二極管的工作原理
晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。
二極管的類型
二極管種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二極管等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN結”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關、脈沖及高頻電路中。
二極管的導電特性
二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。
1.正向特性。
在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。
2.反向特性。
在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。
二極管的主要參數(shù)：
用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術指標，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。對初學者而言，必須了解以下幾個主要參數(shù)：
1、額定正向工作電流
是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。例如，常用的IN4001－4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。
2、最高反向工作電壓
加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V。
3、反向電流
反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2AP1型鍺二極管，在25時反向電流若為250uA，溫度升高到35，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75時，它的反向電流已達8mA，不僅失去了單方向導電特性，還會使管子過熱而損壞。又如，2CP10型硅二極管，25時反向電流僅為5uA，溫度升高到75時，反向電流也不過160uA。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。
測試二極管的好壞
初學者在業(yè)余條件下可以使用萬用表測試二極管性能的好壞。測試前先把萬用表的轉換開關撥到歐姆檔的RX1K檔位（注意不要使用RX1檔，以免電流過大燒壞二極管），再將紅、黑兩根表筆短路，進行歐姆調零。
1、正向特性測試
把萬用表的黑表筆（表內正極）搭觸二極管的正極，，紅表筆（表內負極）搭觸二極管的負極。若表針不擺到0值而是停在標度盤的中間，這時的阻值就是二極管的正向電阻，一般正向電阻越小越好。若正向電阻為0值，說明管芯短路損壞，若正向電阻接近無窮大值，說明管芯斷路。短路和斷路的管子都不能使用。
2、反向特性測試
把萬且表的紅表筆搭觸二極管的正極，黑表筆搭觸二極管的負極，若表針指在無窮大值或接近無窮大值，管子就是合格的。
二極管的應用
1、整流二極管
利用二極管單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電。
2、開關元件
二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導通狀態(tài)，相當于一只接通的開關；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止狀態(tài)，如同一只斷開的開關。利用二極管的開關特性，可以組成各種邏輯電路。
3、限幅元件
二極管正向導通后，它的正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內。
4、繼流二極管
在開關電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。
5、檢波二極管
在收音機中起檢波作用。
6、變容二極管
使用于電視機的高頻頭中。
半導體的特性
半導體的導電性能比導體差而比絕緣體強。實際上，半導體與導體、絕緣體的區(qū)別在不僅在于導電能力的不同，更重要的是半導體具有獨特的性能（特性）。
1．在純凈的半導體中適當?shù)負饺胍欢ǚN類的極微量的雜質，半導體的導電性能就會成百萬倍的增加—-這是半導體最顯著、最突出的特性。例如，晶體管就是利用這種特性制成的。
2．當環(huán)境溫度升高一些時，半導體的導電能力就顯著地增加；當環(huán)境溫度下降一些時，半導體的導電能力就顯著地下降。這種特性稱為“熱敏”，熱敏電阻就是利用半導體的這種特性制成的。
3．當有光線照射在某些半導體時，這些半導體就像導體一樣，導電能力很強；當沒有光線照射時，這些半導體就像絕緣體一樣不導電，這種特性稱為“光敏”。例如，用作自動化控制用的“光電二極管”、“光電三極管”和光敏電阻等，就是利用半導體的光敏特性制成的。
由此可見，溫度和光照對晶體管的影響很大。因此，晶體管不能放在高溫和強烈的光照環(huán)境中。在晶體管表面涂上一層黑漆也是為了防止光照對它的影響。最后，明確一個基本概驗：所謂半導體材料，是一種晶體結構的材料，故“半導體”又叫“晶體”。
P性半導體和N型半導體----前面講過，在純凈的半導體中加入一定類型的微量雜質，能使半導體的導電能力成百萬倍的增加。加入了雜質的半導體可以分為兩種類型：一種雜質加到半導體中去后，在半導體中會產生大量的帶負電荷的自由電子，這種半導體叫做“N型半導體”（也叫“電子型半導體”）；另一種雜質加到半導體中后，會產生大量帶正電荷的“空穴”，這種半導體叫“P型半導體”（也叫“空穴型半導體”）。例如，在純凈的半導體鍺中，加入微量的雜質銻，就能形成N型半導體。同樣，如果在純凈的鍺中，加入微量的雜質銦，就形成P型半導體。
一個PN結構成晶體二極管----設法把P型半導體（有大量的帶正電荷的空穴）和N型半導體（有大量的帶負電荷的自由電子）結合在一起，見圖1所示。
在P型半導體的N型半導體相結合的地方，就會形成一個特殊的薄層，這個特殊的薄層就叫“PN結”。晶體二極管實際上就是由一個PN結構成的（見圖1）。
例如，收音機中應用的晶體二極管，其觸絲（即觸針）部分相當于P型半導體，N型鍺片就是N型半導體，他們之間的接觸面就是PN結。P端（或P端引出線）叫晶體二極管的正端（也稱正極）。N端（或N端引出線）叫晶體二極管的負端（也稱負極）。
如果像圖2那樣，把正端連接電池的正極，把負端接電池的負極，這是PN結的電阻值就小到只有幾百歐姆了。因此，通過PN結的電流（I=U/R）就很大。這樣的連接方法（圖2a）叫“正向連接”。正向連接時，晶體管二極管（或PN結）兩端承受的電壓叫“正向電壓”；處在正向電壓下，二極管（或PN結）的電阻叫“正向電阻”，在正向電壓下，通過二極管（或PN結）的電流叫“正向電流”。很明顯，因為晶體二極管的正向電阻很?。◣装贇W姆），在一定正向電壓下，正向電流（I=U/R）就會很大----這表明在正向電壓下，二極管（或PN結）具有像導體一樣的導電本領。
反過來，如果把P端接到電池的負極，N端接到電池的正極（見圖2b）。這時PN結的電阻很大（大到幾百千毆），電流（I=U/R）幾乎不能通過二極管，或者說通過的電流很微弱。這樣的連接方法叫“反向連接”。反向連接時，晶體管二極管（或PN結）兩端承受的電壓叫“反向電壓”；處在反向電壓下，二極管（或PN結）的電阻叫“反向電阻”，在反向電壓下，通過二極管（或PN結）的電流叫“反向電流”。顯然，因為晶體二極管的正向電阻很大（幾百千歐姆），在一定的反向電壓下，正向電流（I=U/R）就會很小，甚至可以忽略不計，----這表明在一定的反向電壓下，二極管（或PN結）幾乎不導電。
上敘實驗說明這樣一個結論：晶體二極管（或PN結）具有單向導電特性。
晶體二極管用字母“D”代表，在電路中常用圖3的符號表示，即表示電流（正電荷）只能順著箭頭方向流動，而不能逆著箭頭方向流動。圖3是常用的晶體二極管的外形及符號。
利用二極管的單向導電性可以用來整流（將交流電變成直流電）和檢波（從高頻或中頻電信號取出音頻信號）以及變頻（如把高頻變成固定的中頻465千周）等。
PN結的極間電容----PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個電容量很小的電容，叫做“極間電容”（如圖4所示）。由于電容抗隨頻率的增高而減小。所以，PN結工作于高頻時，高頻信號容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作。但在直流或低頻下工作時，極間電容對直流和低頻的阻抗很大，故一般不會影響PN結的工作性能。PN結的面積越大，極間電容量越大，影響也約大，這就是面接觸型二極管（如整流二極管）和低頻三極管不能用于高頻工作的原因
晶體二極管的主要參數(shù)
1、最高工作頻率fM（MC）----二極管能承受的最高頻率。通過PN結交流電頻率高于此值，二極管接不能正常工作。
2、最高反向工作電壓VRM（V）----二極管長期正常工作時，所允許的最高反壓。若越過此值，PN結就有被擊穿的可能，對于交流電來說，最高反向工作電壓也就是二極管的最高工作電壓。
3、最大整流電流IOM（mA）----二極管能長期正常工作時的最大正向電流。因為電流通過二極管時就要發(fā)熱，如果正向電流越過此值，二極管就會有燒壞的危險。所以用二極管整流時，流過二極管的正向電流（既輸出直流）不允許超過最大整流電流。
半導體二極管的分類
一、根據構造分類
半導體二極管主要是依靠PN結而工作的。與PN結不可分割的點接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極管的范圍內。包括這兩種型號在內，根據PN結構造面的特點，把晶體二極管分類如下：
點接觸型二極管
點接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PN結的靜電容量小，適用于高頻電路。但是，與面結型相比較，點接觸型二極管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大電流和整流。因為構造簡單，所以價格便宜。對于小信號的檢波、整流、調制、混頻和限幅等一般用途而言，它是應用范圍較廣的類型。
鍵型二極管
鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔接或銀的細絲而形成的。其特性介于點接觸型二極管和合金型二極管之間。與點接觸型相比較，雖然鍵型二極管的PN結電容量稍有增加，但正向特性特別優(yōu)良。多作開關用，有時也被應用于檢波和電源整流（不大于50mA）。在鍵型二極管中，熔接金絲的二極管有時被稱金鍵型，熔接銀絲的二極管有時被稱為銀鍵型。
合金型二極管
在N型鍺或硅的單晶片上，通過合金銦、鋁等金屬的方法制作PN結而形成的。正向電壓降小，適于大電流整流。因其PN結反向時靜電容量大，所以不適于高頻檢波和高頻整流。
擴散型二極管
在高溫的P型雜質氣體中，加熱N型鍺或硅的單晶片，使單晶片表面的一部變成P型，以此法PN結。因PN結正向電壓降小，適用于大電流整流。最近，使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉移到硅擴散型。
臺面型二極管
PN結的制作方法雖然與擴散型相同，但是，只保留PN結及其必要的部分，把不必要的部分用腐蝕掉。其剩余的部分便呈現(xiàn)出臺面形，因而得名。初期生產的臺面型，是對半導體材料使用擴散法而制成的。因此，又把這種臺面型稱為擴散臺面型。對于這一類型來說，似乎大電流整流用的產品型號很少，而小電流開關用的產品型號卻很多。
平面型二極管
在半導體單晶片（主要地是N型硅單晶片）上，擴散P型雜質，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅選擇性地擴散一部分而形成的PN結。因此，不需要為調整PN結面積的腐蝕作用。由于半導體表面被制作得平整，故而得名。并且，PN結合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認為是穩(wěn)定性好和壽命長的類型。最初，對于被使用的半導體材料是采用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。對平面型二極管而言，似乎使用于大電流整流用的型號很少，而作小電流開關用的型號則很多。
合金擴散型二極管
它是合金型的一種。合金材料是容易被擴散的材料。把難以制作的材料通過巧妙地摻配雜質，就能與合金一起過擴散，以便在已經形成的PN結中獲得雜質的恰當?shù)臐舛确植肌４朔ㄟm用于制造高靈敏度的變容二極管。
外延型二極管
用外延面長的過程制造PN結而形成的二極管。制造時需要非常高超的技術。因能隨意地控制雜質的不同濃度的分布，故適宜于制造高靈敏度的變容二極管。
肖特基二極管
基本原理是：在金屬（例如鉛）和半導體（N型硅片）的接觸面上，用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。肖特基與PN結的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V左右。其特長是：開關速度非?？欤悍聪蚧謴蜁r間trr特別地短。因此，能制作開關二極和低壓大電流整流二極管。
二、根據用途分類
檢波用二極管
就原理而言，從輸入信號中取出調制信號是檢波，以整流電流的大小（100mA）作為界線通常把輸出電流小于100mA的叫檢波。鍺材料點接觸型、工作頻率可達400MHz，正向壓降小，結電容小，檢波效率高，頻率特性好，為2AP型。類似點觸型那樣檢波用的二極管，除用于檢波外，還能夠用于限幅、削波、調制、混頻、開關等電路。也有為調頻檢波專用的特性一致性好的兩只二極管組合件。
整流用二極管
就原理而言，從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整流電流的大?。?/span>100mA）作為界線通常把輸出電流大于100mA的叫整流。面結型，工作頻率小于KHz，最高反向電壓從25伏至3000伏分A～X共22檔。分類如下：①硅半導體整流二極管2CZ型、②硅橋式整流器QL型、③用于電視機高壓硅堆工作頻率近100KHz的2CLG型。
限幅用二極管
大多數(shù)二極管能作為限幅使用。也有象保護儀表用和高頻齊納管那樣的專用限幅二極管。為了使這些二極管具有特別強的限制尖銳振幅的作用，通常使用硅材料制造的二極管。也有這樣的組件出售：依據限制電壓需要，把若干個必要的整流二極管串聯(lián)起來形成一個整體。
調制用二極管
通常指的是環(huán)形調制專用的二極管。就是正向特性一致性好的四個二極管的組合件。即使其它變容二極管也有調制用途，但它們通常是直接作為調頻用。
混頻用二極管
使用二極管混頻方式時，在500～10,000Hz的頻率范圍內，多采用肖特基型和點接觸型二極管。
放大用二極管
用二極管放大，大致有依靠隧道二極管和體效應二極管那樣的負阻性器件的放大，以及用變容二極管的參量放大。因此，放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應二極管和變容二極管。
開關用二極管
有在小電流下（10mA程度）使用的邏輯運算和在數(shù)百毫安下使用的磁芯激勵用開關二極管。小電流的開關二極管通常有點接觸型和鍵型等二極管，也有在高溫下還可能工作的硅擴散型、臺面型和平面型二極管。開關二極管的特長是開關速度快。而肖特基型二極管的開關時間特短，因而是理想的開關二極管。2AK型點接觸為中速開關電路用；2CK型平面接觸為高速開關電路用；用于開關、限幅、鉗位或檢波等電路；肖特基（SBD）硅大電流開關，正向壓降小，速度快、效率高。
變容二極管
用于自動頻率控制（AFC）和調諧用的小功率二極管稱變容二極管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電壓， 使其PN結的靜電容量發(fā)生變化。因此，被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。通常，雖然是采用硅的擴散型二極管，但是也可采用合金擴散型、外延結合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管，因為這些二極管對于電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路，多以硅材料制作。
頻率倍增用二極管
對二極管的頻率倍增作用而言，有依靠變容二極管的頻率倍增和依靠階躍（即急變）二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變容二極管稱為可變電抗器，可變電抗器雖然和自動頻率控制用的變容二極管的工作原理相同，但電抗器的構造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復二極管，從導通切換到關閉時的反向恢復時間trr短，因此，其特長是急速地變成關閉的轉移時間顯著地短。如果對階躍二極管施加正弦波，那么，因tt（轉移時間）短，所以輸出波形急驟地被夾斷，故能產生很多高頻諧波。
穩(wěn)壓二極管
是代替穩(wěn)壓電子二極管的產品。被制作成為硅的擴散型或合金型。是反向擊穿特性曲線急驟變化的二極管。作為控制電壓和標準電壓使用而制作的。二極管工作時的端電壓（又稱齊納電壓）從3V左右到150V，按每隔10%，能劃分成許多等級。在功率方面，也有從200mW至100W以上的產品。工作在反向擊穿狀態(tài)，硅材料制作，動態(tài)電阻RZ很小，一般為2CW型；將兩個互補二極管反向串接以減少溫度系數(shù)則為2DW型。
PIN型二極管（PIN Diode）
這是在P區(qū)和N區(qū)之間夾一層本征半導體（或低濃度雜質的半導體）構造的晶體二極管。PIN中的I是“本征”意義的英文略語。當其工作頻率超過100MHz時，由于少數(shù)載流子的存貯效應和“本征”層中的渡越時間效應，其二極管失去整流作用而變成阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時，“本征”區(qū)的阻抗很高；在直流正向偏置時，由于載流子注入“本征”區(qū)，而使“本征”區(qū)呈現(xiàn)出低阻抗狀態(tài)。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應用于高頻開關（即微波開關）、移相、調制、限幅等電路中。
雪崩二極管 (Avalanche Diode)
它是在外加電壓作用下可以產生高頻振蕩的晶體管。產生高頻振蕩的工作原理是欒的：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時間，若適當?shù)乜刂贫稍綍r間，那么，在電流和電壓關系上就會出現(xiàn)負阻效應，從而產生高頻振蕩。它常被應用于微波領域的振蕩電路中。
