電的閥門
到目前為止你遇過的每個元件都是雙向道。電阻不在乎電流往哪個方向流過它；分壓器不論電源接上接下都分得一樣。二極體是第一個打破這種對稱的元件。它是一個單向閥：讓電流往一個方向自由通過，卻對另一個方向砰地關上，就像腳踏車打氣筒裡的單向閥——只放氣出去，不讓氣倒灌回來。
二極體有兩支腳：陽極與陰極。當陽極被推得比陰極更正時，閥門打開，電流由陽極流向陰極——我們稱之為順向偏壓。把壓力反過來、讓陰極更正，閥門就保持關閉：這叫逆向偏壓，幾乎沒有電流能通過。同一個元件，依你往哪邊推，會有兩種截然不同的個性。
閥門內部：PN 接面
這個單向把戲，住在一小片矽內部的一個邊界上。矽是一種半導體——既不像銅那樣是好導體，也不像玻璃那樣是頑固的絕緣體，而是介於兩者之間，而且它的導電性是我們可以刻意調整的。我們靠摻雜來調：在一側摻入雜質，讓它多出可移動的自由電子（n 側，n 代表負電荷載子），在另一側摻入雜質，讓它缺電子、也就是滿是可移動的「電洞」（p 側）。這兩塊區域相遇之處就是 PN 接面，而這個交界點就是整個故事的關鍵。
就在接面處，n 側多餘的電子會漂移過去填補 p 側的電洞。這留下一條薄薄的、被掃淨自由載子的無人地帶——空乏區——而那裡裸露出來的固定電荷建立起一個小小的內建電場，就像一道彈簧上緊、已經穩定關閉的閘門。要讓電流流動，你就得先克服這道內建的能障。
現在這個不對稱就說得通了。用順向偏壓推——陽極（p 側）為正——你就是在對抗內建電場，把空乏區壓窄，一旦推得夠用力，載子便傾巢而過：閘門盪開。往反方向用逆向偏壓推，你只會把空乏區撐得更寬、把閘門拉得更緊。同一個接面，但只有一種推的極性能讓這個結構崩塌。這就是單向閥在物理上的根源。
0.7 V 過路費與那條彎曲的曲線
克服那道內建能障需要付出一個大致固定的電壓。對一般的矽二極體來說，要先施加約 0.6 至 0.7 V 的順向推力，才會有像樣的電流流動；而一旦導通，即使電流不斷攀升，這個壓降也幾乎不動。這就是著名的順向壓降——把它想成閥門入口的收費站：付大約 0.7 V 就放你通過；超過之後你壓得越用力，灌過去的電流就越多，而過路費本身卻幾乎不變。
如果你真的把電流對順向電壓畫出來——也就是 I-V 曲線——你不會得到電阻那樣的直線。你會看到一條貼著近乎零的平坦地板，一路到大約半伏特，接著出現一個尖銳的「膝點」，曲線從那裡幾乎垂直地往上掃。這個上升是指數型的：每多加約 60 mV，電流大約就乘上十倍。這正是為什麼壓降感覺起來「固定」——要從 1 mA 到 10 mA 只需多加約 60 mV，所以在任何正常工作範圍內，不論你向它要多少電流，二極體都頑固地待在它的膝點電壓附近。
三個你能拿來算的模型
那條指數曲線雖然誠實，卻很難拿來做算術，所以工程師會依任務挑一個簡化的二極體模型。細節分三個層級。理想模型把二極體當成完美開關：順向時是徹底的短路，逆向時是斷路——適合快速檢查合理性，或用在數位邏輯。定電壓降模型加上過路費：導通時表現得像一顆小小的 0.7 V 電池，否則就是斷路。這是日常設計的主力。最精細的模型則在那 0.7 V 上再串一個小小的動態電阻 r_d，用來抓住膝點之上曲線那點微微的傾斜。
Model Reverse bias V < ~0.6 V V > ~0.7 V (on) ---------------------------------------------------------------------- Ideal (switch) open circuit open circuit short, 0 V drop Constant-drop open circuit open circuit fixed ~0.7 V drop 0.7 V + r_d open + leakage nearly open 0.7 V + I times r_d
- 拿一個 9 V 電源，串接一個 1 kohm 的電阻，再串一顆順向的矽二極體。先判斷二極體是順向偏壓——電源由陽極推向陰極，所以是的，它會導通。
- 理想模型：二極體是徹底短路，所以 9 V 全部落在電阻上，I = 9 / 1000 = 9 mA。很快，但它忽略了過路費。
- 定電壓降模型：二極體吃掉 0.7 V，留下 9 - 0.7 = 8.3 V 跨在電阻上。由克希荷夫電壓定律，I = (9 - 0.7) / 1000 = 8.3 mA。這才是你實際會用來設計的數字。
- 注意這兩個答案把真實情況夾在中間，而且彼此接近——因為主導的是 1 kohm 電阻，不是二極體。這就是設計上的教訓：讓電阻去設定電流，二極體確切壓降是多少就變得沒那麼重要，正如你先前替發光二極體選限流電阻時一樣。
逆向偏壓、崩潰與它的親戚
逆向偏壓才是這個閥門發揮價值的地方，但密封並不完美。在逆向偏壓下，仍有一道微小的漏電流滲過去——通常是奈安培到幾微安培，而且會隨溫度增大。對幾乎每個電路來說這都可忽略，所以我們說逆向的二極體是「斷路」。但誠實的模型會記得：它是非常高的電阻，不是真正的無限大。
不過，若把逆向電壓推得太遠，堤防就會潰決。超過零件的逆向崩潰電壓後，接面會突然往反方向猛烈導通，而一顆不是為此設計的普通二極體可能就此燒毀。每張二極體規格書都會標出你必須遵守的最大逆向電壓。而同樣這個崩潰現象，一旦被馴服並做得精準，正是稽納二極體用來釘住一個穩定電壓的手段——那是本階後面一篇指南的主題。
並非所有二極體都是同一種矽閥門。蕭特基二極體用的是金屬對半導體的接面，而非 PN 接面，因此它的順向壓降小得多（約 0.2 至 0.4 V）、切換也快得多——在那 0.7 V 過路費會浪費寶貴餘裕之處，或在二極體必須跟上高頻訊號之處，它都極為珍貴。掌握了這個單向行為後，你就準備好迎接它的第一個重大應用：把幾顆二極體串成陣，把來回擺盪的交流波變成單一方向的直流——這正是下一篇指南裡的整流器所做的事。