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二極體類型完整解析:應用與選擇指南

最初發布於 Jul 16, 2026, 更新於 Jul 16, 2026

4 分鐘

目錄
  • 二極體類型比較表
  • 常見二極體類型及其應用
  • 如何為電路選擇合適的二極體
  • 選擇二極體類型時的常見錯誤
  • SMD 二極體類型:實用工程考量
  • 穿孔式與 SMD 二極體封裝比較
  • 二極體選擇為何對現代電子產品如此重要
  • 什麼是二極體?運作原理是什麼?
  • 工程師必須瞭解的二極體關鍵參數
  • 二極體類型常見問題
  • 結論

現代電子產品仰賴高度專用化的二極體,執行電源轉換、ESD 保護、訊號偵測及高頻切換。選錯二極體不只會降低效率,還會產生額外熱量、增加切換損耗,甚至可能在電壓瞬變時損壞敏感電路。無論是製作原型,還是擴大至小量 PCB 組裝,選擇合適元件都能確保電路板可靠運作。

本指南將說明:

  • 不同類型二極體的內部運作原理
  • 整流、蕭特基、齊納、TVS、LED 及快速恢復二極體的適用場合
  • 封裝選擇如何直接影響 PCB 散熱表現
  • 工程師如何為現代電子設計選擇合適的二極體

二極體類型比較表

二極體類型 速度 順向電壓(Vf) 最大逆向電壓 逆向恢復時間(trr) 主要用途 典型封裝
整流二極體0.7~1.1 V最高 1000 V1~10 µsAC-DC 轉換DO-41/SMA
蕭特基二極體非常快0.15~0.45 V20~200 V約為 0(多數載子元件)SMPS、低損耗整流SMA/SMB
齊納二極體中等固定崩潰電壓指定 Vz約 100 ns穩壓、箝位SOD-123/DO-35
TVS 二極體低於 1 ns箝位電壓 Vc依突波額定值皮秒等級ESD/瞬態保護SMAJ/SMBJ
LED中等1.2~3.5 V(依顏色而異)5~50 V不適用照明、指示0603/5050
光電二極體不適用(逆向偏壓)20~100 V1~10 ns光學感測TO-18/1206
快速恢復二極體0.8~1.2 V100~1200 V25~500 ns高頻整流DO-41/TO-220
雷射二極體不適用1.5~3.0 V低(5~20 V)不適用光通訊、光達TO-56

常見二極體類型及其應用

下列不同類型的二極體,分別針對完全不同的電氣特性進行最佳化。適合低頻交流電路的元件,放到高速切換環境中可能立即失效,因此瞭解各類二極體的具體用途,對現代電子設計至關重要。

1. 整流二極體

整流二極體是功率電子中的基本元件,可將交流電轉換成直流電。其設計重點是承受高電壓及大電流,而非切換速度。

主要特性:

  • 順向電壓:約 0.7~1.1 V
  • 切換速度:慢(trr 通常為 1~10 µs)
  • 逆向電壓:最高 1000 V(1N4007)
  • 成本:非常低

典型應用:

  • 線性電源供應器中的橋式整流器
  • 繼電器驅動電路中的飛輪二極體
  • 低頻 AC-DC 轉換

1N400x 系列(1N4001~1N4007)仍是最常用的穿孔式整流二極體系列。系列中每顆二極體的平均順向電流額定值都是 1 A,逆向電壓則從 50 V(1N4001)到 1000 V(1N4007)不等。SMD 設計可使用採 SMA 封裝的 M7 作為直接替代品。

橋式整流器

圖:標準橋式整流器。此配置使用四顆整流二極體,將全波交流電轉換成脈動直流電。

2. 蕭特基二極體

蕭特基二極體是現代切換式電源供應器的常用選擇。它採用金屬與半導體接面,而非 P-N 接面,因此具有截然不同的特性。

主要特性:

  • 順向電壓:0.15~0.45 V,明顯低於矽二極體
  • 切換速度:非常快;屬於多數載子元件,trr 接近 0
  • 逆向電壓:通常為 20~200 V,低於標準二極體
  • 逆向漏電流:高於標準二極體,在高溫時尤其明顯

典型應用:

  • 降壓及升壓轉換器的輸出整流
  • 太陽能充電控制器
  • 反極性保護
  • 備援電源系統中的電源 OR-ing 電路
  • USB 電源路徑保護

常見型號:SS14(SMA,1 A/40 V)、SS34(SMA,3 A/40 V)、1N5819(DO-41,1 A/40 V)、MBRS360(SMC,3 A/60 V)

必須瞭解的工程取捨

蕭特基二極體的逆向漏電流較高,而且會隨溫度快速增加。如果散熱設計及 PCB 鋪銅面積不足,漏電流與溫度互相推升,可能導致熱失控。在車用引擎室等高溫環境中,漏電流也可能大到足以影響待機功耗。

PN 接面二極體與蕭特基二極體

圖:標準 PN 接面二極體與蕭特基二極體的內部結構比較,顯示金屬與半導體接面。

3. 齊納二極體

齊納二極體專門設計成在受控的逆向崩潰區運作。標準二極體發生逆向崩潰時通常會受損,而齊納二極體可在精確且穩定的指定電壓下崩潰,並維持該電壓。

主要特性:

  • 在指定崩潰電壓(Vz)下以逆向偏壓運作
  • 標準電壓值約為 2.4~200 V
  • 公差:標準系列 ±5%,精密系列 ±2%
  • 功率額定值:通常為 200 mW~5 W

典型應用:

  • 電壓箝位及參考電壓
  • MCU GPIO 過電壓保護
  • 簡易並聯穩壓器(低電流應用)
  • 撬棒式過電壓保護電路的觸發參考

常見系列:BZT52(SOD-123,200 mW)、BZX55(DO-35,500 mW)、1N47xx(DO-41,1 W)

電壓低於約 5.6 V 時,以齊納崩潰機制為主,具有負溫度係數;高於約 5.6 V 時,則以雪崩崩潰為主,具有正溫度係數。5.1 V 齊納二極體常用於參考電壓,因為兩種機制可部分抵銷,提供較佳的溫度穩定性。

齊納二極體並聯穩壓器

圖:提供 5.1 V 穩壓的齊納二極體並聯穩壓電路。

4. TVS 二極體(瞬態電壓抑制二極體)

TVS 二極體可說是現代 PCB 設計中最容易被低估、也最常被錯誤使用的元件。它是抵禦 ESD、突波瞬變及電壓尖峰的第一道防線,可避免後端 IC 遭到破壞。

主要特性:

  • 反應時間:低於 1 ns;處理 ESD 時可達皮秒等級
  • 提供單向型及雙向型,雙向型適合交流或資料線
  • 以反向工作電壓(Vs)、箝位電壓(Vc)及峰值脈衝功率(Ppk)作為額定依據
  • IEC 61000-4-2 ESD 規範:±8 kV 接觸放電、±15 kV 空氣放電

典型應用:

  • USB-C 與 USB 3.x 資料線保護
  • HDMI 與乙太網路介面保護
  • CAN 匯流排與 RS-485 收發器保護
  • 車用 ECU 輸入電源軌保護;12 V 電源軌的負載突降可能高達 45 V
  • 工業 I/O:繼電器接點瞬變及馬達反電動勢

PCB 放置注意事項

TVS 的放置位置不是可有可無的細節,而是有效保護與形同虛設之間的差別。受保護的訊號應先經過 TVS,再連接至板上的其他電路。

放置距離為什麼重要

距離連接器 15 mm 的 TVS,保護效果會明顯不如距接腳 2 mm 的 TVS。ESD 的上升時間約為 1 ns;在這種頻率下,即使只有 10 mm 走線,其寄生電感也足以讓破壞性尖峰在 TVS 完全箝位前通過元件。

單向型與雙向型

  • 單向型:適用於直流電源軌及單一極性訊號,例如電源線及 GPIO。
  • 雙向型:適用於交流、差動對及會出現正負極性的資料線,例如 USB、HDMI 及 CAN。

常見型號:SMAJ5.0A(SMA,單向,5 V)、SMBJ12CA(SMB,雙向,12 V)、ESD9B5V0S(SOD-923,適合高速線路的超低電容型)

單向與雙向 TVS 二極體符號

圖:單向與雙向 TVS 二極體的電路符號及標示。

5. LED(發光二極體)

LED 採用相同的 P-N 接面原理,但由砷化鎵、氮化鎵或氮化銦鎵等化合物半導體製成,載子復合時會放出光子。發光波長及顏色取決於半導體材料的能隙。就像有極性電容必須注意方向一樣,組裝時也必須瞭解 SMD LED 極性

各顏色的順向電壓:

  • 紅外線:約 1.2~1.5 V
  • 紅色:約 1.8~2.2 V
  • 黃色/綠色:約 2.0~2.4 V
  • 藍色/白色:約 3.0~3.5 V
  • 紫外線:約 3.5~4.0 V

PCB 設計注意事項:

  • 務必使用限流電阻或定電流驅動器。
  • 高功率 LED(>500 mW)需要妥善管理散熱銲墊;接面至 PCB 銅箔的熱阻與空氣流動同樣重要。
  • COB(板上晶片)LED 將多顆晶粒整合在同一基板上,PCB 銅層必須仔細設計熱擴散路徑。

常見 SMD 封裝:0402、0603、0805(指示燈)、2835、5050、3528(照明)、XPE/XPG(高功率)

SMD LED 封裝尺寸

圖:常見 SMD LED 封裝尺寸比較,從 0402 指示燈到具有散熱銲墊的高功率 XP-E。

6. 快速恢復與超快速恢復二極體

標準整流二極體的切換速度無法滿足現代功率電子需求。快速及超快速恢復二極體透過受控擴散製程,以及鉑或金摻雜技術縮短逆向恢復時間,解決這項問題。

分類:

  • 快速恢復:trr = 100~500 ns
  • 超快速恢復:trr = 25~100 ns
  • 極快速恢復(部分製造商):trr < 25 ns

在高電壓電動車及工業電源系統中,碳化矽(SiC)蕭特基二極體正逐漸取代傳統超快速恢復元件,因為它兼具高逆向耐壓能力及近乎為零的逆向恢復損耗。

標準二極體無法勝任,但快速恢復二極體可以處理的應用:

  • 50~300 kHz 的 SMPS 次級整流
  • 10~100 kHz 的變流器飛輪電路
  • 電動車車載充電器及牽引變流器
  • 馬達驅動電路

與標準蕭特基二極體的主要取捨:快速恢復二極體可承受更高逆向電壓,最高可達 1200 V,而且高溫漏電流較低,因此更適合標準矽蕭特基元件無法使用的高電壓 SMPS 電源軌。

常見型號:UF4007(DO-41,1 A/1000 V,75 ns)、MUR860(TO-220,8 A/600 V)、STTH8R06(TO-220,8 A/600 V,超快速)

SMPS 次級整流電路

圖:使用超快速恢復二極體、輸出濾波電感及電容的 SMPS 次級整流電路。

7. 光電二極體

光電二極體是針對光線偵測最佳化的 P-N 接面。光子照射空乏區時會產生電子電洞對,形成與入射光強度成比例的光電流。

工作模式:

  • 光導模式(逆向偏壓):反應較快、雜訊較低,適用於高速光接收器。
  • 光伏模式(零偏壓):適用於精密量測及太陽能電池,暗電流較低。

應用:

  • 紅外線接收器(遙控器、IrDA)
  • 環境光感測器
  • 醫療用脈搏血氧儀
  • 馬達光學編碼器

光電二極體跨阻放大器

圖:將光線產生的光電流轉換成輸出電壓的光電二極體跨阻放大器電路。

8. 雷射二極體

雷射二極體的電氣特性與 LED 類似,但會透過受激放射產生同調且準直的光線。它需要精確控制驅動電流,因為即使只在短時間內超過臨界電流,也可能造成永久損壞。

應用:

  • 光纖收發器(SFP、QSFP 模組)
  • 自動駕駛車輛的光達感測器
  • 工業條碼及 QR Code 掃描器
  • 光學儲存裝置(傳統 CD/DVD/Blu-ray)

如何為電路選擇合適的二極體

以下二極體選擇指南採用有邏輯的篩選順序。從嚴格的電路需求開始,再依散熱及封裝限制逐步縮小範圍,可避免產品在實際使用時發生非預期故障。

步驟 1:定義電壓需求

  • 二極體可能承受的最大逆向電壓是多少?請將瞬態電壓納入計算。
  • 保留 50~70% 的安全降額。如果電源軌為 48 V,請勿使用 50 V 二極體,應選擇額定 80 V 或 100 V 的元件。

步驟 2:定義電流需求

  • 正常運作時的平均順向電流 IF(avg)。
  • 切換時的重複峰值電流。
  • 啟動或故障時的突波電流。

步驟 3:確定切換頻率

  • 低於 1 kHz:可使用標準整流二極體。
  • 1~100 kHz:需要快速恢復或蕭特基二極體。
  • 高於 100 kHz:強烈建議使用蕭特基二極體;若耐壓需求較高,則使用超快速恢復二極體。

步驟 4:評估功率消耗

  • Pd = Vf × IF,計算結果代表二極體產生的熱量。
  • 檢查封裝的 θJA(熱阻),確保接面溫度低於 125°C;多數矽元件的絕對最高溫度為 150°C。

步驟 5:考量環境與漏電流

  • 高溫環境(>85°C)會放大蕭特基二極體的漏電流,此時快速恢復二極體可能更適合。
  • 電池供電系統需要低逆向漏電流,請查看實際工作溫度下的 IR 規格。

步驟 6:選擇封裝

  • 配合組裝方式選擇 SMT 或穿孔式封裝。
  • 確認散熱焊墊圖案能承受步驟 4 所計算的 Pd。
  • 確認 PCB 元件庫中具有正確的封裝焊墊圖案。

快速參考:應用與建議二極體類型

應用 建議二極體 範例型號
50 Hz 市電整流器整流二極體(1N400x/M7)1N4007、M7
降壓/升壓轉換器輸出蕭特基二極體SS34、MBRS360
USB-C/介面 ESD 保護TVS(低電容)ESD9B5V0S、PRTR5V0U2X
5 V 邏輯參考電壓齊納二極體BZT52C5V1
150 kHz 高電壓電源軌 SMPS超快速恢復二極體UF4007、STTH8R06
RF 訊號偵測低電容蕭特基二極體BAT54、HSMS-2850
車用反極性保護蕭特基二極體或 P-FETMBRF20100CT
工業 I/O 突波保護TVS(高功率)SMBJ18CA

注意事項

表中型號僅供參考,請務必依實際設計條件核對各項規格。

選擇二極體類型時的常見錯誤

以下是 PCB 設計審查中確實常見,而且都可以避免的錯誤。

1. 忽略切換電路中的逆向恢復:在 100 kHz 降壓轉換器中使用 1N4007,是初學者最常犯的錯誤之一。二極體會過熱,在滿載下甚至可能在數小時內失效。

2. 逆向耐壓不足:降額不是可有可無的選項。額定電壓恰好等於電源軌電壓的二極體,可能在負載瞬變時失效;在電感性電路中,返馳電壓可能達到電源電壓的 3~5 倍。

3. 低估突波電流:啟動及故障事件可能在數微秒內,讓流經二極體的電流達到穩態電流的 10~50 倍。除了 IF,也必須檢查 IFSM(非重複峰值突波電流)規格。

4. 忽略 SMD 二極體的散熱設計:額定 500 mW 的 SOD-123 齊納二極體,只有在鋪銅面積足夠時才能消耗這麼多功率。如果只放在沒有擴大鋪銅的 1 oz 小銅箔區上,實際功率消耗可能在達到溫度上限前只能到 150 mW。檢視銲墊設計最佳實務,對散熱管理非常重要。

5. TVS 二極體距離連接器太遠:如果 TVS 位於 PCB 上與輸入連接器相距最遠的位置,保護效果非常有限。在快速 ESD 事件中,即使只有 10 mm 走線,其寄生電感也足以讓破壞性電壓尖峰越過保護元件。

6. 在資料線上使用單向 TVS:資料線會出現正負兩種極性。如果在 USB D+ 或 CAN High 上使用單向 TVS,訊號會遭到削波並造成資料錯誤。差動或交流耦合線路務必使用雙向 TVS。

7. 封裝與功率等級不符:未計算熱阻便在功率消耗 3 W 的應用中選用 SMA 封裝。SMA 的 θJA 通常會依鋪銅面積落在 50~100°C/W,因此選定封裝前務必完成計算。

SMD 二極體類型:實用工程考量

選擇 SMD 二極體時,必須注意以下製造及散熱條件:

散熱管理

  • SMD 封裝主要透過 PCB 鋪銅散熱,因此功率較高的 SMD 二極體務必增加散熱銲墊及鋪銅區。
  • 穿孔式封裝的自然對流較佳,在開放空間且沒有強制散熱的高功率設計中仍是常見選擇。
  • D2PAK 的功率消耗若超過 5 W,必須在金屬散熱片下方提供接地鋪銅區。

自動化組裝

  • SMD 封裝專為自動貼片及迴焊而設計,因此透過 JLCPCB 進行大量SMT 組裝時,通常會優先採用。
  • SOD-923 及 0402 等級封裝需要精確的迴焊溫度曲線及優異的錫膏控制,手工銲接極為困難。
  • DO-41 穿孔式元件仍適合快速麵包板測試、原型製作及舊式設備維修。
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PCB 組裝服務橫幅

封裝間距

  • 務必檢查 SMD 二極體與相鄰元件之間的元件間距邊界。SMA 與 SMB 封裝比想像中更占空間,在高密度佈局中經常造成設計規則檢查(DRC)違規。

常見穿孔式與 SMD 二極體封裝

圖:常見穿孔式與 SMD 二極體封裝的尺寸比較,包括 DO-41、TO-220、SMA、SMB、SMC、D2PAK 及 SOD 系列。

穿孔式與 SMD 二極體封裝比較

選擇二極體封裝不只是焊墊圖案的問題,還會從根本上決定散熱表現、組裝方式及電流承載上限。

二極體封裝比較表

以下為常見二極體封裝及其 SMD 對應形式。封裝尺寸會直接影響熱阻及電流承載能力。

穿孔式封裝 SMD 對應封裝 典型最大電流 組裝方式
DO-41(軸向)SMA(DO-214AC)1~3 A手工/迴焊
DO-15(軸向)SMB(DO-214AA)2~5 A迴焊
DO-27(軸向)SMC(DO-214AB)3~10 A迴焊
TO-220D2PAK(TO-263)5~30 A迴焊/壓入
SOD-123不適用200 mA~1 A迴焊
SOD-323不適用100~300 mA迴焊
SOD-923不適用100 mA迴焊(超小型)

二極體選擇為何對現代電子產品如此重要

一顆選擇不當的二極體,就可能讓小型 GaN 充電器失效。在高頻功率電子中,選擇正確元件是一項實際工程能力,而不只是教科書知識。

現代 PCB 設計對二極體提出前所未有的要求:

  • GaN 與 SiC 電源供應器以 MHz 頻率切換,標準二極體完全跟不上。
  • USB-C PD 電路可傳輸最高 240 W,需要嚴密的過電壓及 ESD 保護。
  • 車用 ECU在標稱 12 V 電源軌上可能面臨超過 40 V 的負載突降瞬變。
  • 物聯網及穿戴式裝置要求超小型 SMD 封裝,同時又不能犧牲散熱表現。
  • SMPS 設計的成敗取決於逆向恢復特性。

為了協助您正確選擇並避免常見問題,本文說明各項關鍵特性,讓您瞭解穩健設計與實際使用時失效的設計之間有何差異。

什麼是二極體?運作原理是什麼?

二極體本質上是一種雙端子半導體元件,允許電流朝一個方向流動,並阻擋相反方向的電流。

P-N 接面基礎

P-N 接面二極體

圖:P-N 接面二極體,顯示 P 型與 N 型區域、空乏區及載子移動方向。

標準二極體由 P-N 接面構成,也就是以電洞為多數載子的 P 型半導體,與以電子為多數載子的 N 型半導體之間的邊界。載子會在接面處復合,形成帶有內建電場的空乏區。

  • 順向偏壓:對陽極施加正電壓會縮小空乏區;電壓超過臨界值後便有電流流動,矽二極體約為 0.6~0.7 V。
  • 逆向偏壓:相反極性會增強電場並擴大空乏區,在達到崩潰電壓前,只會流過極小的漏電流。

電路圖中的常見二極體符號

每一類二極體都有不同的電路圖符號。快速辨識二極體符號,是閱讀資料表、應用說明及參考設計的基本能力。檢查符號時,也可參考完整的二極體符號指南,掌握不同變體之間的細微差異。

IEC 與 ANSI 標準中的這些符號具有一致性,多數 PCB EDA 工具(KiCad、Altium、EasyEDA)的標準元件庫也包含所有變體。

不同類型二極體的電路圖符號

圖:標準接面、齊納、LED、蕭特基、光電、穿隧、變容、定電流、SCR、DIAC 及 TRIAC 的電路圖符號。

工程師必須瞭解的二極體關鍵參數

從經銷商或 JLCPCB 零件庫選擇二極體之前,工程師應仔細檢查資料表中的主要電氣參數。這些數值會決定切換表現、散熱特性、耐壓能力及電路的長期可靠度。

參數 代表意義 重要性
順向電壓(Vf)導通時的電壓降直接影響功率損耗及發熱
逆向電壓(VRRM)最大重複峰值逆向耐壓額定值不足會造成災難性失效
逆向漏電流(IR)逆向偏壓時的電流對低功率電池電路非常重要
逆向恢復時間(trr)從順向導通轉為截止所需時間決定可使用的切換頻率
接面電容(Cj)接面兩端的寄生電容影響 RF 及高頻表現
功率消耗(Pd)封裝可承受的最大熱量決定散熱設計及降額
切換速度整體交流工作能力對 SMPS、馬達驅動器及變流器非常重要

二極體 I-V 特性曲線

圖:二極體 I-V 特性曲線,顯示順向膝點電壓、逆向漏電流及逆向崩潰區。

逆向恢復:最常被設計人員忽略的參數

逆向恢復時間(trr)是順向電流停止後,二極體完全截止所需的時間。在這段期間內,二極體會短暫朝錯誤方向導通,這種現象稱為逆向恢復電流。

  • 50 Hz 整流器:影響可忽略不計。
  • 100 kHz SMPS:會造成明顯的切換損耗、發熱及 EMI。
  • 1 MHz 以上轉換器:標準二極體完全不適用。

二極體類型常見問題

問:主要的二極體類型有哪些?

最常見的類型包括整流二極體、齊納二極體、蕭特基二極體、LED、光電二極體及 TVS 二極體,每一類都針對特定電氣功能而設計。

問:二極體的逆向耐壓太低會發生什麼事?

如果逆向電壓超過額定值,接面可能進入雪崩崩潰並永久失效。工程師在實際設計中通常會為逆向電壓保留 50~70% 的降額餘裕。

問:蕭特基二極體為什麼比標準 P-N 二極體快?

蕭特基二極體採用金屬與半導體接面,不會儲存少數載子,因此逆向恢復時間接近零,適合高頻切換電路。

問:1N4007 可以用於切換式電源供應器嗎?

不適合高頻使用。1N4007 的逆向恢復時間為微秒等級,會在 SMPS 電路中造成切換損耗及發熱。

問:PCB 上的 TVS 二極體為什麼要靠近連接器?

即使很短的 PCB 走線,在快速 ESD 事件中也會增加寄生電感。將 TVS 靠近連接器,可在尖峰到達敏感 IC 前改善突波箝位效果。

問:蕭特基二極體為什麼會發生熱失控?

接面溫度升高時,逆向漏電流會快速增加,進一步產生更多熱量,最後可能造成無法控制的溫度上升。

問:SiC 二極體為什麼逐漸普及於電動車功率電子?

碳化矽二極體兼具高逆向耐壓與極低逆向恢復損耗,可提高高電壓變流器及充電器的效率。

結論

選擇合適的二極體已不只是比較電壓及電流額定值。在現代 PCB 設計中,切換速度、散熱特性、封裝類型及瞬態保護都會直接影響可靠度與效率。

無論您正在設計 USB-C 功率級、車用控制器或小型物聯網裝置,瞭解各個二極體系列的優勢及取捨,都有助於避免代價高昂的設計錯誤。

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