二极管（1）定义和原理

作者：朱晓明，文章来源：硬件十万个为什么 

1、二极管的定义

二极管是一种具有两端（阳极和阴极）的电子元件，它允许电流在一个方向上流动，而在另一个方向上阻止电流流动。这种特性使二极管在电路中起到整流、保护、开关等作用。



二极管（英语：diode）又称二极体，是一种具有不对称电导的两个端子（阴阳二极接线端，故名“二极”）的电子器件；此二极使其原则上仅允许电流作单方向传导，它在一个方向为低电阻（理想情况下是零），高电流，而在另一个方向为高电阻。现今，二极用半导材料。 借由二极管的特性，在电力工程上常用作整流器（将交流电变成直流电）；在电子工程上常用作检波器（从调幅波检回音波）；在计算机硬件逻辑设计上常用作逻辑电路的逻辑闸。

1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩在卡尔斯鲁厄理工学院发现了晶体的整流能力。因此1906年开发出的第一代二极管——“猫须二极管”是由方铅矿等矿物晶体制成的。早期的二极管还包含了真空管，真空管二极管具有两个电极 ，一个阳极和一个热式阴极，借由电极之间加上的电压能够让热电子从阴极到达阳极，因而有整流的作用。 在半导体性能被发现后，半导体二极管成为了世界上第一种半导体器件。现如今的二极管大多是使用硅来生产，锗等其它半导体材料有时也会用到。目前最常见的结构是，一个半导体性能的结芯片通过PN结连接到两个电终端。



2、什么是PN结

本征半导体

本征半导体，如高纯度的硅，虽然在理论上非常重要，但由于其自由电子和空穴的浓度都非常低（约为10¹⁰ cm⁻³），其导电性能确实较差，体电阻率约为10⁶Ω·cm。这使得它在实际应用中不太实用，除非通过一定的方法来提高其导电性能。

杂质半导体的掺杂

通过掺杂，半导体材料的导电性能可以大幅提升。掺杂分为两种主要类型：

N型半导体（负性半导体）：

掺入5价杂质元素：如磷（P）、砷（As）。

这些杂质原子与硅原子形成共价键，多余的电子成为自由电子，从而增加了导电性。

多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴。

·  P型半导体（正性半导体）：

掺入3价杂质元素：如硼（B）、镓（Ga）。

这些杂质原子与硅原子形成共价键，缺少的电子形成空穴，从而增加了导电性。

多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子。

3、二极管的工作原理

二极管主要是由半导体材料（通常是硅或锗）制成的，具有一个PN结（由P型半导体和N型半导体接合而成）。

其工作原理可以从以下两个方面来理解：

正向偏置：

当二极管的阳极（P区）接正电压、阴极（N区）接负电压时，称为正向偏置。

此时，PN结的势垒电压降低，允许载流子（电子和空穴）跨越结区，导致电流流过二极管。

正向电压越高，通过二极管的电流越大。


反向偏置：

当二极管的阳极（P区）接负电压、阴极（N区）接正电压时，称为反向偏置。

此时，PN结的势垒电压增加，阻止载流子跨越结区，几乎没有电流流过二极管（仅有极小的反向饱和电流）。

反向电压增加到一定程度（超过击穿电压）会导致二极管击穿，此时电流急剧增加，但这种状态通常会损坏二极管。


二极管具有阳极和阴极两个端子，电流只能往单一方向流动。也就是说，电流可以从阳极流向阴极，而不能从阴极流向阳极。对二极管所具备的这种单向特性的应用，通常称之为“整流”功能,可将交流电转变为脉动直流电，例如：无线电接收器对无线电信号的调制，就是通过整流来完成的。因为其顺向流通反向阻断的特点，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上，二极管并不会表现出如此完美的开关性，而是呈现出较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。一般来说，只有在正向超过障壁电压时，二极管才会工作（此状态被称为正向偏置）。


一个正向偏置的二极管两端的电压降变化只与电流有一点关系，并且是温度的函数。因此这一特性可用于温度传感器或参考电压。半导体二极管的非线性电流-电压特性，可以根据选择不同的半导体材料和掺杂不同的杂质从而形成杂质半导体来改变。

特性改变后的二极管在使用上除了用做开关的方式之外，还有很多其他的功能，如：用来调节电压（齐纳二极管），限制高电压从而保护电路（雪崩二极管），无线电调谐（变容二极管），产生射频振荡（隧道二极管、耿氏二极管、IMPATT二极管）以及产生光（发光二极管）。半导体二极管中，有利用P型和N型两种半导体接合面的PN结效应，也有利用金属与半导体接合产生的肖特基效应达到整流作用的类型。若是PN结型的二极管，在P型侧就是阳极，N型侧则是阴极。