二極管是什麼？用 1 個實驗看懂 PN 接面原理與 5 大應用

如果你還在釐清「電到底怎麼運作？」建議先從這篇電學總整理開始：
🔹 《電學基礎懶人包：從「什麼是電？」到看懂你家的配電盤》
看過之後再學今天的主題會更有畫面，也比較不會卡住。

立即觀看：二極管是什麼？如何控制電流？

這支影片會用很生活化的方式帶你看懂 二極管（Diode）怎麼讓電流變成「單行道」。
你會看到它在電源整流、LED 發光、電壓保護裡怎麼出現，也會順便認識 PN 接面是怎麼讓它只「挑一邊」讓電流通過。

什麼是二極管？先用一句話說明

如果要用一句話回答「二極管是什麼？」：

二極管是一種讓電流幾乎只能往一個方向流動的元件，用來防止電流倒流、協助整流、發光或穩定電壓。

在台灣日常生活裡，從手機充電器、筆電變壓器、USB 充電頭、LED 燈具，到工廠裡的控制箱，幾乎都看得到二極管的身影。

接下來我們用不硬的方式，把它的原理、種類跟簡單實驗一次講清楚。

如果你想看更完整的物理推導與分類，也可以參考 維基百科：二極體（Diode）。

二極管的基本原理

PN 接面：讓電流變成「單行道」

二極管的核心結構是一個 PN 接面（PN Junction），由兩種不同摻雜的半導體組成：

• P 型半導體（P-type）：裡面「電洞」比較多，可以想像成缺電子的位置。
• N 型半導體（N-type）：裡面自由電子很充足。

當 P 型和 N 型貼在一起時，中間會形成一塊空乏區（Depletion Region）。這一區好像一條小小的「封鎖線」，把自由電子和電洞先中和掉，形成一個電位障壁，不是說完全不導電，但在沒有外加電壓時，電流很難直接衝過去。

這就是二極管可以「挑方向」導電的基礎。

順向偏壓與逆向偏壓：什麼時候它會放行？

要讓二極管工作，我們會在兩端加上電壓，稱為「偏壓」：

• 順向偏壓（Forward Bias）
  • P 端接電源正極、N 端接電源負極。
  • 這樣會把中間的能量障壁「壓低」，電流比較容易穿越空乏區。
  • 電壓大到某個程度後（二極管的導通電壓），電流就會開始明顯流動，我們說二極管導通。
• 逆向偏壓（Reverse Bias）
  • P 端接負極、N 端接正極。
  • 能量障壁被「撐高」，空乏區變寬，正常情況下幾乎沒有電流通過。
  • 這時二極管就像是關起來的開關。

所以你可以把二極管想像成電路裡的「單行道閘門」，讓電流照設計好的方向走，不要亂倒流、亂竄。

二極管的常見種類與應用

不同的二極管，雖然都是靠 PN 接面在工作，但設計重點不太一樣，用途也跟著改變。下面幾種，是你在教科書、維修、甚至工地現場最常遇到的。

1. 整流二極管（Rectifier Diode）

作用重點：
把交流電（AC）整流成直流電（DC），是各種電源供應器的基本元件。

常見場景：

• 家用充電器、路由器、螢幕等的 AC→DC 電源
• 變壓器次級線圈後方的整流橋
• 機台控制箱裡的 DC 電源模組

沒有整流二極管，就沒有穩定的 DC，可以說所有電子電路的第一關就是它。

2. LED（發光二極管，Light Emitting Diode）

作用重點：
在順向偏壓下，電流通過 PN 接面時會以光的形式釋放能量，所以它會發光。

常見場景：

• 指示燈（開關燈、電源指示、機台狀態燈）
• LED 燈泡、燈條、投光燈
• 顯示器背光、車燈、交通號誌

你在電箱、延長線、充電器上看到的小小指示燈，幾乎都是 LED。

想更深入了解 LED 的發光原理與發展歷史，可以再看 發光二極體（LED）條目。

3. 齊納二極管（Zener Diode）

作用重點：
在逆向偏壓下，當電壓高到某一個「齊納電壓」，它會刻意「打開」路讓電流通過，達到穩定電壓、保護電路的效果。

常見場景：

• 簡易穩壓電路（例如 5V / 12V 參考電壓）
• 過壓保護（電壓太高時，幫忙分擔電壓，保護後面的 IC）

可以把它想成一個「逆向時才會啟動的安全閥」。

4. 肖特基二極管（Schottky Diode）

作用重點：

• 導通電壓比較低（壓降小）
• 開關速度快，適合高頻工作

常見場景：

• 高效率 DC–DC 轉換器
• 高頻整流（例如開關式電源）
• 一些需要低壓降的保護用途

對實務來說，肖特基的重點是：少發熱、效率高、反應快。

5. 光電二極管（Photodiode）

作用重點：
把光強度轉成電流，是一種光感測元件。

常見場景：

• 光感應器（自動開燈、手機亮度調整）
• 遙控器接收端
• 光纖通訊系統
• 簡易測光、實驗用感測電路

如果說 LED 是「電→光」，光電二極管就是「光→電」。

簡單實驗：用 LED 看出二極管的單向導電性

下面這個小實驗可以在桌上就完成，不用插市電，安全又直觀。

⚠️ 安全提醒： 全程請只用電池，不要直接接台灣 110V / 220V 市電。

📌 你需要準備

• 1 顆 LED（發光二極管）
• 1 顆 約 3V 的電池（例如兩顆 AA 串聯）
• 1 顆 330 Ω 左右的電阻（220–1k Ω 也可以，亮度不同而已）
• 1 個簡單開關（或用插拔電線代替）
• 幾條連接線、麵包板（有的話更方便）

📌 步驟

1. 順向接法（讓 LED 亮起來）
   • 將 LED 的 長腳（正極、Anode） 接到電池正極。
   • 將 LED 的 短腳（負極、Cathode） 接到電阻，再接回電池負極。
   • 中間可以串一個開關，方便控制。
2. 打開開關
   • 開關閉合後，LED 應該會亮起。
   • 這就是 LED 在順向偏壓下導通的狀態。
3. 改成反向接法
   • 把 LED 反過來接：長腳接電池負極，短腳接電阻再接電池正極。
   • 再次閉合開關，你會發現 LED 幾乎不會亮。

🔎 實驗結果怎麼看？

• 順向接法：
  • LED 導通發光，代表二極管在順向偏壓下會讓電流通過。
• 反向接法：
  • LED 不亮，代表在逆向偏壓下，二極管幾乎不讓電流通過。

這就是教科書裡常寫的那句話的具體畫面：

二極管具備單向導電性。

你之後看到電源整流、保護電路、LED 燈具裡面的「箭頭＋線」符號，就可以立刻聯想到這個實驗。

常見問題

總結：為什麼學會二極管這一顆很重要？

把這篇看到這裡，你已經知道：

• 二極管是什麼：一個讓電流變成「幾乎單行道」的元件。
• 它怎麼做到：靠 PN 接面與順向／逆向偏壓控制電流。
• 它在哪裡出現：從充電器、LED 燈、穩壓電路，到各種工業電源與控制系統。
• 簡單實驗怎麼做：用一顆 LED＋電阻＋電池，就可以把單向導電性「看」出來。

不論你是：

• 想把國中理化的電學觀念補強
• 正在考慮走向電子電路、維修、水電／電工相關工作
• 或只是想看懂 datasheet 上那些奇怪的符號

先把「二極管這一顆」弄懂，你後面要學整流電路、穩壓、開關電源、感測電路，都會輕鬆很多。

📌 延伸閱讀推薦

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從電源、導線到負載，一步一步建立你對「電路長什麼樣子」的直覺，再把二極管放進去看，就更好理解它的位置和功能。

🔹《DIY 愛好者的 電流與電壓：解鎖基礎知識》
用生活例子解釋電壓、電流的差別，幫你看懂「為什麼同一顆二極管，在不同電壓、不同方向時行為會差這麼多」。

🔹《如何設計穩壓電源？齊納二極管的應用》（編輯中）
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🔹《LED 照明技術的發展趨勢》（編輯中）
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