最簡單的半導體 - 二極管

二極管是半導體組件（Semi-conductor devices）之中結構最簡單的一種。它由兩部份組成，分別是N型硅（N-type silicon）和P型硅（P-type silicon）。N型硅和P型硅是兩種摻雜了不同雜質的硅化合物。從圖1可以看到二極管是如何構成的。將N型硅和P型硅結合在一起，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型硅的位置。

傳統的二極管

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，二極管亦用作計算機、各種自動控制系統和微波/無線電電路中開關電路的組成組件。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、光敏傳感器（Photo sensor或Photo detector）、DC用的電荷耦合器件（Charge coupled device，即一般簡稱為CCD的感光組件）等都可以找到。雷射二極管/二極管激光器（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。

甚么是半導體？

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計算機、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么廣泛的用途呢？

在 解答以上問題之前，就先得解釋甚么是半導體了。也許大家曾經聽過，一般導電體如金屬之所以能夠通電，是因為內里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）并不像絕緣體（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于高階的物理學，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，半導體是由硅元素構成。而剛才介紹二極管時，筆者提及過半導體材料N型硅和P型硅。要將硅元素加入雜質的原因，乃是因為硅本身并不能導 電；但只要將硅摻雜（Doping）不同種類和份量的雜質，變成硅化合物后便可以通電。不少半導體組件各自有不同的導電特性，就是因為組件內的N型硅和P 型硅的位置分布和份量所造成。其實除了N型硅和P型硅，還有其他不同種類的半導體材料，以制造出帶有不同特性的組件。

只要控制摻雜入硅元素的雜質含量以及硅化合物的組合方式，便可造出適合不同需要的半導體組件。正因如此，工程師便制造出二極管、晶體管、集成電路等組件，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。