二极管

二极管（Diode）是一种具备单向电导通特性的两端电子元器件。二极管具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。二极管具有两个端子，阳极和阴极。电流是否流动取决于施加于这些端子的电压方向。电流可从阳极流至阴极（正向）。相反，电流不能从阴极流至阳极（反向）。

1873年，弗雷德里克·格思里（Frederick Guthrie）发现了当加热一个接地的金属盘时，其旁边带正电的验电器会逐渐流失电荷；而当金属盘靠近带负电的验电器时，则不会有电荷流失。该现象表明加热的金属阴极可表现出单向导电特性；1880年，爱迪生在未了解格思里的工作的情况下，也发现了类似的现象。1904年，约翰·弗莱明（爱迪生前雇员）发现了这一效应的实用价值，它可以用来制作精确检波器。1904年11月16日，第一个真正的热离子二极管——弗莱明管，也是世界上第一个真空二极管，由弗莱明在英国申请了专利。然而，基于热电子发射的真空管寿命较短、功耗高、体积大。在真空管技术、计算机技术如火如荼发展的同时，研究人员也一直在寻找真空管的替代品，到1950年代电子设备中的真空管逐渐被半导体二极管、三极管取代。

起源1874年，卡尔·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发现，某些金属硫化物（半导体）在与金属接触后，会表现出一定的单向导通特性，并制成了首个固态半导体检波器。现在我们则知道，这种检波器其实是一种肖特基二极管。1940年通过合理调控半导体中的掺杂杂质类型和浓度、选择具有合适费米能级的金属材料，贝尔实验室的科学家们制备出了性能更好的肖特基二极管、PN结二极管。二极管两侧的电压则可以改变二极管势垒的高度和宽度，使电荷在二极管中的流通变得更困难或更容易，从而实现二极管的单向导通特性，由此半导体二极管诞生。逐步发展然而半导体二极管的功能有限，研究人员尝试对半导体二极管进行升级。1947年，贝尔实验室的肖克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）和布拉顿（Walter Brattain）在半导体二极管中增加了一个电极，形成了集电极、基极、发射极三极结构，并使用基极来调控发射极到集电极之间的电流，随后制备出了第一个半导体晶体管，相比于真空电子管，晶体管体积更小、工作性能更稳定、寿命更长、造价更低。这一发明也获得了1956年度诺贝尔物理学奖。20世纪80年代后随着半导体器件制作工艺技术的发展，肖特基势垒二极管的发展逐步走向成熟。2007年，中国科学院物理研究所研究员胡江平与香港科技大学教授戴希等，在理论上提出利用电子、空穴掺杂超导体构造的约瑟夫森结来实现超导二极管效应，也称约瑟夫森二极管。2020年，日本京都大学Teruo Ono研究组在Nb/V/Ta超晶格超导体中通过外加磁场实现超导二极管现象；2022年，荷兰代尔夫特理工大学Mazhar Ali研究组在NbSe2/Nb3Br8/NbSe2约瑟夫森结实现无外场的约瑟夫森二极管效应。2022年，中国科学院金属研究所的科研人员提出了一种光控二极管，通过异质结的设计与构筑，器件获得了新型光电整流特性，光照条件下电流状态实现了由全关态向整流态的转换，进而构筑出首例无需选通器件的光电存储阵列。

真空二极管外表是一个金属质的或玻璃质的罩子，里面的空气被精密的抽取，形成真空状态。罩子里面放着一个金属的灯丝叫做阴极（丝极），阴极的周围围着一个金属的圆筒叫做阳极（屏极），阳极有时也会做成扁筒型或板状。阴极接到电源之后，就会加热从而发射出电子，就像开水上的水蒸气从水面逃逸出去，被铜片的正极所吸引，只在这个方向上有电流。但是反过来，铜片上的电子没那么炽热，所以不会朝灯丝飞去。所以有正电压时，这个器件导通，施加负电压时就关断。阴极每秒所发射出的电子数目决定了发射电流的大小，阴极和电池连接在一起形成阴极电路，流过这个电路的电流叫做阴极电流。

真空二极管示意图

二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。在二极管的两端，P型区域外加正电压，N型区外加负电压，向耗尽层变窄的方向上加入能量，则载流子极易向两边漂移，再次产生复合，因复合而消失的载流子被外加电压的电流补给，形成定向电流。与此相反，当在P型区域外加负电压，N型区外加正电压时，向载流子被电极吸引的方向上加入能量，则耗尽层变宽，电流几乎不再流动。二极管的类型很多，从制造材料上分，主要分为硅管和锗管;从二极管的结构分，主要有点接触型、面接触型及硅平面型二极管。

半导体二极管示意图

真空二极管根据热电子发射原理进行工作。一旦灯丝加热，阴极端子就会发射电子，这些电子将被阳极吸引。如果施加到阳极的正电压不够，则阳极无法吸引阴极发射的所有电子。这会导致一些电子积聚在阴极和阳极之间的空间中，形成称为空间电荷的负电荷云。空间电荷充当屏障，防止电子从阴极进一步发射并减少电路中的电流。相反如果阳极和阴极之间的施加电压逐渐增加，则越来越多的空间电荷电子被吸引到阳极，并为进一步发射的电子创造空置空间。因此随着阳极和阴极两端电压的增加，可以提高电子的发射速率，从而提高电路中的电流。阴极端子产生的电子数量主要取决于施加热量和功函数这两个重要因素。一旦施加更多热量，从阴极发射的自由电子的数量就会更多。同样，如果施加的热量较少，则阴极发射的电子数量较少。功函数可以定义为从金属中去除电子所需的最小能量。通常情况下，具有较少功函数的金属将需要较少的热能来产生自由电子，相反高功函数的金属将需要大量能量来产生自由电子，因此，选择好的材料会提高电子发射效率，最常用的热离子发射器包括钨、针钨和氧化物涂层阴极。

真空二极管原理图

真空二极管原理图

二极管的主要原理就是利用PN结的单向导电性，在PN结上加上引线和封装就成了一个二极管。

磷原子持有的5个价电子中4个和硅（Si）原子一样，通过共价键，与邻接原子紧密结合。剩下1个价电子不发生共价键，而是根据室温高低成为自由电子。这个自由电子将旁边的价电子赶出，取代它的位置，而原有价电子变为自由电子，再将旁边的其他价电子赶出。通过这样的重复过程，使自由电子不断移动从而形成电流。由电子作为载流子（输送电流）的半导体称为“N型半导体”。

N型半导体结构

硼元素具有3个价电子，与硅相比少1个价电子。邻接硅原子中的价电子通过微量热能变为自由电子，被受主原子吸收。被吸收的价电子的原有位置称为空穴，进一步吸收邻接硅原子中的价电子。通过这个重复过程，空穴移动，产生电流。由空穴作为载流子的半导体称为“P型半导体”。

P型半导体结构

在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或P型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成P型半导体和N型半导体的交接面，称为PN结。PN结具有单向导电性:当PN结加正向电压时，P端电位高于N端，PN结变窄，由多子形成的电流可以由P区向N区流通；而当PN结加反向电压时，N端电位高于P端，PN结变宽，由少子形成的电流极小，视为截止（不导通）。

PN结

二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。

当反向电压逐渐增加到某一数值UBR时，电流急剧增加，这种现象称为二极管反向击穿。UBR称为反向击穿电压。硅管的反向击穿电压约为250V，锗管的反向击穿电压约为50V。反向击穿电UBR越大，说明二级管的耐压性能越好。二极管在正常使用时应避免出现反向击穿，因此所加的反向电压应小于二分之一UBR。

二极管的参数是其特性和极限运用条件的定量描述，是设计电路时正确选择与合理使用二极管的重要依据。为了保证二极管正常安全地工作，选用二极管时主要考虑以下几个主要参数。（1）最大整流电流I(F)I(F)是指二极管在长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和散热条件决定。实际使用时，应使通过二极管的电流平均值小于I(F)。如果实际工作电流超过此值，二极管将会因过度发热而损坏。（2）最高反向工作电压U(RM)U(RM)是指允许加在二极管两端反向电压的最大值。为避免二极管反向击穿，通常最高反向工作电压U(RM)是反向击穿电压U(BR)的一半。（3）反向电流I(R)I(R)是指在室温下，二极管两端加上规定的反向电压时的反向电流，其值越小，二极管的单向导电性能越好。反向电流对温度非常敏感。（4）最高工作频率f(M)f(M)是二极管工作的上限频率，当工作频率大于f(M)时，由于结电容的作用，二极管将失去单向导电性。

二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管和硅二极管。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

稳压二极管(Zener diode)简称稳压管，它本质上也是一个半导体二极管，其正向特性与普通二极管的正向特性相同。不同的是，它可以在反向击穿的情况下工作，且反向击穿电压较低，击穿特性曲线较陡。由于特殊的制造工艺，稳压管在反向击穿后两端电压稳定且不被破坏，外加电压撤除后，其阻断状态仍然可以恢复。

发光二极管(LED)的基本结构是一个PN结，它的特性曲线与普通二极管类似，但正向导通电压一般为1V~2V，它除了具有普通二极管的正反向特性外，还具有普通二极管没有的发光能力。LED是一种将电能转换成光能的特殊二极管(发光器件)，在LED的管头上一般加装透镜，这是由其功能所决定的。

光电二极管又叫光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管(受光器件)。与普通二极管一样，其基本构成也是一个PN结。它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入。为增加受光面积，PN结的面积做得比较大。

光电二极管

变容二极管是利用PN结电容可变原理制成的半导体器件，它工作在反向偏置状态，当外加的反向偏置电压大小变化时，其结电容随外加偏压的变化而变化，即反向电压增大时，结电容减小，反之，结电容增大。在电路中当作可变电容器使用。最大电容与最小电容之比为5∶1。由于它无机械磨损且体积小，因而广泛应用于彩电调谐器中。不同型号的变容二极管，其容量变化的范围也不一样，一般为3pF～300pF。

变容二极管

二极管可以使用在消费电子、汽车、工业、军事等领域。二极管具体的应用案例和场景如下：

在使用各类家用电器时，一般要求电器或照明灯的开关应安装在电源火线上，以确保安全。由于现在大部分住宅都没有相应的电源接地线，因此安装电源插头插入插座的随意性，无法保证电器开关正好连接在火线上。若因电器漏电，则会发生安全事故。而利用一支二极管和氖[nǎi]泡串接在电器插头电路中，当插入插座后，若氖泡灯被点亮，说明电源开关接在了电源火线上。

电源火线指示灯

大部分家庭住宅都安装有电子门铃，而门铃均采用干电池供电，其唯一的缺点是需经常换用电池。不仅麻烦而且电池易腐烂。日久会造成对电子元件的损坏。利用二极管和一些电阻电容，及一片低电压的陶瓷片代替发音喇叭，即能构成一个直接使用220V交流电的电子门铃。

交流电子门铃

日常使用的电烙铁、电熨斗等一些电热电器，由于使用时长时间通电工作，不仅大量白白消耗电能，而且经常发生烧坏电热芯问题。如果在电器电路中串接人二极管，这样当电器间歇停止工作时，供电电源即由二极管半波整流供电而限制了电流，使加在电器上的电压下降至50％L三上下，电器处于预热状态，一旦使用时图5中的S闭合，电器转人满负荷芷常供电工作。

电热电器限流恒温

主要用在数字、集成电路中利用二极管的单向导电性实现电路的导通或断开，这一技术现在已经得到广泛应用。开关二极管可以很好的保护的电路，防止电路因为短路等问题而被烧坏，也可实现传统开关的功能。开关二极管还有一个特性就是开关的速度很快，这是传统开关所无法比拟的。主要应用在衣机、智能冰箱、空调等生活电器设备上。

开关电路

发光二极管在汽车以及大型机械中得到广泛应用。汽车以及大型机械设备中的方向灯、车内照明、机械设备仪表照明、大前灯、转向灯、刹车灯、尾灯等都运用了发光二极管。主要是因为发光二极管的响应快、使用寿命长（一般发光二极管的寿命比汽车以及大型机械寿命长）。

汽车领域