認識二極體：電流的單行道

電的單向閥

想像地鐵入口的旋轉閘門。人們可以推著它進入車站，但同一個閘門卻不讓任何人走回頭路——它只朝一個方向轉。二極體正是如此，只不過對象是電流。順著一個方向接，它幾乎暢通無阻地導電；把它反過來，它就幾乎完全擋住電流。本篇接下來講的一切，不過是它「擋得多好」，以及你要在導通方向推電流時「付出多少代價」。

真正的二極體是一個小小的兩腳元件，常是一截黑色圓柱，其中一端漆有一條色帶。兩個接腳各有名字：陽極（anode）（+ 端，傳統電流由此流入）與陰極（cathode）（− 端，就由那條色帶標示）。電流樂於從陽極流向陰極——也就是電路符號中三角形「指向」的方向。往反方向推，你會撞上一面近乎完美的牆。

  anode (+)            cathode (-)
      o──────►|──────o
              ▲
           the bar = the stripe
           on the real part

  current flows  →→→  this way (forward)
  current blocked ✗   the other way (reverse)

電路符號：三角形指向電流被允許流動的方向；那條短橫線就是陰極的色帶。

為什麼只往一個方向？PN 接面

魔法藏在內部，發生在一個叫做 PN 接面的交界處。二極體是一塊單晶的半導體——通常是矽——刻意被「摻雜」，使其一半富含可移動的電子（N 側），另一半富含「電洞」，也就是缺失電子、表現得像正電荷載子的東西（P 側）。兩半相遇之處，會自發地發生一件事。

就在接面處，N 側的電子會漂移過去填補 P 側的電洞。它們這麼做時，留下了帶電的原子——N 邊變正、P 邊變負——形成一層薄薄的空乏區，內含一個內建電場。那個電場就像載子必須翻越的一座小山丘。若放著不管，它會達到僵局：山丘高度恰好足以阻止進一步的穿越。

著名的 0.7 伏特

壓平那座山丘並非免費。對矽二極體而言，你得用大約 0.6 到 0.7 伏特去推，才會有像樣的電流開始流動。低於這個值，二極體基本上仍是關閉的；高於它，電流便陡然上升，而二極體兩端的電壓幾乎不再往上爬。工程師簡稱這件事為「矽二極體導通時大約壓降 0.7 V」。

這個數字是材料的性質，與廠牌無關。不同的化學結構給出不同的順向壓降：蕭特基二極體大約 0.3 V，普通的紅色 LED 約 1.8–2.0 V，藍色或白色 LED 則接近 3 V。但矽接面的 0.7 V 實在太常見，你動手做真實電路一週之內就會把它背起來。

實作範例：安全地點亮一顆 LED

這是每個初學者最先動手做的電路：一顆電池、一個電阻、和一顆 LED 串聯。為什麼要電阻？因為 LED 的曲線太陡，若沒有東西限制電流，哪怕只是一點點多餘的電壓，都會灌入足以燒毀它的電流。那個電阻就是設定電流的守門人。我們來算一算。

      Vbat = 5 V
        +───┐
            │
          [ R ]   resistor  (value = ?)
            │
          ──┴── node A
           ▼|    LED  (forward drop V_LED ≈ 2.0 V)
          ──┬──
            │
        ────┴──── ground (0 V)

Goal: choose R so the LED current is I = 10 mA

一個 5 V 電源，透過一個限流電阻去驅動一顆紅色 LED。

訣竅是把導通中的 LED 當成一個固定的 2.0 V 壓降，然後讓電阻去「吃掉」剩下的電壓。兩個元件串聯起來分攤這 5 V，所以電阻兩端的電壓必定是電源電壓減去 LED 的壓降。

求電阻上的電壓。V_R = V_供應 − V_LED = 5 V − 2.0 V = 3.0 V。
選定你要的目標電流。對一顆小 LED 來說，舒適、夠亮又安全的值是 I = 10 mA = 0.010 A。
對電阻套用[[ohms-law|歐姆定律]]。R = V_R / I = 3.0 V / 0.010 A = 300 Ω。最接近的標準零件 330 Ω 給出約 9 mA——剛剛好。
順手檢查功率。P_R = V_R × I = 3.0 V × 0.010 A = 0.03 W——一個小小的 1/8 W 電阻綽綽有餘。

I–V 曲線，以及如何把它模型化

把流過二極體的電流對其兩端的電壓畫出來，你會得到本篇最重要的一張圖。在順向，曲線緊貼著地板，直到約 0.7 V，接著幾乎垂直地一飛沖天。在逆向，它基本上停在零——只有一點點微弱的漏電流——直到在很左邊的地方，它突然崩潰。

        I (current)
          ▲
          │              ╱   forward: steep climb
          │             ╱    after ~0.7 V
          │            ╱
          │          _╱
  ────────┼────────┘────────────►  V (voltage)
   ╲      │   0.7 V
    ╲_____│  ← reverse: ~0 current (leakage)
  breakdown   (until breakdown, far left)
   region

二極體的 I–V 曲線：順向在約 0.7 V 處有個「膝點」，逆向幾乎是平的，而崩潰發生在很左邊的地方。

工程師用模型來馴服這條曲線——依你需要多少準確度，而刻意採用的簡化：

理想二極體。順向＝一條完美的導線（0 V 壓降），逆向＝完美的斷路。用於第一輪的邏輯判斷最棒：「到底有沒有電流流動，有還是沒有？」
固定壓降模型。順向＝導通後一顆固定的 0.7 V 電池（矽），逆向＝斷路。這正是我們算 LED 時用的——對絕大多數設計都夠準。
指數（蕭克利）模型。完整曲線，I = I_S·(e^(V/nV_T) − 1)，其中室溫下 V_T ≈ 26 mV。只有當你真的需要預測那個軟膝點或溫度行為時，才會搬出它。

這解鎖了什麼：整流的初窺

接下來是讓二極體值得獨佔一整個階段的回報。你家牆上的插座送出的電，每秒*反轉方向*50 或 60 次——交流電。但裡頭幾乎每一個小裝置，從你的手機到筆電，都需要穩定的單向電流才能運作。總得有東西把一種轉成另一種。那個東西，就從一顆二極體開始。

因為二極體只讓電流朝一個方向通過，它可以*斬掉*交流波形中走錯方向的那半邊。餵給它一個上下擺動的波，從另一端出來的，就是一個永遠只往一個方向推的訊號。這就是整流，也是大多數二極體所做的第一份工作。

  input (AC, both directions)      after one diode (half-wave)

    ╱╲    ╱╲    ╱╲                ╱╲          ╱╲          ╱╲
   ╱  ╲  ╱  ╲  ╱  ╲             ╱  ╲        ╱  ╲        ╱  ╲
  ─────╲╱────╲╱────  ►diode►  ──────────────────────────────
        ╲╱    ╲╱                (the downward halves removed)

單一顆二極體留下向上的隆起、丟棄向下的部分——這就是半波整流。

下一個階段正是從這裡接手：一組巧妙排列的二極體，如何把雜亂的交流電變成乾淨、穩定、足以驅動你所有家當的電源。你現在已經具備跟上它所需的三樣東西——單向的概念、0.7 V 的壓降、以及 I–V 曲線。剩下的，全是工程。