二極管（Diode），是一種只允許電流由單一方向流過的半導(dǎo)體器件。從二極管內(nèi)部PN結(jié)引出兩個接線端子，當(dāng)外加適當(dāng)正向電壓時(shí)，二極管會導(dǎo)通，電流從陽極流向陰極，相反，在外加適當(dāng)反向電壓時(shí)，二極管會截止而沒有電流通過，這就是單向?qū)щ娦浴?/span>
它的原理圖符號如下圖所示：
要理解二極管的單向?qū)щ娞匦?，首先了解組成二極管的半導(dǎo)體材料：硅與鍺。
物質(zhì)是由原子組成的，而原子由原子核與電子組成，原子核帶正電，電子帶負(fù)電，在正常情況下，原子核與電子的帶電數(shù)是一樣的，由于正負(fù)抵消，整個原子呈現(xiàn)電中性，即對外不顯電性。
通常電子以原子核為中心運(yùn)動，這與太陽系中的行星繞著太陽公轉(zhuǎn)一樣，如下圖所示：
我們也常用下圖描述電子與原子核之間的關(guān)系：
原子核外圍的電子排列是有一定的規(guī)律，我們以下面這種方式來表達(dá)。
雖然看不懂你在說什么，但好像很厲害的樣子，好在我們只需要了解最外層電子數(shù)，如上圖所示，最外層電子數(shù)為3
材料的穩(wěn)定性由最外層電子數(shù)決定，一般最外層電子數(shù)少于4時(shí)為金屬性，大于4時(shí)為非金屬性，最外層電子數(shù)為8時(shí)最穩(wěn)定，而當(dāng)最外層電子數(shù)為4時(shí)，這種材料即容易失去電子，又容易得到電子。
我們的故事就是從最外層電子數(shù)為4的材料開始的，它們通常是硅（Si）或鍺（Ge），它們的原子結(jié)構(gòu)如下所示：
下面我們以硅材料為例進(jìn)行講解。
當(dāng)一大堆的硅元素在一起生活時(shí)，由于每個硅元素的最外層電子數(shù)都是4，這種狀態(tài)是很不穩(wěn)定的，大家雖然財(cái)力是一樣的，你不喜歡我，我也不是很瞧得起你，但既然要長久地生活在同一片天空，還是要忍辱負(fù)重形成一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。前面我們提到最外層電子數(shù)為8是比較穩(wěn)定的，于是它們商量了一下，與周圍的每個人共用一個電子，這樣每個硅元素的最外層電子數(shù)都最是8，達(dá)到了相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，如下圖所示：
其中，被兩方共用的電子稱為價(jià)電子，而那一對電子形成共價(jià)鍵連接相鄰的兩個原子。
如果不出意外的話，這些生活在一起的硅元素必將和平共處相安無事，直到世界的盡頭，但是理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)是骨感的，這種共價(jià)鍵的連接方式不是很穩(wěn)定，它對溫度與光線很敏感！
如下圖所示，當(dāng)受到溫度或光線的挑撥離間時(shí)，硅元素之間的共價(jià)電子會獲得足夠的能量從共價(jià)鍵中跳出來，我們將跳出來的電子稱為自由電子，而將該電子原來的位置稱為空穴（也就是座位了）
這些跳出的電子一旦多了起來，相應(yīng)的空穴也會多起來，在外加電場或其它能源的作用下，鄰近價(jià)電子就可以填補(bǔ)到這個空位上，而在這個價(jià)電子原來的位置上就留下新的空位，以后其它電子又可轉(zhuǎn)移到這個新空位上，這樣就使共價(jià)鍵中出現(xiàn)一定的電荷，如下圖所示：
你可以認(rèn)為是自由電子移動到了A位置，也可以認(rèn)為是空穴從A位置的移動到了B位置，這種運(yùn)動是相對的。
我們把由單一類型半導(dǎo)體元素的材料稱為本征半導(dǎo)體，它是不含任何其它元素的結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。當(dāng)由于熱與光的因素，使價(jià)電子獲得足夠能量掙脫共價(jià)鍵的束縛而跳出成為自由電子時(shí)，我們稱這種現(xiàn)象為本征激發(fā)，同時(shí)將自由電子與空穴稱為載流子。
本征半導(dǎo)體中的載流子越多，則導(dǎo)電性能越好，因此當(dāng)溫度越高時(shí)，更多的價(jià)電子會變成自由電子，相應(yīng)的會有更多的空穴（它們之間也可能會不斷地復(fù)合），這樣載流子就更多了，自然導(dǎo)電性能越好。
很明顯，本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴數(shù)量總是相等的，因?yàn)榭昭ǖ某霈F(xiàn)是因?yàn)殡娮拥碾x開，就像一個人對應(yīng)一個座位，沒有任何其它多余的電子出現(xiàn)，也沒有多余的空穴出現(xiàn)，成雙成對…
生活很愜意！
有一天，一個叫做硼元素的窮外鄉(xiāng)人進(jìn)入了這個村莊，它的最外層電子數(shù)為3，加入到這個硅元素團(tuán)體后，覺得硅元素的這種共價(jià)鍵生活方式不錯，也與它們商量也一下，與四周的鄰居共用4個電子，這樣形成了最外層電子數(shù)為7，雖然因?yàn)樯倭艘粋€電子而多出了一個空穴，但這里的硅元素都很好相處，少了就少了嘛，當(dāng)村里其它硅元素共價(jià)鍵因?yàn)闇囟然蚬饩€的因素跳出自由電子時(shí)，這個自由電子就補(bǔ)住這個硼元素的這個空穴，這樣硼元素因?yàn)槎嗔艘粋€電子而成為不能移動的負(fù)離子，而之前的硅元素因?yàn)槭ヒ幌码娮佣蔀榭昭ā?/span>
后來，越來越多的硼元素加入到這個村莊，每個加入的硼元素都因?yàn)橥瑯拥脑蚨喑鲆粋€空穴，同樣硼元素會因?yàn)榈玫诫娮幼兂韶?fù)離子，這樣空穴就會越來越多。
我們把在硅本征半導(dǎo)體中摻入的硼元素稱為雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體，而這個空穴占多數(shù)載流子的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（空穴帶正電，Positive），如下圖所示：
此時(shí)少數(shù)載流子電子也是有的，只不過相對載流子空穴占少數(shù)而已，日子就這么一天天過下去了…
有個叫磷元素的富戶人家，它的最外層電子數(shù)為5，路過這個村一瞧，你丫的，全都是窮人，空穴滿天飛，于是拔腿就跑到了鄰近的硅元素村莊，只嫌沒多長條腿，要是遇到打劫那還了得，這么多現(xiàn)金在身上真不方便。
這個鄰村還沒有來過外鄉(xiāng)人，村里人雖然都不富有，但也很殷實(shí)，于是富人決定留下了，村里人對它也很客氣，與它分享共用電子的生活方式，磷元素覺得不錯呀，于是也與周圍硅元素鄰居共用了4個電子，形成了最外層電子數(shù)為8的相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但這樣一來，自己就多出來了一個電子，富人琢磨了一晚上就決定不管了，誰想要誰要去，希望可以拉動本村的經(jīng)濟(jì)，富人因?yàn)槭ヒ粋€電子而成為不能移動的正離子。
正所謂物以類聚，人以群分，越來越多的磷元素加入了這個富村，每個加入的磷元素都會因?yàn)楦卸鞫舫鲆粋€電子，這樣電子就會越來越多。
我們把電子占多數(shù)載流子的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料稱為N型半導(dǎo)體（電子帶負(fù)電，Negative），如下所示：
此時(shí)空穴載流子也是有的，只不過相對電子載流子占少數(shù)而已，日子也就這么一天天過下去了…
P型半導(dǎo)體窮村的村長一看N型半導(dǎo)體富村的發(fā)展情況，心里不平衡了，于是找富村村長商量一下，可否把我們村的經(jīng)濟(jì)情況帶動一下，都是一個鄉(xiāng)的，差距太大傳出去不好。富村村長稍一思量就答應(yīng)了，同時(shí)跟村里人傳達(dá)了一下，兩村合并如下圖所示：
剛剛合并的時(shí)候，N型半導(dǎo)體的電子載流子濃度很高，所以很多電子都往P型半導(dǎo)體那邊跑，并與其中的空穴復(fù)合。
這個合并的過程也可以認(rèn)為是P型的空穴向N型擴(kuò)散，因?yàn)殡娮拥囊苿臃较蚩偸桥c空穴的移動方向相反的，總之是多數(shù)載流子向少數(shù)載流子區(qū)前進(jìn)，如下圖所示：
我們把因濃度差而引起載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的轉(zhuǎn)移，稱為擴(kuò)散。
理論上講，兩個半導(dǎo)體合并之后，P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子空穴與N型的多數(shù)載流子電子會全部復(fù)合，但合并開始后，每次電子與空穴的復(fù)合，都會相應(yīng)產(chǎn)生正離子與負(fù)離子，它們將產(chǎn)生內(nèi)部電場力阻礙由于濃度差而帶來的擴(kuò)散。這個電場力會把P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子電子往N型半導(dǎo)體中轉(zhuǎn)移，同時(shí)把N型導(dǎo)體中的少數(shù)載流子空穴往P型半導(dǎo)體中轉(zhuǎn)移。
我們把電場的吸引或排斥作用引起的載流子移動叫做漂移。
很明顯，對于兩個材料的合并來說，擴(kuò)散作用力是起正作用的，而漂移作用是起阻止作用的，這兩個作用力是同時(shí)開始的。
剛開始的時(shí)候，擴(kuò)散作用力比漂移作用力大，因此中間有一大片的電子與空穴都復(fù)合在一起，最后只留下不能移動的正離子與負(fù)離子，但是隨著復(fù)合的空穴電子越多，留下的正離子與負(fù)離子也越來越多，形成的內(nèi)電場越來越大，最后與擴(kuò)散能力達(dá)到平衡，如下圖所示：
N型富村村長一看阻礙力（漂移作用）有點(diǎn)大，與P型窮村村長合計(jì)了一下，就先這樣吧，不要再繼續(xù)了，先看看效果如何。
我們把P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體合并后形成的正負(fù)電荷區(qū)稱為PN結(jié)（也叫耗盡層），從P型半導(dǎo)體（P區(qū)）引出的電極稱為A極（anode，陽極），而從N型半導(dǎo)體（N區(qū)）引出的電極稱為K極（kathode/cathode，陰極），這樣就形成了一個二極管了。
下面我們來看看這個二極管的特性
如下圖所示，P區(qū)接電壓正極，N區(qū)接電壓負(fù)極（稱為電壓正向偏置）
我們從小到大調(diào)整外加電壓V來對二極管進(jìn)行測試。
當(dāng)外加電壓V比較小時(shí)，由于PN結(jié)內(nèi)電場的存在阻礙外電場的作用，此時(shí)二極管呈現(xiàn)出一個大電阻，正向電流幾乎為零，好像有一個門坎，我們把這個門坎電壓稱為死區(qū)電壓VTH，硅管的VTH約為0.5V，鍺管的VTH約為0.1V。
雖然二極管還沒有導(dǎo)通，但是由于外電場的作用，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴與N區(qū)的多數(shù)載流子電子都向PN結(jié)移動，并與PN結(jié)中的正負(fù)離子相互中和，使PN結(jié)的電荷區(qū)變窄。
當(dāng)外加電壓V大于死區(qū)電壓VTH時(shí)，二極管因內(nèi)電場削弱而開始導(dǎo)通，并形成了正向電流IF（Forward current），同時(shí)在二極管兩端會有一定的正向壓降VF（Forward voltage），硅管的VF約為0.7V，鍺管的VF約為0.3V
如果外加電壓V持續(xù)增加，則正向電流也相應(yīng)會增加，取決于外部限流電阻，這個IF有最大值，超過后二極管會損壞
其V-I曲線如下圖所示：
如下圖所示，將P區(qū)接外電壓V的負(fù)極，N區(qū)接外電壓V的正極（稱為反向偏置電壓）
此時(shí)外加電場與內(nèi)電場的方向一致，因而加強(qiáng)了內(nèi)電場，使PN結(jié)加寬，從而更進(jìn)一步阻礙電子擴(kuò)散，呈現(xiàn)出一個大電阻，由于此時(shí)的電阻不是無窮大，因此會形成微弱的反向電流IR（Reverse current），其值越小越好
當(dāng)反向電壓增加到某一時(shí)刻時(shí)，壓在蝸牛上的最后一根稻草來了，外加電壓突破了內(nèi)電場，此時(shí)反向電流將急劇增加，我們稱這個電壓為二極管的反向擊穿電壓VBR（Breakdown voltage）
其V-I曲線如下圖所示：
可以看到，PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，電阻值很小，PN結(jié)導(dǎo)通；施加反向電壓時(shí)，電阻值很大，PN結(jié)截止，這就是它的單向?qū)щ娦浴?/span>
下圖為二極管單向?qū)щ娦缘牡湫蛻?yīng)用，由4個二極管組成的橋式整流電路，將輸入的220V交流電壓整流成脈沖直流電壓VP。當(dāng)交流電壓的正半周到來時(shí)，由于二極管的單向?qū)щ娦裕?/span>D1與D3截止，D2與D4導(dǎo)通，從而輸出直流脈沖電壓VP將負(fù)載電燈泡點(diǎn)亮。
當(dāng)交流電壓的負(fù)半周到來時(shí)，D2與D4截止，D1與D3導(dǎo)通，輸出直流脈沖電壓VP同樣可以將負(fù)載電燈泡點(diǎn)亮
其輸入輸出波形如下所示，實(shí)際應(yīng)用中，由于電容C1（一般容量很大）的存在，脈沖直流電壓的波動會小一些。
