最简单的半导体 - 二极管

二极管是半导体组件（Semi-conductor devices）之中结构最简单的一种。它由两部份组成，分别是N型硅（N-type silicon）和P型硅（P-type silicon）。N型硅和P型硅是两种掺杂了不同杂质的硅化合物。从图1可以看到二极管是如何构成的。将N型硅和P型硅结合在一起，便形成了二极管的作 用——限制电流的流动方向。请读者留意二极管的电路符号，当中的等腰三角形是代表了电流方向，而直线就代表了N型硅的位置。

传统的二极管

图 2展示了一个简单的电路，当中将一个电池连接了电阻和二极管。当开启电源时，电流能够通过电阻，这情况称之为「正向偏压」（Forward-bias）。 但如果将二极管重新以相反方向安装时，电流便不能通过（图3），这情况称之为「反向偏压」（Reverse-bias）。

二 极管看似平平无奇，但其实它就在你我的身边。传统的二极管可用来建立整流电路（Rectification circuit），将交流电转换成直流电。另外，二极管亦用作计算机、各种自动控制系统和微波/无线电电路中开关电路的组成组件。甚至简单至一般的电子产 品，也会使用二极管，防止使用者一旦误将电池的正负极倒转时，对产品所造成的破坏。

经过多年的发 展，二极管已发展出不同种类，各自有独特的用途。其中最为人熟悉的该是发光二极管（Light Emitting Diode，LED）了，日常生活不难发现它的存在，例如各种电器和电子产品上的讯号灯、电筒、车头大灯等等。另外一种称为光电二极管（Photo diode），在测光仪器、光敏传感器（Photo sensor或Photo detector）、DC用的电荷耦合器件（Charge coupled device，即一般简称为CCD的感光组件）等都可以找到。雷射二极管/二极管激光器（Laser diode），主要用在光学储存装置（Optical storage devices）、雷射打印机和光纤通讯等。

甚么是半导体？

相信各位读者都不会对半导体这个名词陌生吧！皆因由生活上不可或缺的计算机、手提电话、PDA，到大家都十分喜爱的PMP、Xbox、数码相机等等，无一不是使用半导体。但有没有想过，为何半导体能够有这么广泛的用途呢？

在 解答以上问题之前，就先得解释甚么是半导体了。也许大家曾经听过，一般导电体如金属之所以能够通电，是因为内里带电荷的电子能够自由活动；只要金属的两端 有电位差（Potential difference）的存在便会产生电流。而半导体的导电性质（Conductivity）并不像绝缘体（Insulator）那般在任何环境下也不会 导电，也不像导电体那样，只要有电位差便能通电。但半导体的运作原理属于高阶的物理学，因此笔者只能为读者提供一个简单的概念。

或 者大家曾经听过，半导体是由硅元素构成。而刚才介绍二极管时，笔者提及过半导体材料N型硅和P型硅。要将硅元素加入杂质的原因，乃是因为硅本身并不能导 电；但只要将硅掺杂（Doping）不同种类和份量的杂质，变成硅化合物后便可以通电。不少半导体组件各自有不同的导电特性，就是因为组件内的N型硅和P 型硅的位置分布和份量所造成。其实除了N型硅和P型硅，还有其他不同种类的半导体材料，以制造出带有不同特性的组件。

只要控制掺杂入硅元素的杂质含量以及硅化合物的组合方式，便可造出适合不同需要的半导体组件。正因如此，工程师便制造出二极管、晶体管、集成电路等组件，有效解决过去在设计电路方面不能解决的难题，同时亦开创出多种新技术，改变了人类的生活。