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功能

  半導(dǎo)體二極管的電流－電壓特性曲線。電壓在正的區(qū)域稱為正向偏置。

二極管具有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子，電流只能往單一方向流動(dòng)。也就是說(shuō)，電流可以從陽(yáng)極流向陰極，而不能從陰極流向陽(yáng)極。對(duì)二極管所具備的這種單向特性的應(yīng)用，通常稱之為“整流”功能。在真空管內(nèi)，借由電極之間加上的電壓能夠讓熱電子從陰極到達(dá)陽(yáng)極，因而有整流的作用。將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)直流電，包括無(wú)線電接收器對(duì)無(wú)線電信號(hào)的調(diào)制，都是通過(guò)整流來(lái)完成的。

因?yàn)槠漤樝蛄魍ǚ聪蜃钄嗟奶攸c(diǎn)，二極管可以想成電子版的逆止閥。然而實(shí)際上，二極管并不會(huì)表現(xiàn)出如此完美的開(kāi)關(guān)性，而是呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的非線性電子特征——這是由特定類型的二極管技術(shù)決定的。一般來(lái)說(shuō)，只有在正向超過(guò)障壁電壓時(shí)，二極管才會(huì)工作（此狀態(tài)被稱為正向偏置） 。一個(gè)正向偏置的二極管兩端的電壓降變化只與電流有一點(diǎn)關(guān)系，并且是溫度的函數(shù)。因此這一特性可用于溫度傳感器或參考電壓。

半導(dǎo)體二極管的非線性電流-電壓特性，可以根據(jù)選擇不同的半導(dǎo)體材料和摻雜不同的雜質(zhì)從而形成雜質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)改變。特性改變后的二極管在使用上除了用做開(kāi)關(guān)的方式之外，還有很多其他的功能，如：用來(lái)調(diào)節(jié)電壓（齊納二極管），限制高電壓從而保護(hù)電路（雪崩二極管），無(wú)線電調(diào)諧（變?nèi)荻O管），產(chǎn)生射頻振蕩（隧道二極管、耿氏二極管、IMPATT二極管）以及產(chǎn)生光（發(fā)光二極管）。

半導(dǎo)體二極管中，有利用P型和N型兩種半導(dǎo)體接合面的PN結(jié)效應(yīng)，也有利用金屬與半導(dǎo)體接合產(chǎn)生的肖特基效應(yīng)達(dá)到整流作用的類型。若是PN結(jié)型的二極管，在P型側(cè)就是陽(yáng)極，N型側(cè)則是陰極。

歷史

20世紀(jì)初，由于無(wú)線電接收器探測(cè)器的需要，熱離子二極管（真空管）和固態(tài)二極管（半導(dǎo)體二極管）大約在相同的時(shí)間分別研發(fā)。直到20世紀(jì)50年代之前，真空管二極管在收音機(jī)中都更為常用。這是因?yàn)樵缙诘狞c(diǎn)接觸式半導(dǎo)體二極管（貓須探測(cè)器）并不穩(wěn)定，并且那時(shí)大多數(shù)的收音機(jī)放大器都是由真空管制成，二極管可以直接放入其中。而且那時(shí)真空管整流器和充氣整流器處理一些高電壓、高電流整流任務(wù)的能力更是遠(yuǎn)在半導(dǎo)體二極管（如硒整流器）之上。

真空管的發(fā)現(xiàn)

1873年，弗雷德里克·格思里（ Frederick Guthrie ）發(fā)現(xiàn)了熱離子二極管的基本操作原理 。他發(fā)現(xiàn)了當(dāng)白熱化的接地金屬接近帶正電的驗(yàn)電器時(shí)，驗(yàn)電器的電會(huì)被引走；然而帶負(fù)電的驗(yàn)電器則不會(huì)發(fā)生類似情況。這表明了電流只能向一個(gè)方向流動(dòng)。

1880年2月13日，托馬斯·愛(ài)迪生也發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。當(dāng)時(shí)，愛(ài)迪生正在研究為什么他的碳絲燈泡的燈絲幾乎總是在正極端燒斷。他有一個(gè)密封了金屬板的特殊玻璃外殼燈泡。利用這個(gè)裝置，他證實(shí)，發(fā)光的燈絲會(huì)有一種無(wú)形的電流穿過(guò)真空與金屬板連接，但只有當(dāng)板被連接到正電源時(shí)才會(huì)發(fā)生。愛(ài)迪生隨即發(fā)明了一種電路，他的特殊燈泡有效地取代了直流電壓表中的電阻。在1884年，愛(ài)迪生被授予了此項(xiàng)發(fā)明的專利。由于當(dāng)時(shí)這種裝置實(shí)際上并不能看出實(shí)用價(jià)值，這項(xiàng)專利更多地是為了防止別人聲稱最早發(fā)現(xiàn)了這一所謂“愛(ài)迪生效應(yīng)”。

20年后，約翰·弗萊明（愛(ài)迪生前雇員）發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)的實(shí)用價(jià)值，它可以用來(lái)制作精確檢波器。1904年11月16日，第一個(gè)真正的熱離子二極管——弗萊明管，由弗萊明在英國(guó)申請(qǐng)了專利 。

固態(tài)二極管

1874年，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·布勞恩發(fā)現(xiàn)了晶體的“單向傳導(dǎo)”的能力 ，并在1899年將晶體整流器申請(qǐng)了專利 。氧化亞銅和硒整流器則是在1930年代為了供電應(yīng)用而發(fā)明的。

印度人賈格迪什·錢德拉·博斯在1894年成為了第一個(gè)使用晶體檢測(cè)無(wú)線電波的科學(xué)家。他也在厘米和毫米級(jí)別對(duì)微波進(jìn)行了研究 。1903年，格林里夫·惠特勒·皮卡德（ Greenleaf Whittier Pickard ）發(fā)明了硅晶檢波器，并在1906年11月20日注冊(cè)了專利 。也正是因?yàn)楦窳掷锓颍沟镁w檢波器發(fā)展成了可實(shí)用于無(wú)線電報(bào)的裝置。其他實(shí)驗(yàn)者嘗試了多種其他物質(zhì)，其中最廣泛使用的是礦物方鉛礦（硫化鉛），因它價(jià)格便宜且容易獲取。在這些早期的晶體收音機(jī)集的晶體檢波器包括一個(gè)可調(diào)節(jié)導(dǎo)線的點(diǎn)接觸設(shè)備（即所謂的“貓須”）?？梢酝ㄟ^(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)晶體表面上的導(dǎo)線，以獲得最佳的信號(hào)。這個(gè)較為麻煩的設(shè)備在20世紀(jì)20年代由熱離子二極管所取代。20世紀(jì)50年代，高純度的半導(dǎo)體材料出現(xiàn)。因?yàn)樾鲁霈F(xiàn)的鍺二極管價(jià)格便宜，晶體收音機(jī)重新開(kāi)始被大規(guī)模使用。貝爾實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)發(fā)了鍺二極管微波接收器。20世紀(jì)40年代中后期，美國(guó)電話電報(bào)公司在美國(guó)四處新建的微波塔上開(kāi)始應(yīng)用這種微波接收器，主要用于傳輸電話和網(wǎng)絡(luò)電視信號(hào)。不過(guò)貝爾實(shí)驗(yàn)室并未研發(fā)出效果令人滿意的熱離子二極管微波接收器。

辭源

在最初被發(fā)明的那個(gè)年代，二極管通常被稱作“整流器”。在1919年四極管被人發(fā)明后，威廉·亨利·?？藸査箘?chuàng)造了術(shù)語(yǔ) Diode ，是從希臘語(yǔ)詞根（ δ? ，di，“二”）和（ ?δ?? ，ode，“路徑”）兩者結(jié)合而來(lái)的 。

盡管二極管基本都有著“整流”作用，但是現(xiàn)在“整流器”一詞通常在特定情況下才會(huì)被使用。如電源供應(yīng)所需要的“半波整流”或“全波整流”設(shè)備；或者是陰極射線管所需的高壓電續(xù)流二極管。

熱離子二極管

  真空二極管的構(gòu)造

  此標(biāo)志為一個(gè)間接加熱真空管二極管。從頂部到底部分別為：陽(yáng)極、陰極和加熱燈絲。

一個(gè)熱離子二極管就是一個(gè)真空管（也稱“電子管”），由一個(gè)包含著兩個(gè)電極的密封真空玻璃殼組成：由燈絲加熱的陰極，和一個(gè)陽(yáng)極。早期產(chǎn)品的外觀和現(xiàn)在的白熾燈泡相當(dāng)類似。

在操作中，一個(gè)單獨(dú)的電流通過(guò)由鎳鉻合金制成的高電阻燈絲（加熱器），將陰極加熱到紅熱狀態(tài)（800-1000℃）后可導(dǎo)致它釋放電子到真空。這一過(guò)程即熱發(fā)射。陰極通常涂有堿土金屬氧化物，如鋇或鍶的氧化物。因?yàn)樗鼈兙哂休^低的功函數(shù)，可使發(fā)射的電子數(shù)量增加。有些真空管則直接加熱鎢絲，鎢絲則既作為加熱器也是陰極本身。交流電會(huì)在負(fù)極及與其同心的陽(yáng)極板之間整流，當(dāng)板子帶正電時(shí)，靜電會(huì)從負(fù)極處吸引電子。所以電子即從陰極連通到陽(yáng)極成為了電流。然而當(dāng)極性反轉(zhuǎn)陽(yáng)極板帶有負(fù)電時(shí)，陽(yáng)極板不會(huì)發(fā)射電子，而陰極也并不會(huì)吸引電子，因而沒(méi)有電流會(huì)產(chǎn)生。如此則保證了電流的單向流通，即從陰極流向陽(yáng)極板。

在汞弧閥（具有冷陰極的汞蒸氣離子閥）中，一種難熔的導(dǎo)電陽(yáng)極與一池作為陰極的液態(tài)汞之間會(huì)形成電弧，電壓?jiǎn)挝豢蛇_(dá)數(shù)百千瓦，這對(duì)高壓直流輸電的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。一些小型的熱離子整流器有時(shí)候也用汞蒸氣填充，以減少他們的正向壓降并增加這種熱離子強(qiáng)真空器件的電流額定值。

整個(gè)真空管時(shí)代，這種二極管應(yīng)用于模擬信號(hào)，并在消費(fèi)電子產(chǎn)品（如收音機(jī)、電視機(jī)、音響系統(tǒng)）的直流供電設(shè)備中當(dāng)做整流器。20世紀(jì)40年代，在那些供電設(shè)備內(nèi)的真空管開(kāi)始被硒整流器所替代，然后在1960年代又被半導(dǎo)體二極管替代。如今，二極管仍然在一些高功率應(yīng)用場(chǎng)合中使用，由于能夠承受瞬變和較好的魯棒性，使得他們比半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)能夠顯現(xiàn)出來(lái)。尤其是音頻處理上，真空管基本不存在瞬態(tài)互調(diào)失真、開(kāi)關(guān)失真及交越失真等影響音質(zhì)的問(wèn)題。因此近年來(lái)，在音響發(fā)燒友和錄音棚所用的音頻設(shè)備中，應(yīng)用真空二極管的老式音頻設(shè)備有回潮的跡象，如家用音響系統(tǒng)甚至是吉他效果器。

半導(dǎo)體二極管

圖標(biāo)

電路圖中用于二極管的圖標(biāo)如下圖表所示。

二極管

發(fā)光二極管(LED)

光電二極管

肖特基二極管

瞬態(tài)抑制二極管 (TVS)

隧道二極管

變?nèi)荻O管

齊納二極管

  典型的二極管封裝，細(xì)環(huán)代表陰極

點(diǎn)接觸式二極管

點(diǎn)接觸式二極管和下文所述的面接觸式二極管工作原理類似，不過(guò)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單。主要結(jié)構(gòu)即為一個(gè)由第三主族金屬制成的導(dǎo)電的尖端，和一塊與其相接觸的N型半導(dǎo)體。一些金屬會(huì)進(jìn)入半導(dǎo)體，接觸面的這一小片區(qū)域就成為了P型半導(dǎo)體。長(zhǎng)期流行的1N34鍺型二極管，目前還在無(wú)線電接收器中的檢波器中使用，并有時(shí)會(huì)在一些應(yīng)用模擬電子的場(chǎng)合使用。

面接觸式二極管

  半導(dǎo)體的PN結(jié)和能階結(jié)構(gòu)的示意圖

面接觸式PN結(jié)二極管是由一塊半導(dǎo)體晶體制成的。不同的摻雜工藝可以使同一個(gè)半導(dǎo)體（如本征硅）的一端成為一個(gè)包含負(fù)極性載流子（電子）的區(qū)域，稱作N型半導(dǎo)體；另一端成為一個(gè)包含正極性載流子（空穴）的區(qū)域，稱作P型半導(dǎo)體。兩種材料在一起時(shí)，電子會(huì)從N型一側(cè)流向P型一側(cè)。這一區(qū)域電子和空穴相互抵銷，造成中間區(qū)域載流子不足，形成“耗盡層”。在耗盡層內(nèi)部存在“內(nèi)電場(chǎng)”：N型側(cè)帶正電，P型側(cè)帶負(fù)電。兩塊區(qū)域的交界處為PN結(jié)，晶體允許電子（外部來(lái)看）從N型半導(dǎo)體一端，流向P型半導(dǎo)體一端，但是不能反向流動(dòng) 。

整流動(dòng)作

當(dāng)二極管兩邊施加電壓時(shí)，耗盡區(qū)的寬度，PN結(jié)勢(shì)壘高低均會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致二極管的電阻發(fā)生變化。

  正向偏置下的PN結(jié)，表現(xiàn)為耗盡層變薄。在p端與n端均摻雜1e /cm 水平，導(dǎo)致內(nèi)在電勢(shì)~0.59 V。藍(lán)色實(shí)線代表能帶,紅色虛線代表準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。中圖為電場(chǎng)強(qiáng)度，右圖為電荷密度

正向偏置（Forward Bias）

  正向偏置時(shí)的PN結(jié)二極管

二極管的陽(yáng)極側(cè)施加正電壓，陰極側(cè)施加負(fù)電壓，這樣就稱為正向偏置，所加電壓為正向偏置。如此N型半導(dǎo)體被注入電子，P型半導(dǎo)體被注入空穴。這樣一來(lái)，讓多數(shù)載流子過(guò)剩，耗盡層縮小、消滅，正負(fù)載流子在PN接合部附近結(jié)合并消滅。整體來(lái)看，電子從陰極流向陽(yáng)極（電流則是由陽(yáng)極流向陰極）。在這個(gè)區(qū)域，電流隨著偏置的增加也急遽地增加。伴隨著電子與空穴的再結(jié)合，兩者所帶有的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔ê凸猓┑男问奖环懦?。能讓正向電流通過(guò)的必要電壓被稱為開(kāi)啟電壓，特定正向電流下二極管兩端的電壓稱為正向壓降。

反向偏置（Reverse Bias）

  反向偏置時(shí)的PN結(jié)二極管

在陽(yáng)極側(cè)施加相對(duì)陰極負(fù)的電壓，就是反向偏置，所加電壓為反向偏置。這種情況下，因?yàn)镹型區(qū)域被注入空穴，P型區(qū)域被注入電子，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的主要載流子都變?yōu)椴蛔?，因此結(jié)合部位的耗盡層變得更寬，內(nèi)部的靜電場(chǎng)也更強(qiáng)，擴(kuò)散電位也跟著變大。這個(gè)擴(kuò)散電位與外部施加的電壓互相抵銷，讓反向的電流更難以通過(guò)。更多的細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱“PN結(jié)”條目。

實(shí)際的元件雖然處于反向偏置狀態(tài)，也會(huì)有微小的反向電流（漏電流、漂移電流）通過(guò)。當(dāng)反向偏置持續(xù)增加時(shí)，還會(huì)發(fā)生 隧道擊穿 或 雪崩擊穿 或 崩潰 ，發(fā)生急遽的電流增加。開(kāi)始產(chǎn)生這種擊穿現(xiàn)象的（反向）電壓被稱為 擊穿電壓 。超過(guò)擊穿電壓以后反向電流急遽增加的區(qū)域被稱為 擊穿區(qū) （ 崩潰區(qū) ）。在擊穿區(qū)內(nèi)，電流在較大的范圍內(nèi)變化而二極管反向壓降變化較小。穩(wěn)壓二極管就利用這個(gè)區(qū)域的動(dòng)作特性而制成，可以作為電壓源使用。

接面電壓

當(dāng)二極管的P-N結(jié)處于正向偏置時(shí)，必須有相當(dāng)?shù)碾妷罕挥脕?lái)貫通耗盡區(qū)，導(dǎo)致形成一反向的電壓源，此電壓源的電壓就稱為障壁電壓，硅二極管的障壁電壓約0.6V～0.7V，鍺二極管的障壁電壓約0.3～0.4V

種類

  二極管的微距照片，左端黑色方形物為半導(dǎo)體

依照材料及發(fā)展年代分類：

二極真空管

鍺二極管

硒二極管

硅二極管

砷化鎵二極管

依照應(yīng)用及特性分類：

PN結(jié)二極管（PN Diode）

肖特基二極管

穩(wěn)壓二極管（Reference Diode）（常用稱法：齊納二極管）

恒流二極管 （ 英語(yǔ) ： Constant Current Diode ） （或稱定電流二極管，CRD、Current Regulative Diode）

變?nèi)荻O管

發(fā)光二極管

激光二極管

光電二極管

隧道二極管（Tunnel Diode）、江崎二極管（Esaki Diode）、透納二極管

PIN二極管（P-intrinsic-N Diode）

耿效應(yīng)二極管

二極真空管

氣體放電管整流器

點(diǎn)接觸二極管

交流二極管（DIAC）、突波保護(hù)二極管、雙向觸發(fā)二極管

非線性電阻器

相關(guān)條目

半導(dǎo)體

三極管

齊納二極管

注解

^ 真空管二極管可能還會(huì)多一或兩條用于加熱的輔助端子。

^ 不過(guò)實(shí)際上diode這個(gè)詞匯，早在時(shí)分多路復(fù)用電報(bào)業(yè)界當(dāng)做術(shù)語(yǔ)使用了，參見(jiàn)The telegraphic journal and electrical review, September 10, 1886, p. 252

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