中考前的那段時(shí)間，身邊的同學(xué)、朋友經(jīng)常來問關(guān)于二極管為何能單向?qū)щ?，二極管有什么作用等問題，后來發(fā)現(xiàn)不管是高中還是初中，都沒對(duì)二極管提一點(diǎn)事，所以這篇科普寫給那些有相關(guān)問題的中學(xué)朋友們。

　　當(dāng)然，我不能保證本篇文章的絕對(duì)正確性，有疏漏之處還請(qǐng)指出。

　　下面，我們先來看一看二極管的應(yīng)用

　　圖一：許多電器使用二極管整流（左下），許多用電器工作二極管發(fā)揮著極大的作用（右上，但框里的不全是二極管）

　　圖二：發(fā)光二極管作為照明使用

　　既然說到了二極管，上過初中的人都知道這東西有單向?qū)щ娦裕敲次覀儊碇庇^的感受下它的單向?qū)щ娦浴?br />
　　下圖就是二極管的符號(hào)，上過初中的都應(yīng)該知道，防止一些人忘記，再畫一個(gè)。

　　從實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)二極管

　?。ㄎ矣玫氖前l(fā)光二極管即LED，其他二極管還要從別的東西上拆掉再裝，而且這樣現(xiàn)象更明顯。）

　　首先讓我們來將二極管的正極連到電源正極，負(fù)極經(jīng)電流表至電源負(fù)極。（3V）

　　這就是二極管導(dǎo)通的時(shí)候，大家可以看到，LED亮，電流表有示數(shù)。

　　然后我們將LED反向接入電路。

　　大家可以看到，LED不亮，電流表沒有示數(shù)，這時(shí)二極管截止。

　　之后我們將二極管正向反向并聯(lián)至一起

　　可以看到，正向連接的LED發(fā)光，且電流表示數(shù)和第一次示數(shù)幾乎一樣(圖上不一樣是因?yàn)榻嵌葐栴})

　　好了，至此都是一些基礎(chǔ)知識(shí)，下面我們來講一講二極管的起源。

　　二極管不是一開始就那么高端大氣上檔次的，最早的二極管是愛迪生“做出”的，或者說跟愛迪生有很大關(guān)系。

　　愛迪生為尋找燈絲材料做了近千次實(shí)驗(yàn)（這家伙看到什么材料都用來實(shí)驗(yàn)），這是一個(gè)我們耳熟能詳?shù)年P(guān)于堅(jiān)持與成功的故事，不過說真的，愛迪生這種近乎盲目的嘗試個(gè)人認(rèn)為不應(yīng)在當(dāng)代推崇，起碼你應(yīng)該想一想再動(dòng)手，不然想想化吧熊孩子事件。

　　愛迪生在尋找最佳白熾燈絲的不斷嘗試過程中，某次出現(xiàn)了一個(gè)小失誤，在燈泡的燈絲附近多引入了一個(gè)金屬絲，結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)即使金屬片沒有與燈絲接觸，但在它們之間加上電壓，燈絲仍然會(huì)產(chǎn)生一股電流。愛迪生當(dāng)時(shí)并不知道個(gè)中原因（現(xiàn)在我們知道電流的產(chǎn)生是因?yàn)闊霟岬慕饘倌芟蛑車l(fā)射電子造成的），不過愛迪生給了它個(gè)名字，叫愛迪生效應(yīng)。當(dāng)時(shí)這個(gè)因失誤產(chǎn)生的畸形燈泡實(shí)則為人類歷史上第一個(gè)二極管（真空二極管，或稱電子二極管），不過這和我們現(xiàn)在見到的二極管是不太一樣的，這個(gè)后面會(huì)講到。

　　至于這個(gè)圖下面會(huì)有，其實(shí)就是白熾燈里通了根金屬線。

　　下面這個(gè)就是真空二極管的實(shí)物圖（現(xiàn)在相對(duì)用的少啊）

　　那么，為何愛迪生搞出來的造型奇特的燈泡有單向?qū)щ娦阅兀?br />
　　在真空玻璃管中放置兩塊金屬板，加熱其中一塊，這塊金屬板就會(huì)發(fā)射出電子，再在這兩快金屬板間加電壓，使得電子從一塊板射向另外一塊板，則會(huì)產(chǎn)生電流，而如果反向加電壓，電子在受熱發(fā)出后又會(huì)回到原極板，則不會(huì)有電流，故真空二極管具有單向?qū)щ娦浴?br />
　　愛迪生當(dāng)時(shí)雖然發(fā)現(xiàn)了愛迪生效應(yīng)，可是他正忙著解決碳絲燈泡的燈絲問題，就沒管它，不過弗萊明卻對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣，最終，在1904年，弗萊明搞出了自稱為“熱離子閥”的裝置，其實(shí)就是一個(gè)神奇的燈泡，燈泡中間加上金屬片，金屬片上加交流電，就會(huì)輸出一個(gè)直流電（別覺得不穩(wěn)定就不是直流啊，雖然我也不知道為何很多初中生都這么認(rèn)為），這個(gè)能夠充當(dāng)交流電整流和檢波（無線電的，也稱解調(diào)）的神奇燈泡，弗萊明的熱離子閥就是世界上第一個(gè)電子管——真空二極管。

　　愛迪生和他的燈泡我就不再放了。如圖所示，這就是個(gè)長得特殊的燈泡。

　　本來還是想給大家點(diǎn)亮一個(gè)真空二極管，后來發(fā)現(xiàn)對(duì)我來說沒啥用，正好發(fā)現(xiàn)zvs吧里有做vtTC的，于是拿來看看（這是膽管，也就是三極管），順帶一提，zvs吧里以前有做純真空管功放的。

　　下面那個(gè)有亮光的就是

　　后來，真空二級(jí)管不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多種不同的管子，旁熱型等等。

　　不過這東西體積大，你想象下為何當(dāng)時(shí)電子計(jì)算機(jī)體積那么大，那么費(fèi)電，因?yàn)楣茏哟螅慌_(tái)計(jì)算機(jī)就要搞一堆燈泡，能不費(fèi)電嗎。所以隨著材料科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了神奇的東西——半導(dǎo)體二極管。

　　首先，從名字上來看，“半導(dǎo)體二極管”，那么肯定是半導(dǎo)體做的。很多初中朋友在問XXX是如何工作的，為何XXX會(huì)這樣之類的時(shí)候，老師都會(huì)說“這是半導(dǎo)體的作用”。那么什么是半導(dǎo)體，半導(dǎo)體有什么種類，是什么做的，有什么特性呢？

　　半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。

　　至于為何會(huì)這樣，就是下面這張圖所示了

　　不管你們看懂看不懂，反正我水平有限

　　注：此圖來源于物吧精品

　　那么我們接下來看一看半導(dǎo)體的種類。

　　半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體又分為N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體。

　　半導(dǎo)體的特性主要有：

　　1：摻雜性：當(dāng)往純凈的半導(dǎo)體中摻入少量某些物質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性會(huì)大大增強(qiáng)。二極管、三極管就是用摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體制成的。

　　2：熱敏性：當(dāng)溫度上升時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)增強(qiáng)。利用該特性可以將某些半導(dǎo)體制成熱敏器件。

　　3：光敏性：當(dāng)有光線照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也會(huì)顯著增強(qiáng)。利用該特性可以將某些半導(dǎo)體制成光敏器件。


　　接下來繼續(xù)，說說剛剛提到的三種半導(dǎo)體

　　本征半導(dǎo)體：完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。（來自銻度）

　　例如硅（Si），硅，14號(hào)元素，最外層有四個(gè)電子，性質(zhì)（由指化學(xué)性質(zhì)）和碳類似一大堆硅時(shí)，最外層形成四對(duì)共價(jià)鍵的時(shí)候，最外層有八個(gè)電子，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與此類似的是32號(hào)元素，鍺（Ge），最外層也是有4個(gè)電子。不同的元素所構(gòu)成的半導(dǎo)體性質(zhì)不同，例如第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）相比于硅，更適合用于高功率。

　　我們來看看本征半導(dǎo)體的示意圖，便于我們理解。

　　這就是本征半導(dǎo)體。你要問我為何一個(gè)電子對(duì)是并排，一個(gè)個(gè)是豎著，我只能說，某學(xué)習(xí)電子電工的人告訴我，這個(gè)其實(shí)是立體的，但是立體的畫不出來，所以給變平面了，其實(shí)哪種都無所謂，況且電子又不是個(gè)球。

　　那么本征半導(dǎo)體有什么性質(zhì)呢？

　　本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很弱的，在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。

　　N型半導(dǎo)體（也稱電子型半導(dǎo)體）：N型半導(dǎo)體即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

　　嘛，看不懂不要緊，畢竟前面沒說啥是自由電子濃度和空穴濃度，這些不影響大家正常閱讀。

　　在本征半導(dǎo)體中摻雜了五價(jià)元素后，就成了N型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體導(dǎo)電性和金屬類似。例如摻入磷（P）砷（As）銻（Sb）等物質(zhì)，由于它的最外層電子數(shù)是5，所以就會(huì)搞出一個(gè)“多余”的電子，一個(gè)自由電子，于是就可以像金屬那樣導(dǎo)電。同理，N型半導(dǎo)體不止一種。

　　接下來是示意圖，可以看到，五價(jià)元素取代了四價(jià)在晶格中的位置。

　　這就是N型半導(dǎo)體，為何要摻入五價(jià)物質(zhì)，而不是隨意摻呢，因?yàn)橐话銇碚f本征半導(dǎo)體最外層有四個(gè)電子，摻入五價(jià)物質(zhì)，提供自由電子，使半導(dǎo)體中電子偏多。為何不摻六價(jià)元素，一來是因?yàn)檫@樣還是有可能形成不穩(wěn)定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其次，性質(zhì)相差太遠(yuǎn)，不穩(wěn)定，總之就是太不穩(wěn)定，受影響太大。

　　那么N型半導(dǎo)體有什么性質(zhì)呢？

　　在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)后，半導(dǎo)體中會(huì)有大量帶負(fù)電的電子。

　　P型半導(dǎo)體（也稱空穴型半導(dǎo)體）：P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

　　在本征半導(dǎo)體中摻雜了三價(jià)元素后，就成了P型半導(dǎo)體，有趣的是P型半導(dǎo)體也有導(dǎo)電性，但是其中沒有自由電子。例如摻入硼（B）鋁（Al）鎵（Ga）銦（In）等物質(zhì)，由于它的最外層電子數(shù)是3，所以就會(huì)搞出一個(gè)“缺少”的電子，一個(gè)空穴，于是就可以進(jìn)行空穴導(dǎo)電。同理，P型半導(dǎo)體不止一種。

　　接下來是示意圖，可以看到，三價(jià)元素取代了四價(jià)在晶格中的位置。

　　這就是P型半導(dǎo)體，為何要摻入三價(jià)物質(zhì)，而不是隨意摻呢，因?yàn)橐话銇碚f本征半導(dǎo)體最外層有四個(gè)電子，摻入三價(jià)物質(zhì)，少了一個(gè)電子，提供出一個(gè)空穴，使半導(dǎo)體中電子偏少。至于為何不摻二價(jià)，原理和N型不摻6價(jià)道理相同，不穩(wěn)定。

　　那么P型半導(dǎo)體有什么性質(zhì)呢？

　　在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)后，半導(dǎo)體中電子偏少，有大量的空穴（可以看做正電荷）產(chǎn)生。

　　下面是二極管的組成以及原理。

　　首先，一個(gè)很關(guān)鍵的問題，什么是PN結(jié)：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)體基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。（來自銻度）

　　PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，要想理解，圖是必不可少的。

　　就像這樣。首先，來看下，N區(qū)多電子，P區(qū)少電子，兩者在一起的時(shí)候，自然而然的有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。換句話說，N區(qū)的自由電子填補(bǔ)到了P區(qū)的空穴中，產(chǎn)生了如圖所示的空間電荷區(qū)，也就是一個(gè)自由電子填上空穴的地方，嗯，還是很薄的。

　　以下幾段是對(duì)我的某些同學(xué)發(fā)發(fā)牢騷，以及為感興趣但是可能無法完全理解的初中生們寫的，大家可以隨便看看。

　　在這種情況下，內(nèi)電場由N區(qū)指向P區(qū)。等等，此時(shí)，有相當(dāng)一大批人（我的同學(xué)朋友們）在這個(gè)時(shí)候打斷我，懷疑我講錯(cuò)，怎么可能由N指向P，如果由N指向P，咋可能會(huì)有電子填補(bǔ)空穴。要解釋這個(gè)問題，首先，要明白一點(diǎn)，擴(kuò)散是因還是內(nèi)電場是因。

　　內(nèi)電場是由擴(kuò)散而產(chǎn)生的，而非內(nèi)電場產(chǎn)生擴(kuò)散。這一點(diǎn)可以很輕易的想到。原本是N區(qū)P區(qū)，哪來的電場，其次，如果內(nèi)電場從P指向N，那么就是加速擴(kuò)散，然后有更大的電場，然后擴(kuò)散的更厲害……A加速B，B加速A，A再加速B……而且每次加速還都越來越大，所以明顯的不可能。所以內(nèi)電場方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止擴(kuò)散。而空間電荷區(qū)也被稱為耗盡層。

　　好了，接下來開始講單向?qū)щ?，等等——還有一堆人會(huì)在此停頓，因?yàn)閿U(kuò)散咋就有內(nèi)電場了，有位同學(xué)給我說“因?yàn)槿绻麤]有內(nèi)電場，擴(kuò)散應(yīng)該會(huì)一直發(fā)生，直到所有的電子填補(bǔ)所有的空穴，或者自由電子多，變成一大塊N型半導(dǎo)體或者空穴多，變成一大塊P型半導(dǎo)體，所以可以推斷出應(yīng)該是有一個(gè)阻止其擴(kuò)散的一個(gè)作用存在的。然而怎么就有了內(nèi)電場。”其實(shí)我表示某些人看PN結(jié)的時(shí)候根本就沒有看到全部信息，甚至某些人說“空間電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴全部互相填補(bǔ)，不是產(chǎn)生電場的原因，內(nèi)電場是由于N型半導(dǎo)體的電子和P型半導(dǎo)體的空穴產(chǎn)生的”。

　　一張圖解決問題

　　要知道，耗盡層內(nèi)，N區(qū)的五價(jià)元素的自由電子填補(bǔ)之后，相當(dāng)于失去了一個(gè)電子，此時(shí)帶正電，而P區(qū)的三價(jià)原子核多了一個(gè)電子（空穴被填補(bǔ)）帶了負(fù)電。而兩邊的也就是圖中白色底色的部分是上一層的N區(qū)和P區(qū)的樣子，共價(jià)鍵帶自由電子，共價(jià)鍵帶空穴，電子數(shù)和質(zhì)子數(shù)是一致的。而耗盡層中明顯的，正離子與負(fù)離子，所以才有的內(nèi)電場。

　　直接的說就是，圖中的“﹢”和“﹣”就是固定離子。

　　好的，結(jié)束。接下來我們開始講單向?qū)щ娦?。有圖便于思考。

　　內(nèi)電場有一股把空穴往P型半導(dǎo)體那邊拉，電子往N型半導(dǎo)體那邊拉的趨勢，如果在二極管外面有一個(gè)與此相反的電場，不就可以把電子“拽出來”讓耗盡層變得很薄，讓電子在P型半導(dǎo)體里發(fā)射出去，也就是讓二極管變?yōu)橐粋€(gè)電阻很小的東西，這時(shí)就是“正向偏置”。再等等，某些我的朋友在此迷惑，內(nèi)電場阻礙耗盡層，那此時(shí)的外電場方向相反不應(yīng)該把耗盡層弄得更厚嗎。我表示我十分懷疑是我講的不清還是他不認(rèn)真。外電場讓空穴和電子移動(dòng)，削弱了耗盡層，進(jìn)而就削弱了內(nèi)電場，進(jìn)而導(dǎo)致多子（P型半導(dǎo)體的空穴和N性半導(dǎo)體的自由電子）（貌似也就是多數(shù)載流子）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，形成了電流，二極管導(dǎo)通。P區(qū)那邊電勢比N區(qū)高，也就是說電流由P到N，P區(qū)就是二極管的正極（陽極）用“﹢”或者“A”表示，N區(qū)就是負(fù)極（陰極）用“﹣”或者“K”表示。

　　如果外電場和內(nèi)電場方向一致，我們也可以輕易得到，耗盡層變得很大，電阻也大的不行，稱為“反向偏置”，此時(shí)二極管截止，除非你給的電壓太高，高到擊穿，也就是把耗盡層變?yōu)閷?dǎo)體，這樣擊穿一次的二極管，一般就廢了。

　　1：正向特性：正向特性是指給二極管加正向電壓（二極管正極接高電位，負(fù)極接低電位）時(shí)的特性。U從0開始慢慢調(diào)高，剛開始時(shí)，由于電壓U很低，通過二極管的電流極小，可以認(rèn)為二極管沒有導(dǎo)通，當(dāng)電壓達(dá)到正向?qū)妷簳r(shí)，流過二極管的電流急劇增大，二極管導(dǎo)通。這里的正向?qū)妷阂卜Q門電壓或者閾值電壓。不同材料的二極管，門電壓是不同的，例如硅，一般來說為0.5~0.7V，鍺一般為0.2~0.3V。

　　2：反向特性：反向特性是指給二極管加反向電壓（二極管正極接低電位，負(fù)極接高電位）時(shí)的特性。U從0慢慢調(diào)高，反向電壓不高時(shí)，沒有電流流過二極管，二極管不能導(dǎo)通，當(dāng)電壓達(dá)到反向擊穿電壓時(shí)，二極管反向?qū)?。這里的反向擊穿電壓一般都很高，遠(yuǎn)大于正向?qū)妷海煌吞?hào)的二極管反向擊穿電壓不同，低的幾十伏，高的有幾千伏。普通二極管的反向擊穿導(dǎo)通通常是損壞性的，一般不能再使用。

　　下面來說說幾個(gè)重要的參數(shù)

　　最大整流電壓If：二極管長時(shí)間使用時(shí)允許通過的最大正向平均電流稱為最大整流電流，或稱為二極管的額定工作電流。這個(gè)選購的時(shí)候一定要注意，給問題電器更換二極管，如果型號(hào)看不出來了的話，一般說來個(gè)頭越大，外殼金屬的If大（和PN結(jié)面積有關(guān)，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)是某電工告訴我的）。

　　最高反向工作電壓UR：最高反向工作電壓是指二極管正常工作時(shí)兩端能承受的最高反向電壓。順帶一提，這東西一般是反向擊穿電壓的一半。

　　最大反向電流IR：最大反向電流是指二極管兩端加最高反向工作電壓時(shí)流過的反向電流。越小說明單向?qū)щ娦栽胶谩?br />
　　最高工作頻率fM：最高工作頻率是指二極管在正常工作條件下的最高頻率。（高于這個(gè)頻率就不能正常工作了）順帶一提，和If相反，一般說來，PN結(jié)面積越小，f-M越高。

　　開關(guān)二極管：從導(dǎo)通到截止的時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間，反之則稱為開通時(shí)間，一般反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)長于開通時(shí)間，但是開關(guān)管就是兩個(gè)時(shí)間都很短，常用的反向恢復(fù)時(shí)間都是4ns左右，嗯，1s能開關(guān)多少次呢？

　　穩(wěn)壓二極管：反向接入電路，它會(huì)讓它兩端的電壓一直不變（最開始看到這個(gè)功能的時(shí)候感覺簡直了）例如，和電阻串聯(lián)后，接入一個(gè)不低于5V的電路，不斷升壓，穩(wěn)壓二極管上分的電壓一直都是5V，直到電流大到元件壞掉。

　　變?nèi)荻O管：相當(dāng)于一個(gè)電容，而且電容可調(diào)。電容和二極管的集合體。

　　雙向觸發(fā)二極管：神奇的特性曲線，兩面都能導(dǎo)通，不會(huì)壞。

　　雙基極二極管：三個(gè)腳，一個(gè)發(fā)射極和倆基極，這東西很有用，但是礙于篇幅，有興趣自己查吧。

　　肖特基二極管：又稱肖特基勢壘二極管，有三個(gè)腳，3種連接方式，有興趣自行查找。

　　快恢復(fù)二極管：兩種連接方式（共陰、共陽）反向工作電壓高，工作電流大，恢復(fù)時(shí)間幾百納秒。

　　瞬態(tài)電壓抑制二極管：一個(gè)十分高效的保護(hù)器件，有單級(jí)型和雙極型，當(dāng)兩端的電壓超過一定值的時(shí)候，立刻導(dǎo)通，然后把電壓穩(wěn)定在預(yù)定值上。單極性可以抑制單向的高壓，雙極性可以來雙向的高壓。論某些人入電子坑不知道保護(hù)自己，不知道保護(hù)元件，炸了多少管子，炸了多少電容。