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來源：互聯(lián)網(wǎng)

二極管（Diode）是一種具備單向電導(dǎo)通特性的兩端電子元器件，最常見的半導(dǎo)體二極管是PN結(jié)型二極管和金屬半導(dǎo)體接觸二極管。二極管具有單向?qū)щ娦阅埽唇o二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。二極管的共同特點是伏安特性的不對稱性，即電流沿其一個方向呈現(xiàn)良好的導(dǎo)電性，而在相反方向呈現(xiàn)高阻特性。二極管具有兩個端子，陽極和陰極。電流是否流動取決于施加于這些端子的電壓方向。電流可從陽極流至陰極（正向）。相反，電流不能從陰極流至陽極（反向）。

1904年世界首個真空二極管誕生，然而，基于熱電子發(fā)射的真空管壽命較短、功耗高、體積大。研究人員一直在尋找真空管的替代品，到1940年貝爾實驗室的科學(xué)家們制備出了半導(dǎo)體二極管，由p型和n型半導(dǎo)體組合而成。二極管僅在正向偏置時（即陽極比陰極正偏置更正時）傳導(dǎo)電流。這種只允許電流沿一個方向流動的功能稱為整流。利用高摻雜PN結(jié)中載流子的隧道效應(yīng)可制成超高頻放大或超高速開關(guān)的隧道二極管。逐步發(fā)展的過程中二極管的種類逐漸增多，按材料來劃分最常用的有硅管和鍺管兩種；按結(jié)構(gòu)來劃分有點接觸型，面接觸型和硅平面型幾種；按用途來劃分有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種。使用pn結(jié)的二極管，叫做普通整流二極管。改善普通整流二極管的開關(guān)特性后叫做快恢復(fù)二極管（FRD），它不同于普通整流二極管。在二極管中使用金屬層來代替p型半導(dǎo)體，叫做肖特基勢壘二極管（SBD）。

二極管是最早誕生的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常廣泛。在各種電子電路中，利用二極管和電阻、電容、電感等元器件進(jìn)行合理的連接，構(gòu)成不同功能的電路，可以實現(xiàn)對交流電整流、對調(diào)制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩(wěn)壓等多種功能。二極管是現(xiàn)代電子工業(yè)最重要的元器件之一，在電視、電腦、手機(jī)、照明、汽車、機(jī)械、集成電路等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

發(fā)展歷史

真空二極管

1873年，弗雷德里克·格思里（Frederick Guthrie）發(fā)現(xiàn)了當(dāng)加熱一個接地的金屬盤時，其旁邊帶正電的驗電器會逐漸流失電荷；而當(dāng)金屬盤靠近帶負(fù)電的驗電器時，則不會有電荷流失。該現(xiàn)象表明加熱的金屬陰極可表現(xiàn)出單向?qū)щ娞匦裕?880年，托馬斯·愛迪生在未了解格思里的工作的情況下，也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。1904年，約翰·弗萊明（愛迪生前雇員）發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)的實用價值，它可以用來制作精確檢波器。1904年11月16日，第一個真正的熱離子二極管——弗萊明管，也是世界上第一個真空二極管，由弗萊明在英國申請了專利。然而，基于熱電子發(fā)射的真空管壽命較短、功耗高、體積大。在真空管技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)如火如荼發(fā)展的同時，研究人員也一直在尋找真空管的替代品，到1950年代電子設(shè)備中的真空管逐漸被半導(dǎo)體二極管、三極管取代。

半導(dǎo)體二極管

起源

1874年，卡爾·費迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發(fā)現(xiàn)，某些金屬硫化物（半導(dǎo)體）在與金屬接觸后，會表現(xiàn)出一定的單向?qū)ㄌ匦裕⒅瞥闪耸讉€固態(tài)半導(dǎo)體檢波器。現(xiàn)在我們則知道，這種檢波器其實是一種肖特基二極管。

1940年通過合理調(diào)控半導(dǎo)體中的摻雜雜質(zhì)類型和濃度、選擇具有合適費米能級的金屬材料，貝爾實驗室的科學(xué)家們制備出了性能更好的肖特基二極管、PN結(jié)二極管。二極管兩側(cè)的電壓則可以改變二極管勢壘的高度和寬度，使電荷在二極管中的流通變得更困難或更容易，從而實現(xiàn)二極管的單向?qū)ㄌ匦裕纱税雽?dǎo)體二極管誕生。

逐步發(fā)展

然而半導(dǎo)體二極管的功能有限，研究人員嘗試對半導(dǎo)體二極管進(jìn)行升級。1947年，貝爾實驗室的威廉·肖克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）在半導(dǎo)體二極管中增加了一個電極，形成了集電極、基極、發(fā)射極三極結(jié)構(gòu)，并使用基極來調(diào)控發(fā)射極到集電極之間的電流，隨后制備出了第一個半導(dǎo)體晶體管，相比于真空電子管，晶體管體積更小、工作性能更穩(wěn)定、壽命更長、造價更低。這一發(fā)明也獲得了1956年度諾貝爾物理學(xué)獎。

20世紀(jì)80年代后隨著半導(dǎo)體器件制作工藝技術(shù)的發(fā)展，肖特基勢壘二極管的發(fā)展逐步走向成熟。

2007年，中國科學(xué)院物理研究所研究員胡江平與香港科技大學(xué)教授戴希等，在理論上提出利用電子、空穴摻雜超導(dǎo)體構(gòu)造的約瑟夫森結(jié)來實現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng)，也稱約瑟夫森二極管。2020年，日本京都大學(xué)Teruo Ono研究組在Nb/V/Ta超晶格超導(dǎo)體中通過外加磁場實現(xiàn)超導(dǎo)二極管現(xiàn)象；2022年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Mazhar Ali研究組在NbSe2/Nb3Br8/NbSe2約瑟夫森結(jié)實現(xiàn)無外場的約瑟夫森二極管效應(yīng)。

2022年，中國科學(xué)院金屬研究所的科研人員提出了一種光控二極管，通過異質(zhì)結(jié)的設(shè)計與構(gòu)筑，器件獲得了新型光電整流特性，光照條件下電流狀態(tài)實現(xiàn)了由全關(guān)態(tài)向整流態(tài)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而構(gòu)筑出首例無需選通器件的光電存儲陣列。

組成結(jié)構(gòu)

真空二極管

真空二極管外表是一個金屬質(zhì)的或玻璃質(zhì)的罩子，里面的空氣被精密的抽取，形成真空狀態(tài)。罩子里面放著一個金屬的燈絲叫做陰極（絲極），陰極的周圍圍著一個金屬的圓筒叫做陽極（屏極），陽極有時也會做成扁筒型或板狀。

陰極接到電源之后，就會加熱從而發(fā)射出電子，就像開水上的水蒸氣從水面逃逸出去，被銅片的正極所吸引，只在這個方向上有電流。但是反過來，銅片上的電子沒那么熾熱，所以不會朝燈絲飛去。所以有正電壓時，這個器件導(dǎo)通，施加負(fù)電壓時就關(guān)斷。陰極每秒所發(fā)射出的電子數(shù)目決定了發(fā)射電流的大小，陰極和電池連接在一起形成陰極電路，流過這個電路的電流叫做陰極電流。

半導(dǎo)體二極管

二極管就是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。

由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕O管導(dǎo)通時電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。

在二極管的兩端，P型區(qū)域外加正電壓，N型區(qū)外加負(fù)電壓，向耗盡層變窄的方向上加入能量，則載流子極易向兩邊漂移，再次產(chǎn)生復(fù)合，因復(fù)合而消失的載流子被外加電壓的電流補給，形成定向電流。與此相反，當(dāng)在P型區(qū)域外加負(fù)電壓，N型區(qū)外加正電壓時，向載流子被電極吸引的方向上加入能量，則耗盡層變寬，電流幾乎不再流動。

二極管的類型很多，從制造材料上分，主要分為硅管和鍺管;從二極管的結(jié)構(gòu)分，主要有點接觸型、面接觸型及硅平面型二極管。

工作原理

真空二極管

真空二極管根據(jù)熱電子發(fā)射原理進(jìn)行工作。一旦燈絲加熱，陰極端子就會發(fā)射電子，這些電子將被陽極吸引。如果施加到陽極的正電壓不夠，則陽極無法吸引陰極發(fā)射的所有電子。這會導(dǎo)致一些電子積聚在陰極和陽極之間的空間中，形成稱為空間電荷的負(fù)電荷云。空間電荷充當(dāng)屏障，防止電子從陰極進(jìn)一步發(fā)射并減少電路中的電流。相反如果陽極和陰極之間的施加電壓逐漸增加，則越來越多的空間電荷電子被吸引到陽極，并為進(jìn)一步發(fā)射的電子創(chuàng)造空置空間。因此隨著陽極和陰極兩端電壓的增加，可以提高電子的發(fā)射速率，從而提高電路中的電流。

陰極端子產(chǎn)生的電子數(shù)量主要取決于施加熱量和功函數(shù)這兩個重要因素。一旦施加更多熱量，從陰極發(fā)射的自由電子的數(shù)量就會更多。同樣，如果施加的熱量較少，則陰極發(fā)射的電子數(shù)量較少。

功函數(shù)可以定義為從金屬中去除電子所需的最小能量。通常情況下，具有較少功函數(shù)的金屬將需要較少的熱能來產(chǎn)生自由電子，相反高功函數(shù)的金屬將需要大量能量來產(chǎn)生自由電子，因此，選擇好的材料會提高電子發(fā)射效率，最常用的熱離子發(fā)射器包括鎢、針鎢和氧化物涂層陰極。

半導(dǎo)體二極管

二極管的主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赑N結(jié)上加上引線和封裝就成了一個二極管。

N型半導(dǎo)體

磷原子持有的5個價電子中4個和硅（Si）原子一樣，通過共價鍵，與鄰接原子緊密結(jié)合。剩下1個價電子不發(fā)生共價鍵，而是根據(jù)室溫高低成為自由電子。這個自由電子將旁邊的價電子趕出，取代它的位置，而原有價電子變?yōu)樽杂呻娮樱賹⑴赃叺钠渌麅r電子趕出。通過這樣的重復(fù)過程，使自由電子不斷移動從而形成電流。由電子作為載流子（輸送電流）的半導(dǎo)體稱為“N型半導(dǎo)體”。

P型半導(dǎo)體

硼元素具有3個價電子，與硅相比少1個價電子。鄰接硅原子中的價電子通過微量熱能變?yōu)樽杂呻娮樱皇苤髟游铡１晃盏膬r電子的原有位置稱為空穴，進(jìn)一步吸收鄰接硅原子中的價電子。通過這個重復(fù)過程，空穴移動，產(chǎn)生電流。由空穴作為載流子的半導(dǎo)體稱為“P型半導(dǎo)體”。

PN結(jié)

在純凈的四價半導(dǎo)體晶體材料（主要是硅和鍺）中摻入微量三價（例如硼）或五價（例如磷）元素，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會大大增強(qiáng)。這是由于形成了有傳導(dǎo)電流能力的載流子。摻入五價元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。而摻入三價元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。在摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子（稱多子）數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子（稱少子）數(shù)目與溫度有關(guān)，并且溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。在一塊半導(dǎo)體基片上通過適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體工藝技術(shù)可以形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面，稱為PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時，P端電勢高于N端，PN結(jié)變窄，由多子形成的電流可以由P區(qū)向N區(qū)流通；而當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時，N端電位高于P端，反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)電場對多子擴(kuò)散的阻礙，多子幾乎不能形成電流，PN結(jié)變寬；此時少子在電場的作用下漂移，形成很小的漂移電流（由少子形成的電流極小），且該漂移電流與反向電壓的大小基本無關(guān)，因此PN結(jié)視為截止（不導(dǎo)通）。

特性

導(dǎo)電特性

二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦浴Ｔ陔娐分校娏髦荒軓亩O管的正極流入，負(fù)極流出。

正向特性

在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（該電壓稱為門檻電壓（也稱閾值電壓），用Vth表示，鍺管約為0.1V，硅管約為0.5V）以后，二極管才能真正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的"正向壓降"。

反向特性

在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。

擊穿特性

當(dāng)反向電壓逐漸增加到某一數(shù)值UBR時，電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。UBR稱為反向擊穿電壓。硅管的反向擊穿電壓約為300V，鍺管的反向擊穿電壓約為100V。實際應(yīng)用中，應(yīng)該對反向擊穿后的電流加以限制，以免損壞二極管。反向擊穿電UBR越大，說明二級管的耐壓性能越好。二極管在正常使用時應(yīng)避免出現(xiàn)反向擊穿，因此所加的反向電壓應(yīng)小于二分之一UBR。

二極管的參數(shù)

二極管的參數(shù)是其特性和極限運用條件的定量描述，是設(shè)計電路時正確選擇與合理使用二極管的重要依據(jù)。為了保證二極管正常安全地工作，選用二極管時主要考慮以下幾個主要參數(shù)。

（1）最大整流電流I(F)

I(F)是指二極管在長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和散熱條件決定。實際使用時，應(yīng)使通過二極管的電流平均值小于I(F)。如果實際工作電流超過此值，二極管將會因過度發(fā)熱而損壞。

（2）最高反向工作電壓U(RM)

U(RM)是指允許加在二極管兩端反向電壓的最大值。為避免二極管反向擊穿，通常最高反向工作電壓U(RM)是反向擊穿電壓U(BR)的一半。

（3）反向電流I(R)

I(R)是指在室溫下，二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時的反向電流，其值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩７聪螂娏鲗囟确浅Ｃ舾小?/p>

（4）最高工作頻率f(M)

f(M)是二極管工作的上限頻率，當(dāng)工作頻率大于f(M)時，由于結(jié)電容的作用，二極管將失去單向?qū)щ娦浴?/p>

分類

二極管種類有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管和硅二極管。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。

特殊二極管

穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓管(Zener diode)簡稱穩(wěn)壓管，它本質(zhì)上也是一個半導(dǎo)體二極管，其正向特性與普通二極管的正向特性相同。不同的是，它可以在反向擊穿的情況下工作，且反向擊穿電壓較低，擊穿特性曲線較陡。由于特殊的制造工藝，穩(wěn)壓管在反向擊穿后兩端電壓穩(wěn)定且不被破壞，外加電壓撤除后，其阻斷狀態(tài)仍然可以恢復(fù)。

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管(LED)的基本結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié)，它的特性曲線與普通二極管類似，但正向?qū)妷阂话銥?V~2V，它除了具有普通二極管的正反向特性外，還具有普通二極管沒有的發(fā)光能力。LED是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管(發(fā)光器件)，在LED的管頭上一般加裝透鏡，這是由其功能所決定的。

光電二極管

光電二極管又叫光敏二極管，是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的特殊二極管(受光器件)。與普通二極管一樣，其基本構(gòu)成也是一個PN結(jié)。它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入。為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得比較大。

變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)電容可變原理制成的半導(dǎo)體器件，它工作在反向偏置狀態(tài)，當(dāng)外加的反向偏置電壓大小變化時，其結(jié)電容隨外加偏壓的變化而變化，即反向電壓增大時，結(jié)電容減小，反之，結(jié)電容增大。在電路中當(dāng)作可變電容器使用。最大電容與最小電容之比為5∶1。由于其無機(jī)械磨損且體積小，因此廣泛應(yīng)用于彩電調(diào)諧器、壓控振蕩器等領(lǐng)域。不同型號的變?nèi)荻O管，其容量變化的范圍也不一樣，一般為3pF～300pF。

應(yīng)用

二極管可以使用在消費電子、汽車、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。二極管具體的應(yīng)用案例和場景如下：

電源火線指示燈

在使用各類家用電器時，一般要求電器或照明燈的開關(guān)應(yīng)安裝在電源火線上，以確保安全。由于現(xiàn)在大部分住宅都沒有相應(yīng)的電源接地線，因此安裝電源插頭插入插座的隨意性，無法保證電器開關(guān)正好連接在火線上。若因電器漏電，則會發(fā)生安全事故。而利用一支二極管和泡串接在電器插頭電路中，當(dāng)插入插座后，若氖泡燈被點亮，說明電源開關(guān)接在了電源火線上。

交流電子門鈴

大部分家庭住宅都安裝有電子門鈴，而門鈴均采用干電池供電，其唯一的缺點是需經(jīng)常換用電池。不僅麻煩而且電池易腐爛。日久會造成對電子元件的損壞。利用二極管和一些電阻電容，及一片低電壓的陶瓷片代替發(fā)音喇叭，即能構(gòu)成一個直接使用220V交流電的電子門鈴。

電熱電器限流恒溫

日常使用的電烙鐵、電熨斗等一些電熱電器，由于使用時長時間通電工作，不僅大量白白消耗電能，而且經(jīng)常發(fā)生燒壞電熱芯問題。如果在電器電路中串接人二極管，這樣當(dāng)電器間歇停止工作時，供電電源即由二極管半波整流供電而限制了電流，使加在電器上的電壓下降至50％L三上下，電器處于預(yù)熱狀態(tài)，一旦使用時圖5中的S閉合，電器轉(zhuǎn)人滿負(fù)荷芷常供電工作。

開關(guān)電路

主要用在數(shù)字、集成電路中利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)電路的導(dǎo)通或斷開，這一技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)二極管可以很好的保護(hù)的電路，防止電路因為短路等問題而被燒壞，也可實現(xiàn)傳統(tǒng)開關(guān)的功能。開關(guān)二極管還有一個特性就是開關(guān)的速度很快，這是傳統(tǒng)開關(guān)所無法比擬的。主要應(yīng)用在衣機(jī)、智能冰箱、空調(diào)等生活電器設(shè)備上。

汽車領(lǐng)域

發(fā)光二極管在汽車以及大型機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。汽車以及大型機(jī)械設(shè)備中的方向燈、車內(nèi)照明、機(jī)械設(shè)備儀表照明、大前燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、尾燈等都運用了發(fā)光二極管。主要是因為發(fā)光二極管的響應(yīng)快、使用壽命長（一般發(fā)光二極管的壽命比汽車以及大型機(jī)械壽命長）。

參考資料 >

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二極管的工作原理是什么?.東芝電子元件(上海)有限公司.2023-06-26

什么是二極管?.東芝電子元件(上海)有限公司.2023-06-26

二極管的特性與應(yīng)用.英銳恩科技.2023-06-26

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