中考前的那段時間，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正確性，有疏漏之處還請指出。
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?，那么我們來直觀的感受下它的單向?qū)щ娦浴?br />
下圖就是二極管的符號，上過初中的都應(yīng)該知道，防止一些人忘記，再畫一個。
從實(shí)驗認(rèn)識二極管
?。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(圖上不一樣是因為角度問題)
好了，至此都是一些基礎(chǔ)知識，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（這家伙看到什么材料都用來實(shí)驗），這是一個我們耳熟能詳?shù)年P(guān)于堅持與成功的故事，不過說真的，愛迪生這種近乎盲目的嘗試個人認(rèn)為不應(yīng)在當(dāng)代推崇，起碼你應(yīng)該想一想再動手，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)了一個小失誤，在燈泡的燈絲附近多引入了一個金屬絲，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，燈絲仍然會產(chǎn)生一股電流。愛迪生當(dāng)時并不知道個中原因（現(xiàn)在我們知道電流的產(chǎn)生是因為熾熱的金屬能向周圍發(fā)射電子造成的），不過愛迪生給了它個名字，叫愛迪生效應(yīng)。當(dāng)時這個因失誤產(chǎn)生的畸形燈泡實(shí)則為人類歷史上第一個二極管（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，這個后面會講到。
至于這個圖下面會有，其實(shí)就是白熾燈里通了根金屬線。
下面這個就是真空二極管的實(shí)物圖（現(xiàn)在相對用的少?。?br />
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，則會產(chǎn)生電流，而如果反向加電壓，電子在受熱發(fā)出后又會回到原極板，則不會有電流，故真空二極管具有單向?qū)щ娦浴?br />
愛迪生當(dāng)時雖然發(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)就是一個神奇的燈泡，燈泡中間加上金屬片，金屬片上加交流電，就會輸出一個直流電（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，這就是個長得特殊的燈泡。
本來還是想給大家點(diǎn)亮一個真空二極管，后來發(fā)現(xiàn)對我來說沒啥用，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。
下面那個有亮光的就是
后來，真空二級管不斷發(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)時電子計算機(jī)體積那么大，那么費(fèi)電，因為管子大，一臺計算機(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會這樣之類的時候，老師都會說“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，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性會大大增強(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，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會增強(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，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也會顯著增強(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號元素，最外層有四個電子，性質(zhì)（由指化學(xué)性質(zhì)）和碳類似一大堆硅時，最外層形成四對共價鍵的時候，最外層有八個電子，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與此類似的是32號元素，鍺（Ge），最外層也是有4個電子。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。你要問我為何一個電子對是并排，一個個是豎著，我只能說，某學(xué)習(xí)電子電工的人告訴我，這個其實(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，所以就會搞出一個“多余”的電子，一個自由電子，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，五價元素取代了四價在晶格中的位置。
這就是N型半導(dǎo)體，為何要摻入五價物質(zhì)，而不是隨意摻呢，因為一般來說本征半導(dǎo)體最外層有四個電子，摻入五價物質(zhì)，提供自由電子，使半導(dǎo)體中電子偏多。為何不摻六價元素，一來是因為這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)體中摻入五價雜質(zhì)后，半導(dǎo)體中會有大量帶負(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，所以就會搞出一個“缺少”的電子，一個空穴，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，三價元素取代了四價在晶格中的位置。
這就是P型半導(dǎo)體，為何要摻入三價物質(zhì)，而不是隨意摻呢，因為一般來說本征半導(dǎo)體最外層有四個電子，摻入三價物質(zhì)，少了一個電子，提供出一個空穴，使半導(dǎo)體中電子偏少。至于為何不摻二價，原理和N型不摻6價道理相同，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)，也就是一個自由電子填上空穴的地方，嗯，還是很薄的。
以下幾段是對我的某些同學(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，有相當(dāng)一大批人（我的同學(xué)朋友們）在這個時候打斷我，懷疑我講錯，怎么可能由N指向P，如果由N指向P，咋可能會有電子填補(bǔ)空穴。要解釋這個問題，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——還有一堆人會在此停頓，因為擴(kuò)散咋就有內(nèi)電場了，有位同學(xué)給我說“因為如果沒有內(nèi)電場，擴(kuò)散應(yīng)該會一直發(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)該是有一個阻止其擴(kuò)散的一個作用存在的。然而怎么就有了內(nèi)電場?！逼鋵?shí)我表示某些人看PN結(jié)的時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)的五價元素的自由電子填補(bǔ)之后，相當(dāng)于失去了一個電子，此時帶正電，而P區(qū)的三價原子核多了一個電子（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，共價鍵帶自由電子，共價鍵帶空穴，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€電阻很小的東西，這時就是“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，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）時的特性。U從0開始慢慢調(diào)高，剛開始時，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，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）時的特性。U從0慢慢調(diào)高，反向電壓不高時，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，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?，不同型號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。
下面來說說幾個重要的參數(shù)
最大整流電壓If：二極管長時間使用時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。這個選購的時候一定要注意，給問題電器更換二極管，如果型號看不出來了的話，一般說來個頭越大，外殼金屬的If大（和PN結(jié)面積有關(guān)，這個經(jīng)驗是某電工告訴我的）。
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)通到截止的時間稱為反向恢復(fù)時間，反之則稱為開通時間，一般反向恢復(fù)時間遠(yuǎn)長于開通時間，但是開關(guān)管就是兩個時間都很短，常用的反向恢復(fù)時間都是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，它會讓它兩端的電壓一直不變（最開始看到這個功能的時候感覺簡直了）例如，和電阻串聯(lián)后，接入一個不低于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，不會壞。
雙基極二極管：三個腳，一個發(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)時間幾百納秒。
瞬態(tài)電壓抑制二極管：一個十分高效的保護(hù)器件，有單級型和雙極型，當(dāng)兩端的電壓超過一定值的時候，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。
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