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最簡單的半導體 - 二極管

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二極管是半導體元件(Semi-conductor devices)之中結構最簡單的一種。它由兩部份組成,分別是N型矽(N-type silicon)和P型矽(P-type silicon)。N型矽和P型矽是兩種摻雜了不同雜質的矽化合物。從圖1可以看到二極管是如何構成的。將N型矽和P型矽結合在一起,便形成了二極管的作 用——限制電流的流動方向。請讀者留意二極管的電路符號,當中的等腰三角形是代表了電流方向,而直線就代表了N型矽的位置。

 

傳統的二極管

圖1. 二極管的結構及其電路符號

圖2. 在「正向偏壓」的情況下,電流能夠通過二極管。

圖3. 在「反向偏壓」的情況下,電流不能通過二極管。

圖 2展示了一個簡單的電路,當中將一個電池連接了電阻和二極管。當開啟電源時,電流能夠通過電阻,這情況稱之為「正向偏壓」(Forward-bias)。 但如果將二極管重新以相反方向安裝時,電流便不能通過(圖3),這情況稱之為「反向偏壓」(Reverse-bias)。

二 極管看似平平無奇,但其實它就在你我的身邊。傳統的二極管可用來建立整流電路(Rectification circuit),將交流電轉換成直流電。另外,二極管亦用作電腦、各種自動控制系統和微波/無線電電路中開關電路的組成元件。甚至簡單至一般的電子產 品,也會使用二極管,防止使用者一旦誤將電池的正負極倒轉時,對產品所造成的破壞。

經過多年的發 展,二極管已發展出不同種類,各自有獨特的用途。其中最為人熟悉的該是發光二極管(Light Emitting Diode,LED)了,日常生活不難發現它的存在,例如各種電器和電子產品上的訊號燈、電筒、車頭大燈等等。另外一種稱為光電二極管(Photo diode),在測光儀器、光敏感測器(Photo sensor或Photo detector)、DC用的電荷耦合器件(Charge coupled device,即一般簡稱為CCD的感光元件)等都可以找到。雷射二極管/二極管雷射器(Laser diode),主要用在光學儲存裝置(Optical storage devices)、雷射打印機和光纖通訊等。

發光二極管

光電二極管

光纖通訊用的雷射二極管

甚麼是半導體?

相信各位讀者都不會對半導體這個名詞陌生吧!皆因由生活上不可或缺的電腦、手提電話、PDA,到大家都十分喜愛的PMP、Xbox、數碼相機等等,無一不是使用半導體。但有沒有想過,為何半導體能夠有這麼廣泛的用途呢?

在 解答以上問題之前,就先得解釋甚麼是半導體了。也許大家曾經聽過,一般導電體如金屬之所以能夠通電,是因為內裡帶電荷的電子能夠自由活動;只要金屬的兩端 有電位差(Potential difference)的存在便會產生電流。而半導體的導電性質(Conductivity)並不像絕緣體(Insulator)那般在任何環境下也不會 導電,也不像導電體那樣,只要有電位差便能通電。但半導體的運作原理屬於高階的物理學,因此筆者只能為讀者提供一個簡單的概念。

或 者大家曾經聽過,半導體是由矽元素構成。而剛才介紹二極管時,筆者提及過半導體材料N型矽和P型矽。要將矽元素加入雜質的原因,乃是因為矽本身並不能導 電;但只要將矽摻雜(Doping)不同種類和份量的雜質,變成矽化合物後便可以通電。不少半導體元件各自有不同的導電特性,就是因為元件內的N型矽和P 型矽的位置分佈和份量所造成。其實除了N型矽和P型矽,還有其他不同種類的半導體材料,以製造出帶有不同特性的元件。

只要控制摻雜入矽元素的雜質含量以及矽化合物的組合方式,便可造出適合不同需要的半導體元件。正因如此,工程師便製造出二極管、晶體管、集成電路等元件,有效解決過去在設計電路方面不能解決的難題,同時亦開創出多種新技術,改變了人類的生活。


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