.7V，反向恢復時間慢（µs 級），不適合高頻

2. 蕭基二極體（Schottky Diode）

結構：金屬-半導體接面（無 PN）

特性： - 低 V_F（0.2–0.4 V）→ 高效率 - 反向恢復時間極快（ns 級）→ 高頻能用 - 反向漏電大 - 反向耐壓較低（一般 < 100V）

應用： - 高效率整流（開關電源） - 邏輯電路高速箝位 - 低壓電源（lithium-ion 充電輸入）

經典型號：1N5817 (20V/1A), 1N5819 (40V/1A), SS34 (40V/3A SMD)

3. 快速恢復二極體（Fast Recovery / Ultra Fast）

特性：反向恢復時間 50–500 ns

應用：高頻整流、FlyBack snubber、IGBT 驅動

經典型號：UF4007, MUR460

4. 齊納二極體（Zener Diode）

結構：高摻雜 PN，刻意利用反向擊穿

特性： - 反向操作於擊穿區，電壓「穩定」 - V_Z 從 1.8V 到 200V 都有 - 動作機制：< 5V 是齊納擊穿，> 5V 是雪崩擊穿

應用： - 簡易電壓穩壓 - 過壓保護（與 TVS 類似） - 提供基準電壓

範例選用：5.1V Zener 1W（1N4733A）

5. 變容二極體（Varactor Diode）

特性：反向偏壓時的接面電容隨電壓變化（C-V 曲線）

應用：VCO 振盪器、頻率合成器、收音機自動調諧

6. 發光二極體（LED）

特性：順向時發出特定波長的光

(詳見 02-半導體篇/08-光電元件.md)

7. 光電二極體（Photodiode）

特性：受光時產生電流（光電效應）

應用：光感測、光纖通訊接收端、太陽能電池（大面積版）

8. PIN 二極體

結構：P 型 / 本質（Intrinsic）/ N 型

特性： - 大面積、低電容 - 適合射頻開關、衰減器 - 用於可變衰減、相位偏移

9. TVS 二極體（Transient Voltage Suppressor）

特性：反向擊穿後快速箝位電壓，吸收 ESD/突波能量

應用：USB、HDMI、外接介面的 ESD 保護

規格： - V_RWM：工作電壓 - V_BR：擊穿電壓 - V_C：箝位電壓（瞬態時的最高電壓） - 峰值脈衝功率（W） - 單向 / 雙向（雙向用於 AC 訊號線）

10. SiC（碳化矽）/GaN 二極體

特性：寬能隙半導體，耐高溫、高壓、高頻

應用：高效率電源（電動車、太陽能逆變器）、5G

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四、二極體的關鍵規格

datasheet 必看項目：

1. 平均整流電流（I_F(AV)）

連續可承受的順向電流。

2. 峰值順向電流（I_FSM）

短時間（如 8.3 ms）可承受的瞬間電流。

3. 反向耐壓（V_RRM, V_R）

反向工作時不會崩潰的最大電壓。 設計準則：實際電壓 < V_RRM × 60–70%（降額）。

4. 反向恢復時間（t_rr）

從順向轉到反向時，電流停止流動所需時間。 高頻整流（> 100 kHz）必須用快恢復或蕭基。

5. 順向壓降（V_F at 特定電流）

影響耗能：P = V_F × I

6. 接面電容（C_J）

高頻時影響很大，蕭基二極體一般 C_J 較大。

7. 工作溫度與熱阻

$$T_J = T_A + R_{\theta JA} \times P_D$$

接面溫度 = 環境 + 熱阻 × 耗散功率

二極體有最高接面溫度限制（一般 125–175°C）。

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五、實務應用範例

例 1：LED 限流（最常見）

5V 驅動藍色 LED（V_F = 3.2V, I_F = 20 mA）：

$$R = \frac{V_{cc} - V_F}{I_F} = \frac{5 - 3.2}{0.02} = 90 \text{ Ω}$$

選 100 Ω 或 91 Ω。功率 P = (1.8)²/100 = 32 mW → 0805 即可。

例 2：橋式整流（半波/全波）

AC 110V 整流到 DC：

     ┌─►│─┐
AC ──┤   ├──── DC+
     └─│◄─┘
     ┌─►│─┐
     │   │
AC ──┤   ├──── DC−
     └─│◄─┘

• 半波：1 顆二極體，效率低，輸出脈動大
• 全波（橋式）：4 顆二極體，效率高
• 中心抽頭：2 顆二極體 + 中心抽頭變壓器

整流後電壓：

$$V_{DC} ≈ V_{peak} - 2 V_F$$（橋式時減 2 個壓降）

要加平滑電容濾除紋波。

例 3：飛輪二極體（Flywheel Diode）

繼電器、電感負載斷電時，電感儲能釋放會產生高壓尖峰。

       ┌──┤◄─┐
       │     │
+V ────┤     ├──── (繼電器線圈)
       │     │
       └─────┘
     [MCU GPIO 經電晶體控制]

二極體並聯於電感兩端（反向接），讓電流續流，避免高壓尖峰。

例 4：Zener 簡易穩壓

12V → 5V 簡易穩壓（負載電流小時使用）：

12V ──[R]──┬── 5V (輸出)
           │
         [Zener 5.1V]
           │
          GND

設計：選 R 使得通過 Zener 的電流在 1–10 mA 之間，要考慮 Zener 功率上限與最壞情況（負載最輕）。

例 5：ESD 保護（TVS）

USB 介面的 D+/D- 線：

USB D+ ──┬──→ MCU
         │
       [TVS]
         │
        GND

選 V_RWM = 5V, V_C = 8V, 低電容（< 1 pF for USB 高速）的 TVS。

例 6：反接保護（Reverse Polarity Protection）

外接電源時防止用戶接反：

方法 1：串聯一顆二極體 - 簡單但有 V_F 損耗 - 適合大電壓系統

方法 2：P-MOSFET 配合 - 損耗小 - 適合電池供電（節能）

(詳見 04-高級篇/05-EMI-EMC設計.md)

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六、常見錯誤

1. 二極體裝反

特別是 SMD 封裝，方向標識小，容易裝錯。 PCB 設計時 silkscreen 要清楚標 K（Cathode）。

2. 反向耐壓不夠

整流橋接電動機反電動勢時，瞬間反向電壓可能很高。

3. Schottky 反向漏電被忽略

高溫下 Schottky 漏電顯著（µA → mA），可能影響低耗系統的待機電流。

4. 整流二極體用於高頻

1N400x 反向恢復 µs 級，用在 100 kHz 開關電源 → 嚴重損耗、發熱。

5. LED 沒限流電阻

「直接接 5V 看看」→ LED 燒毀。

6. Zener 功率算錯

需考慮負載輕時 Zener 承擔全部電流：P_Z = V_Z × I_max。

7. TVS 選擇錯誤

V_RWM 要 > 系統最高工作電壓，但 V_C 要 < IC 耐壓。

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七、二極體模型（給設計用）

1. 理想模型（最簡單）

• 順向：短路（V_F = 0）
• 反向：開路

用於概念分析。

2. 定電壓降模型

• 順向：V = V_F（如 0.7V）
• 反向：開路

手算電路常用。

3. 線性模型

• 順向：V_F + I × r_d（r_d 為動態電阻）
• 反向：開路 + I_S 漏電

4. 完整模型（蕭基方程式）

$$I = I_S (e^{V/V_T} - 1)$$

SPICE 模擬使用。

動態電阻

工作點處的小信號電阻：

$$r_d = \frac{V_T}{I_D}$$

範例：在 1 mA 工作的二極體 r_d ≈ 26 Ω。

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八、本章總結

✅ 您應該掌握：

• [x] 二極體的單向導電特性
• [x] PN 接面的物理基礎概念
• [x] 順向壓降、反向擊穿、反向漏電
• [x] 各類二極體：整流、Schottky、Zener、LED、TVS、PIN、Varactor
• [x] datasheet 關鍵參數
• [x] 常見應用：整流、限流、保護、穩壓、ESD
• [x] 設計時的取捨：V_F、t_rr、V_R 之間的權衡

自我檢測

1. 為什麼 Schottky 比一般 PN 二極體 V_F 低？
2. 開關電源 100 kHz 用 1N4001 整流會有什麼後果？
3. 5V 系統的 USB 線要用什麼規格的 TVS？
4. Zener 二極體的工作模式是順向還是反向？
5. 一個 1A 通過的整流二極體 V_F = 0.7V，每秒消耗多少能量？

解答

1. Schottky 是金屬-半導體接面，沒有 PN 結合的 0.7V 內建電位
2. 反向恢復太慢（µs 級），高頻時反向時持續導通造成大量損耗，二極體會發熱嚴重甚至燒毀
3. V_RWM ≥ 5V，V_C ≤ MCU 耐壓（如 6V），低電容（< 1pF for USB 2.0 HS, < 0.5pF for USB 3.0），雙向（D+/D- 是訊號）
4. 反向（操作於擊穿區）
5. P = V × I = 0.7 W = 0.7 J/s

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下一章

06-電晶體-BJT.md — BJT 雙極性接面電晶體。