隐居寒天
二极管的实质其实就是一个PN结，二极管的单向导电性实质上也是由PN结的特殊特性决定的。在解释什么是PN结之前，我们需要有一些关于半导体的基本常识。
我们一般将不掺杂的半导体称为本征半导体，比如硅、锗、砷化镓等等。如果对本征半导体进行掺杂就可以形成n型半导体或者p型半导体。n型半导体中的主要载流子是电子，而p型半导体中的主要载流子是空穴。如果我们将p型半导体和n型半导体结合在一起会发生什么呢？
图1. PN结原理说明
如上图，左边是p型半导体，右边是n型半导体。当二者结合时，p型半导体中的多数载流子（简称多子），即空穴会扩散到n型半导体中；同样n型半导体的多子，电子会扩散到p型半导体中。这样就会在中间形成一个内建电场，这一部分就是pn结。接下来我们可以看到这个内建电场对pn结的单向导电性起了决定性的作用。
我们给一个pn结的p型端接电源正极，n型端接电源负极。这样这样内建电场中的电子会跑上正极，空穴会跑向负极。这样就会打破内建电场已经建立起来的平衡，从而使pn结两端继续进行相互扩散。这样就会造成较大的电流通过pn结，并且电流随着电压的增加很快地增加，这种连接方式就是pn结的正向导电，对应于下图的“Forward”，也就是导通区。
图2. PN结的IV曲线
那么如果我们将pn结进行反接会怎么样呢？也就是p端接负极，n端接正极。这样我们就会阻止pn两端载流子的进一步扩散，从而使pn结中的电流会很小。这个区域叫做pn结的反转区。如果我们继续反接，然后不断加大所加的电流，那么在某一极限值，pn结将会被击穿，从而达到击穿区，击穿区的电流会随着电压迅速增大，但是如果达到击穿区，pn结将不能正常工作，从而造成损坏。
历史上第一个二极管是弗莱明于1904年发明的，后来二极管又衍生出来了很多不同的种类，比如光电二极管、整流二极管、稳压二极管等等。
图3. 各种各样的二极管
量子驿站
序言
中考前的那段时间，身边的同学、朋友经常来问关于二极管为何能单向导电，二极管有什么作用等问题，后来发现不管是高中还是初中，都没对二极管提一点事，所以这篇科普写给那些有相关问题的中学朋友们。
当然，我不能保证本篇文章的绝对正确性，有疏漏之处还请指出。
下面，我们先来看一看二极管的应用
图一：许多电器使用二极管整流（左下），许多用电器工作二极管发挥着极大的作用（右上，但框里的不全是二极管）
图二：发光二极管作为照明使用
既然说到了二极管，上过初中的人都知道这东西有单向导电性，那么我们来直观的感受下它的单向导电性。
下图就是二极管的符号，上过初中的都应该知道，防止一些人忘记，再画一个。
- 从实验认识二极管
（我用的是发光二极管即LED，其他二极管还要从别的东西上拆掉再装，而且这样现象更明显。）
首先让我们来将二极管的正极连到电源正极，负极经电流表至电源负极。（3V）
这就是二极管导通的时候，大家可以看到，LED亮，电流表有示数。
然后我们将LED反向接入电路。
大家可以看到，LED不亮，电流表没有示数，这时二极管截止。
之后我们将二极管正向反向并联至一起
可以看到，正向连接的LED发光，且电流表示数和第一次示数几乎一样(图上不一样是因为角度问题)
好了，至此都是一些基础知识，下面我们来讲一讲二极管的起源。
二极管的起源
二极管不是一开始就那么高端大气上档次的，最早的二极管是爱迪生“做出”的，或者说跟爱迪生有很大关系。
爱迪生为寻找灯丝材料做了近千次实验（这家伙看到什么材料都用来实验），这是一个我们耳熟能详的关于坚持与成功的故事，不过说真的，爱迪生这种近乎盲目的尝试个人认为不应在当代推崇，起码你应该想一想再动手，不然想想化吧熊孩子事件。
爱迪生在寻找最佳白炽灯丝的不断尝试过程中，某次出现了一个小失误，在灯泡的灯丝附近多引入了一个金属丝，结果，他发现即使金属片没有与灯丝接触，但在它们之间加上电压，灯丝仍然会产生一股电流。爱迪生当时并不知道个中原因（现在我们知道电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的），不过爱迪生给了它个名字，叫爱迪生效应。当时这个因失误产生的畸形灯泡实则为人类历史上第一个二极管（真空二极管，或称电子二极管），不过这和我们现在见到的二极管是不太一样的，这个后面会讲到。
至于这个图下面会有，其实就是白炽灯里通了根金属线。
下面这个就是真空二极管的实物图（现在相对用的少啊）
那么，为何爱迪生搞出来的造型奇特的灯泡有单向导电性呢？
在真空玻璃管中放置两块金属板，加热其中一块，这块金属板就会发射出电子，再在这两快金属板间加电压，使得电子从一块板射向另外一块板，则会产生电流，而如果反向加电压，电子在受热发出后又会回到原极板，则不会有电流，故真空二极管具有单向导电性。
爱迪生当时虽然发现了爱迪生效应，可是他正忙着解决碳丝灯泡的灯丝问题，就没管它，不过弗莱明却对此产生了浓厚的兴趣，最终，在1904年，弗莱明搞出了自称为“热离子阀”的装置，其实就是一个神奇的灯泡，灯泡中间加上金属片，金属片上加交流电，就会输出一个直流电（别觉得不稳定就不是直流啊，虽然我也不知道为何很多初中生都这么认为），这个能够充当交流电整流和检波（无线电的，也称解调）的神奇灯泡，弗莱明的热离子阀就是世界上第一个电子管——真空二极管。
爱迪生和他的灯泡我就不再放了。如图所示，这就是个长得特殊的灯泡。
本来还是想给大家点亮一个真空二极管，后来发现对我来说没啥用，正好发现zvs吧里有做vtTC的，于是拿来看看（这是胆管，也就是三极管），顺带一提，zvs吧里以前有做纯真空管功放的。
下面那个有亮光的就是
后来，真空二级管不断发展，出现了很多种不同的管子，旁热型等等。
不过这东西体积大，你想象下为何当时电子计算机体积那么大，那么费电，因为管子大，一台计算机就要搞一堆灯泡，能不费电吗。所以随着材料科学的发展，出现了神奇的东西——半导体二极管。
半导体二极管
首先，从名字上来看，“半导体二极管”，那么肯定是半导体做的。很多初中朋友在问XXX是如何工作的，为何XXX会这样之类的时候，老师都会说“这是半导体的作用”。那么什么是半导体，半导体有什么种类，是什么做的，有什么特性呢？
半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
至于为何会这样，就是下面这张图所示了
不管你们看懂看不懂，反正我水平有限
那么我们接下来看一看半导体的种类。
半导体分为本征半导体与杂质半导体，杂质半导体又分为N型半导体与P型半导体。
半导体的特性主要有：
1：掺杂性：当往纯净的半导体中掺入少量某些物质时，半导体的导电性会大大增强。二极管、三极管就是用掺入杂质的半导体制成的。
2：热敏性：当温度上升时，半导体的导电能力会增强。利用该特性可以将某些半导体制成热敏器件。
3：光敏性：当有光线照射半导体时，半导体的导电能力也会显著增强。利用该特性可以将某些半导体制成光敏器件。
要是你问这样特性形成的根本原因，那么来这个帖子吧（我就不解释了，水平有限）（上面那张图也是这个帖子里的）http://tieba.baidu.com/p/1600393489?pid=67642658081&cid=0#67642658081 这位大神写过不少帖子。
接下来继续，说说刚刚提到的三种半导体
本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。（来自锑度）
例如硅（Si），硅，14号元素，最外层有四个电子，性质（由指化学性质）和碳类似一大堆硅时，最外层形成四对共价键的时候，最外层有八个电子，达到稳定状态。与此类似的是32号元素，锗（Ge），最外层也是有4个电子。不同的元素所构成的半导体性质不同，例如第二代半导体砷化镓（GaAs）相比于硅，更适合用于高功率。
我们来看看本征半导体的示意图，便于我们理解。
这就是本征半导体。你要问我为何一个电子对是并排，一个个是竖着，我只能说，某学习电子电工的人告诉我，这个其实是立体的，但是立体的画不出来，所以给变平面了，其实哪种都无所谓，况且电子又不是个球。
那么本征半导体有什么性质呢？
本征半导体的导电能力是很弱的，在纯净的半导体中掺入杂质后，导电能力大大增强。
N型半导体（也称电子型半导体）：N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
嘛，看不懂不要紧，毕竟前面没说啥是自由电子浓度和空穴浓度，这些不影响大家正常阅读。
在本征半导体中掺杂了五价元素后，就成了N型半导体，N型半导体导电性和金属类似。例如掺入磷（P）砷（As）锑（Sb）等物质，由于它的最外层电子数是5，所以就会搞出一个“多余”的电子，一个自由电子，于是就可以像金属那样导电。同理，N型半导体不止一种。
接下来是示意图，可以看到，五价元素取代了四价在晶格中的位置。
这就是N型半导体，为何要掺入五价物质，而不是随意掺呢，因为一般来说本征半导体最外层有四个电子，掺入五价物质，提供自由电子，使半导体中电子偏多。为何不掺六价元素，一来是因为这样还是有可能形成不稳定的稳定结构，其次，性质相差太远，不稳定，总之就是太不稳定，受影响太大。
那么N型半导体有什么性质呢？
在本征半导体中掺入五价杂质后，半导体中会有大量带负电的电子。
P型半导体（也称空穴型半导体）：P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。
在本征半导体中掺杂了三价元素后，就成了P型半导体，有趣的是P型半导体也有导电性，但是其中没有自由电子。例如掺入硼（B）铝（Al）镓（Ga）铟（In）等物质，由于它的最外层电子数是3，所以就会搞出一个“缺少”的电子，一个空穴，于是就可以进行空穴导电。同理，P型半导体不止一种。
接下来是示意图，可以看到，三价元素取代了四价在晶格中的位置。
这就是P型半导体，为何要掺入三价物质，而不是随意掺呢，因为一般来说本征半导体最外层有四个电子，掺入三价物质，少了一个电子，提供出一个空穴，使半导体中电子偏少。至于为何不掺二价，原理和N型不掺6价道理相同，不稳定。
那么P型半导体有什么性质呢？
在本征半导体中掺入三价杂质后，半导体中电子偏少，有大量的空穴（可以看做正电荷）产生。
原理
下面是二极管的组成以及原理。
首先，一个很关键的问题，什么是PN结：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基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。（来自锑度）
PN结具有单向导电性，要想理解，图是必不可少的。
就像这样。首先，来看下，N区多电子，P区少电子，两者在一起的时候，自然而然的有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。换句话说，N区的自由电子填补到了P区的空穴中，产生了如图所示的空间电荷区，也就是一个自由电子填上空穴的地方，嗯，还是很薄的。
以下几段是对我的某些同学发发牢骚，以及为感兴趣但是可能无法完全理解的初中生们写的，大家可以随便看看。
在这种情况下，内电场由N区指向P区。等等，此时，有相当一大批人（我的同学朋友们）在这个时候打断我，怀疑我讲错，怎么可能由N指向P，如果由N指向P，咋可能会有电子填补空穴。要解释这个问题，首先，要明白一点，扩散是因还是内电场是因。
内电场是由扩散而产生的，而非内电场产生扩散。这一点可以很轻易的想到。原本是N区P区，哪来的电场，其次，如果内电场从P指向N，那么就是加速扩散，然后有更大的电场，然后扩散的更厉害……A加速B，B加速A，A再加速B……而且每次加速还都越来越大，所以明显的不可能。所以内电场方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。而空间电荷区也被称为耗尽层。
好了，接下来开始讲单向导电，等等——还有一堆人会在此停顿，因为扩散咋就有内电场了，有位同学给我说“因为如果没有内电场，扩散应该会一直发生，直到所有的电子填补所有的空穴，或者自由电子多，变成一大块N型半导体或者空穴多，变成一大块P型半导体，所以可以推断出应该是有一个阻止其扩散的一个作用存在的。然而怎么就有了内电场。”其实我表示某些人看PN结的时候根本就没有看到全部信息，甚至某些人说“空间电荷区内电子和空穴全部互相填补，不是产生电场的原因，内电场是由于N型半导体的电子和P型半导体的空穴产生的”。
一张图解决问题
要知道，耗尽层内，N区的五价元素的自由电子填补之后，相当于失去了一个电子，此时带正电，而P区的三价原子核多了一个电子（空穴被填补）带了负电。而两边的也就是图中白色底色的部分是上一层的N区和P区的样子，共价键带自由电子，共价键带空穴，电子数和质子数是一致的。而耗尽层中明显的，正离子与负离子，所以才有的内电场。
直接的说就是，图中的“﹢”和“﹣”就是固定离子。
好的，结束。接下来我们开始讲单向导电性。有图便于思考。
内电场有一股把空穴往P型半导体那边拉，电子往N型半导体那边拉的趋势，如果在二极管外面有一个与此相反的电场，不就可以把电子“拽出来”让耗尽层变得很薄，让电子在P型半导体里发射出去，也就是让二极管变为一个电阻很小的东西，这时就是“正向偏置”。再等等，某些我的朋友在此迷惑，内电场阻碍耗尽层，那此时的外电场方向相反不应该把耗尽层弄得更厚吗。我表示我十分怀疑是我讲的不清还是他不认真。外电场让空穴和电子移动，削弱了耗尽层，进而就削弱了内电场，进而导致多子（P型半导体的空穴和N性半导体的自由电子）（貌似也就是多数载流子）扩散运动变强，形成了电流，二极管导通。P区那边电势比N区高，也就是说电流由P到N，P区就是二极管的正极（阳极）用“﹢”或者“A”表示，N区就是负极（阴极）用“﹣”或者“K”表示。
如果外电场和内电场方向一致，我们也可以轻易得到，耗尽层变得很大，电阻也大的不行，称为“反向偏置”，此时二极管截止，除非你给的电压太高，高到击穿，也就是把耗尽层变为导体，这样击穿一次的二极管，一般就废了。
性质
1：正向特性：正向特性是指给二极管加正向电压（二极管正极接高电位，负极接低电位）时的特性。U从0开始慢慢调高，刚开始时，由于电压U很低，通过二极管的电流极小，可以认为二极管没有导通，当电压达到正向导通电压时，流过二极管的电流急剧增大，二极管导通。这里的正向导通电压也称门电压或者阈值电压。不同材料的二极管，门电压是不同的，例如硅，一般来说为0.5~0.7V，锗一般为0.2~0.3V。
2：反向特性：反向特性是指给二极管加反向电压（二极管正极接低电位，负极接高电位）时的特性。U从0慢慢调高，反向电压不高时，没有电流流过二极管，二极管不能导通，当电压达到反向击穿电压时，二极管反向导通了。这里的反向击穿电压一般都很高，远大于正向导通电压，不同型号的二极管反向击穿电压不同，低的几十伏，高的有几千伏。普通二极管的反向击穿导通通常是损坏性的，一般不能再使用。
下面来说说几个重要的参数
最大整流电压If：二极管长时间使用时允许通过的最大正向平均电流称为最大整流电流，或称为二极管的额定工作电流。这个选购的时候一定要注意，给问题电器更换二极管，如果型号看不出来了的话，一般说来个头越大，外壳金属的If大（和PN结面积有关，这个经验是某电工告诉我的）。
最高反向工作电压UR：最高反向工作电压是指二极管正常工作时两端能承受的最高反向电压。顺带一提，这东西一般是反向击穿电压的一半。
最大反向电流IR：最大反向电流是指二极管两端加最高反向工作电压时流过的反向电流。越小说明单向导电性越好。
最高工作频率fM：最高工作频率是指二极管在正常工作条件下的最高频率。（高于这个频率就不能正常工作了）顺带一提，和If相反，一般说来，PN结面积越小，fM越高。
几种二极管
开关二极管：从导通到截止的时间称为反向恢复时间，反之则称为开通时间，一般反向恢复时间远长于开通时间，但是开关管就是两个时间都很短，常用的反向恢复时间都是4ns左右，嗯，1s能开关多少次呢？
稳压二极管：反向接入电路，它会让它两端的电压一直不变（最开始看到这个功能的时候感觉简直了）例如，和电阻串联后，接入一个不低于5V的电路，不断升压，稳压二极管上分的电压一直都是5V，直到电流大到元件坏掉。
变容二极管：相当于一个电容，而且电容可调。电容和二极管的集合体。
双向触发二极管：神奇的特性曲线，两面都能导通，不会坏。
双基极二极管：三个脚，一个发射极和俩基极，这东西很有用，但是碍于篇幅，有兴趣自己查吧。
肖特基二极管：又称肖特基势垒二极管，有三个脚，3种连接方式，有兴趣自行查找。
快恢复二极管：两种连接方式（共阴、共阳）反向工作电压高，工作电流大，恢复时间几百纳秒。
瞬态电压抑制二极管：一个十分高效的保护器件，有单级型和双极型，当两端的电压超过一定值的时候，立刻导通，然后把电压稳定在预定值上。单极性可以抑制单向的高压，双极性可以来双向的高压。论某些人入电子坑不知道保护自己，不知道保护元件，炸了多少管子，炸了多少电容。
结束
在此感谢图片来源：全球电气资源、新能源课件网、物吧大神、电子知识小课堂、锑度。
