二極體是什麼？PN 接面為什麼只讓電往一個方向走

二極體（diode）是讓電流大致只往一個方向走的元件：從一頭推，電過得去；從另一頭推，幾乎過不去。它的核心叫 PN 接面，就是 p 型和 n 型兩種半導體接在一起的那個交界。把交流電變成直流電、發光二極體（LED）、太陽能電池、晶片接腳旁的靜電保護，用的都是這個交界。

二極體是什麼？為什麼說「大致」？

一顆二極體只有兩端：p 型那一頭叫陽極，n 型那一頭叫陰極。電路圖上畫成一個三角形頂著一條短線，三角形的尖端，就是電流過得去的方向。

常見的比喻是水管裡的單向閥：順著推，閥門打開；反著推，閥門壓緊。說「大致」，是因為順著推要先過一個門檻；反著推還是會漏極少量的電；反著推太用力就擋不住。

PN 接面是什麼？交界處為什麼會空出一段？

先複習：n 型是矽裡多了能跑的電子；p 型是多了一個個空位，叫電洞，可以想成會跑的正電。兩邊本身都不帶電（從頭講的版本見「摻雜是什麼？」）。把它們接在一起，交界附近會照這個順序發生：

1. 往少的地方散開：n 邊電子多，電子就往 p 邊散過去；電洞反過來往 n 邊散。像一滴墨水在水裡從濃的地方散向淡的地方，這叫擴散。
2. 碰在一起就抵掉：電子遇上電洞，填進空位，兩個都不再能跑。
3. 留下跑不掉的電：摻進去的原子卡在矽的格子裡。n 邊靠交界的磷原子送走了多的那個電子，帶正電；p 邊的硼原子多收了一個電子，帶負電。一正一負之間形成電場，把後面還想過去的電子往回推。
4. 停在平衡：散過去的力道和往回推的力道扯平。交界兩邊留下一段幾乎沒有能跑的電子和電洞的區域，叫空乏區（depletion region）。

可以把空乏區想成交界上的一段坡。電子本來就一直在亂跑，只有少數力氣夠大的，爬得上坡、跑到對面；坡越高，爬得過去的越少。

順著接、反著接，各會怎樣？

在兩端接上電池，就是把這段坡變低或變高。

• 順向偏壓（p 接正、n 接負）：電子和電洞都被往交界推，空乏區變窄、坡變低，爬得過去的一下子多很多。矽做的二極體，大約推到零點幾伏（不到一伏），電流就明顯流起來；過了門檻，電壓多一點點，電流就多很多。
• 逆向偏壓（p 接負、n 接正）：電子和電洞被拉離交界，空乏區變寬、坡變高，只剩極少量的電漏過去。
• 逆向推得太大，叫崩潰：電流突然變大，一般的二極體可能過熱壞掉。

二極體拿來做什麼？

整流：交流變直流的第一步

插座的交流電一秒來回五、六十次，手機、電腦裡的電路要的卻是方向固定的直流電。整流照這個順序做：

1. 一顆二極體，擋掉反方向的那一半：不擋，電一下正、一下負，要直流的電路沒辦法用。可是這樣只剩一半，電是一陣一陣的。
2. 四顆排成一圈（橋式整流）：電往這邊走時經過其中兩顆，往那邊走時經過另外兩顆，最後都從同一個方向流出去。不這樣，有一半的時間沒有電送出去。
3. 接一顆電容，把起伏抹平：電容像小水塔，電壓高時充進去，低時放出來。不接，電壓忽高忽低，後面的電路跟著不穩。

之後還要再降到手機要的幾伏，見「功率半導體是什麼？」。

保護：擋住接反的電、導走突然衝來的電

• 防接反：在電源後面串一顆二極體，電池接反時它是逆向，把電擋住，零件不會被燒壞；代價是平常它自己會吃掉零點幾伏。
• 晶片接腳旁的靜電保護：常見的一種做法，是在接腳旁擺兩顆二極體，一顆接電源線、一顆接地線。平常接腳的電壓在兩者之間，兩顆都是逆向，不影響訊號；突然衝來比電源還高、或比地還低的電壓，其中一顆變成順向，把電導走（晶片為什麼怕靜電，見「靜電放電（ESD）是什麼？」）。

發光二極體（LED）：電子和電洞相遇時放出光

順向推的時候，電子和電洞在交界附近大量相遇、抵掉，每抵掉一對就放出一點能量。在矽裡，這點能量多半變成熱；在某些化合物半導體裡，會變成光。光的顏色看材料的能隙，也就是電子要跳的台階多高：台階越高，光越偏藍（見「新聞說的「第三代半導體」是什麼？」）。

光偵測器、太陽能電池：把光變成電

反過來，光照進交界附近，把一個被綁住的電子打出來，同時留下一個電洞。空乏區裡本來就有的電場，把電子推向 n 邊、電洞推向 p 邊；不分開，它們很快又會抵掉。兩邊各多了一些電，接上外面的線，就有電流。

光偵測器（也叫光二極體）通常加上逆向電壓，電流多少就表示光多強；「新聞說的「矽光子」是什麼？」裡把光轉回電的零件，做的就是這件事。太陽能電池不加電壓，直接把光變成電送出去，可以想成面積很大的光二極體。

電晶體裡也有 PN 接面嗎？

有，而且到處都是。以常見的一種電晶體來說，源極、汲極是 n 型，底下那一大塊是 p 型，每一頭和底下之間都是一個 PN 接面；這些區塊，晶圓廠多半用離子植入打出來。電路的接法讓這些交界不會變成順向，所以閘極沒加電壓時，電走不過去。閘極怎麼把它打開，見「電晶體是什麼？」。

晶片裡怎麼用 PN 接面隔開？

CMOS 晶片要在同一片矽上做出 p 型、n 型兩種「底」，叫井（見「CMOS 是什麼？」）。p 型的底接到最低的電壓（地），n 型的井接到最高的電壓（電源），兩者之間的 PN 接面就一直是逆向，空乏區像一道牆，把不同區塊隔開。電晶體和電晶體之間的表面，則另外挖淺溝、填滿絕緣物隔開（見「淺溝槽隔離（STI）是什麼？」）。

在 fab24hr 裡

fab24hr 裡沒有一顆單獨的二極體。最接近的，是對話裡點得開的「接面」：打進矽裡的原子聚在一起的那一層，和底下的矽之間的交界。打進去的原子和底下的矽是相反的兩種時，這個交界就是一個 PN 接面。

在「打工人的一天」當研發線的爐管研發製程工程師：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發製程工程師，再點「爐管」。午班在投片後第十天，植入完的測試片分三種條件退火，曉雯量了兩樣：片電阻看原子有沒有開始導電，接面深度看它們往下跑了多深。溫度越高、時間越長，活化越好，原子也跑得越遠，這是熱預算。遊戲裡寫：螢火的電壓很低，接面太深，短的電晶體關不緊，待機就會漏電。你要選中間的溫度，還是跟量產廠一樣的高溫、長時間；選了高溫那一種，稍晚曉雯補量短通道的測試結構，漏電比預期多。

遊戲裡的公司、晶片「螢火」、人物、機台和數字都是虛構的；PN 接面和二極體的原理，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。