二極體電壓降：數值、公式與測量方法
2 分鐘
- 什麼是二極體電壓降？
- 依二極體類型整理的電壓降表
- 關於二極體電壓降的常見錯誤
- 為什麼二極體會有電壓降？
- 影響二極體電壓降的因素
- 如何計算二極體電壓降
- 如何使用萬用表測量二極體電壓降
- 為什麼二極體電壓降在電路設計中很重要？
- 二極體電壓降常見問題
- 結論
每顆二極體在導通時都會損失一部分電壓。這個損失就是二極體電壓降，它會決定有多少電壓真正到達負載、元件會產生多少熱，以及你的低電壓電源軌是否仍能正常工作。
本指南將說明不同類型二極體的典型正向電壓、背後公式、影響因素、如何使用萬用表測量，以及它在實際電路中為什麼重要。
什麼是二極體電壓降？
二極體電壓降是指當電流從陽極流向陰極時，出現在二極體兩端的正向電壓（Vf）。它也稱為正向電壓降或正向電壓（Vf）。
正向電壓（Vf）是二極體在正向偏壓導通時，量測到的兩端電壓。電流從陽極進入，並從陰極流出。當二極體導通時，接面兩端會產生正向電壓。實際數值取決於電流、溫度與二極體結構。
理想二極體電壓降為 0V，像完美開關一樣運作。實際二極體則一定會損失一部分電壓，因為其半導體接面需要最低電位才能導通。這部分損失的電壓會轉化為熱，無法到達負載。在設計電路板時，確認標準二極體符號與方向，可確保正向偏壓條件正確建立。
圖：正向偏壓二極體連接到電池與電阻，顯示二極體兩端有 0.7V 電壓降，其餘電壓落在負載電阻上。
依二極體類型整理的電壓降表
正向電壓取決於半導體材料；對 LED 來說，也取決於發光顏色。可將下表作為快速參考，之後仍應依照元件資料表確認。
| 二極體類型 | 典型正向電壓 |
|---|---|
| 鍺二極體 | 0.25 - 0.3V |
| 蕭特基二極體 | 0.15 - 0.45V |
| 矽 PN 二極體 | 0.6 - 0.8V |
| 功率整流二極體 | 0.8 - 1.2V |
| 紅光 LED | 1.8 - 2.2V |
| 綠光 LED | 2.0 - 3.2V |
| 藍光 LED | 2.8 - 3.8V |
| 白光 LED | 3.0 - 3.6V |
關於二極體電壓降的常見錯誤
- 以為每顆二極體都會下降 0.7V
- 忽略溫度影響
- 把 LED 正向電壓當成固定值
- 只依典型值設計，而不是依資料表數值設計
#1 矽二極體的電壓降
矽是最常見的預設材料。多數矽二極體工作在約 0.6–0.8V。工程師通常會將其四捨五入為 0.7V 電壓降，而功率整流二極體在額定電流下會更高。
- 1N4148（訊號）：約 0.7V
- 1N4007（整流）：在 1A 時最高約 1.1V
#2 蕭特基二極體電壓降
蕭特基二極體使用金屬－半導體接面，而不是 PN 接面。結果是正向電壓更低、效率更高、切換速度更快。取捨則是反向漏電流較高。
範例元件：1N5817、1N5819、SS14，皆可透過 JLCPCB 的 Parts Product Page 輕鬆採購。其正向電壓通常為 0.15-0.45V。
#3 鍺二極體電壓降
鍺二極體的電壓降約為 0.3V。常用於訊號檢波與經典礦石收音機電路。範例：1N34A。
#4 LED 的電壓降
LED 是一種二極體，但其電壓降遠高於矽二極體，且數值會隨顏色變化。典型 LED 正向電壓可參考上方表格，從接近 2V 的紅光 LED，到接近 3.3V 的白光 LED。
#5 齊納二極體的電壓降
在正向模式下，齊納二極體的行為與一般矽二極體相同，約為 0.7V。它的主要用途是在反向模式下，於固定崩潰電壓（Vz）導通。不要把正向 Vf 與反向 Vz 額定值混淆。就像在 BJT 與 MOSFET 之間選擇一樣，正確的工作模式取決於你的功率與開關需求。
#6 快速恢復二極體的電壓降
這類二極體的正向電壓與標準矽二極體相近，但針對切換速度最佳化，因此常見於開關模式電源供應器與高頻整流器。
圖：比較鍺二極體、蕭特基二極體、矽二極體、整流二極體與 LED 的正向電壓降。
為什麼二極體會有電壓降？
PN 接面勢壘
在 P 型與 N 型矽材料接觸的位置，電荷會擴散並形成帶有內建電場的空乏區。這個電場就是一個位能障壁。只有當外加電壓克服它時，電流才會流動。
為什麼矽二極體常被稱為 0.7V 二極體？
0.7V 是在典型條件下克服矽接面勢壘所需的電壓。這是工程上的簡化估算，不是固定常數。實際 Vf 會隨電流與溫度變化。
為什麼二極體正向電壓（Vf）不是固定值？
二極體 I-V 曲線是指數型，而不是突然導通的開關。即使低於 0.7V，也會有小電流流動，並不存在絕對的開／關門檻。Vf 也會隨電流變化，下一節會進一步說明。
影響二極體電壓降的因素
#1 二極體電流
正向電流越大，Vf 越高。由於兩者關係是對數型，因此上升是逐步的，但確實存在：同一顆二極體在 5A 時的電壓降，會高於 5mA 時的電壓降。
圖：矽二極體 I-V 曲線，顯示正向電壓會隨電流增加而上升。
#2 二極體溫度
矽二極體 Vf 約以 -2mV/°C 下降。二極體越熱，電壓降越低。這對熱穩定性很重要：當二極體升溫時，其 Vf 下降，允許更多電流通過，進一步升高溫度。在高電流電路中，如果沒有正確限制電流，這種效應可能導致熱失控。
在回流焊過程中確保適當的熱曲線，對保護敏感 PN 接面免受過熱損傷非常重要。
#3 半導體材料
- 矽：約 0.7V
- 鍺：約 0.3V
- 蕭特基：0.15–0.45V
#4 元件結構
- 訊號二極體：接面較小，電流適中
- 功率整流二極體：接面較大，在高電流下運作
- 高電流元件：在滿載時 Vf 會上升
較大型的功率整流二極體在額定電流下，通常會因較高工作電流與元件結構而表現出較高的正向電壓。
如何計算二極體電壓降
方法 1：快速工程估算
進行快速手算時，可假設固定電壓降，並將其從供應電壓中扣除。
| 類型 | 估算值 |
|---|---|
| 矽二極體 | 0.7V |
| 蕭特基二極體 | 0.3V |
| 鍺二極體 | 0.3V |
| LED | 資料表數值 |
範例：5V 電源軌經過一顆矽二極體後，留給負載的電壓為 5V - 0.7V = 4.3V。
方法 2：使用 Shockley 二極體方程式
若要描述精確行為，可使用 Shockley 二極體方程式：
- Is：反向飽和電流
- n：理想因子，實際二極體通常為 1 到 2
- VT：熱電壓，在 25°C 時約為 25.85mV
- VD：二極體兩端電壓
此方程式顯示電流會隨電壓呈指數上升。對大多數設計工作而言，固定估算值或資料表曲線已經足夠。
方法 3：使用二極體資料表曲線
最準確的數值來自元件資料表。
- 確認二極體型號
- 找到其資料表
- 找到 Vf 與 If 關係圖
- 讀取工作電流下的 Vf
- 依溫度進行修正
圖：二極體資料表中的正向電流與正向電壓關係圖，顯示如何判定工作 Vf。
案例研究：1N4007 與 1N5819 的資料表數值
實際元件會提供具體數字，而不是簡化估算：
- 1N4007：Vf = 1.1V，If = 1A
- 1N5819：Vf ≈ 0.45V，If = 1A
在 1A 條件下，1N4007 資料表中常見約 1.1V 的正向電壓規格。同樣電流下，電壓降差異很大，因為 1N5819 是蕭特基二極體。
如何使用萬用表測量二極體電壓降
警告
測試前請關閉電路電源並將電容放電。若要取得準確的電路內量測結果，請隔離二極體其中一端引腳。
- 關閉電源
- 將電容放電
- 將萬用表設定為二極體模式
- 將紅色表筆接到陽極
- 將黑色表筆接到陰極
- 讀取顯示的 Vf
- 反接表筆，確認顯示 OL（open line，開路）
二極體測試模式會施加一個小測試電流，通常依萬用表不同，落在微安到毫安範圍，因此讀值會低於標稱 0.7V。健康的二極體在一個方向會讀到正向值，反向時則顯示 OL。若兩個方向讀值相同，代表可能是短路二極體。
| 二極體類型 | 典型讀值 |
|---|---|
| 矽二極體 | 0.5–0.8V |
| 蕭特基二極體 | 0.15–0.45V |
| 鍺二極體 | 0.2–0.4V |
| LED | 1.5–3.5V |
圖：數位萬用表在二極體測試模式下量測矽二極體，表筆以正向偏壓方式連接。
為什麼二極體電壓降在電路設計中很重要？
二極體功率耗散
每顆導通中的二極體都會將功率轉為熱：
P = Vf * If
| 電流 | 0.7V 二極體損耗 |
|---|---|
| 100mA | 70mW |
| 1A | 0.7W |
| 5A | 3.5W |
在較高電流下，熱量會迫使設計者使用散熱片或選擇較低 Vf 的元件。
整流二極體效率
- 半波：一個二極體電壓降
- 全波（中心抽頭）：電流路徑中有一個電壓降
- 橋式：導通路徑中有兩個電壓降
橋式整流器在導通路徑中通常會引入兩個二極體電壓降，這會降低低電壓電源供應器的效率。
圖：橋式整流電路，顯示電流流經兩顆導通二極體，並產生正向電壓損失。
反接保護中的二極體電壓降
電壓降越低，保護路徑中浪費的電壓與熱就越少。
| 方法 | 電壓損失 |
|---|---|
| 矽二極體 | 高 |
| 蕭特基二極體 | 較低 |
| 理想二極體 MOSFET | 極低 |
注意
從經驗證的組裝元件庫中選擇低 Vf 蕭特基二極體，例如 JLCPCB Parts Library，可以讓保護路徑中的損耗保持在較低水準。
低電壓電子產品中的二極體
供應電壓越小，二極體壓降造成的影響越明顯：
- 3.3V 系統
- 電池供電裝置
- IoT 節點
- USB 供電電路
在 3.3V 電源軌上，0.7V 的矽二極體壓降會浪費超過五分之一的供應電壓。使用蕭特基二極體或理想二極體 MOSFET，可回收大部分電壓。在早期 PCBA vs PCB 設計考量階段就完成這些選型，可避免後續出現電壓下陷與佈局問題。
二極體電壓降常見問題
Q：二極體兩端的電壓降是多少？
正向電壓降（Vf）是電流從陽極流向陰極時損失的電位差。對矽 PN 二極體來說，通常約為 0.6V 至 0.8V；對蕭特基元件來說則低得多，約為 0.15V 至 0.45V。
Q：為什麼矽二極體電壓降約為 0.7V？
0.7V 門檻是標準工程估算值，代表 PN 接面空乏區的位能障壁。在實際工作中，這個值會依工作電流與溫度動態變化。
Q：蕭特基二極體的電壓降是多少？
蕭特基二極體通常會下降 0.15V 至 0.45V。由於它們使用金屬－半導體接面，而不是傳統 PN 接面，因此可達成更高功率效率與更快切換速度。
Q：LED 的電壓降是多少？
發光二極體的電壓降與其顏色直接相關：紅光 LED 約在 1.8V 至 2.2V，而綠光、藍光與白光 LED 可能需要高達 3.0V 至 3.8V 才能完全導通。
Q：如何計算二極體兩端的電壓降？
快速估算時，可使用標準值，例如矽二極體 0.7V 或蕭特基二極體 0.3V。若要進行精確工程計算，請查閱資料表中的正向電流與正向電壓曲線，或使用 Shockley 二極體方程式。
Q：二極體電壓降會隨電流增加嗎？
會。Vf 會隨電流增加而逐漸上升。這種非線性關係是對數型，也就是較高電流會在半導體接面上產生更大的正向電壓損失。
Q：溫度會影響二極體正向電壓嗎？
會。矽材料具有約 -2mV/°C 的負溫度係數。當接面升溫時，位能障壁會下降，導致正向電壓降降低。
Q：如何用萬用表測量二極體電壓降？
先關閉電路電源、將電容放電，將萬用表設定到二極體檔位，並將紅色表筆接在陽極、黑色表筆接在陰極，即可讀取有效 Vf。反接表筆後，應確認顯示 OL（open line，開路）。
Q：橋式整流器的電壓降是多少？
全波橋式整流器在有效電流路徑中會串聯兩個二極體電壓降。對標準矽二極體而言，累計電壓損失約為 1.4V。
結論
二極體電壓降是二極體導通時損失的正向電壓，且會依技術而異：矽二極體約 0.7V，蕭特基二極體低得多，LED 則高得多。電流、溫度與元件結構都會改變此數值，因此資料表曲線能提供最準確的參考。使用萬用表的二極體模式測量 Vf，是故障排查與元件選型時快速且可靠的檢查方式。
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