那是1947年的一个冬天，贝尔实验室的三位科学家发明了三极管，改变了世界，推动了全球的半导体电子工业。于是10年后又一个冬天，哥仨一起获得了诺贝尔物理学奖。然而这三极管可不是被凭空发明出来的，从结构上看，她是由两个二极管组成，绝逼二极管“干儿子”。今天小编为您带来 “干爹”二极管的传奇故事。

1 二极管工作原理：二极管=PN结 马甲儿

在半导体性能被发现后，二极管成为了世界上第一种半导体器件，目前最常见的结构是，在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管，甚至可以说二极管实际上就是由一个PN结构成的，因此二极管工作原理约等于PN的工作原理，小编从源头讲讲二极管(PN结)到底是怎么来的?

1.1 二极管工作原理：二极管PN节的好哥俩：P型半导体、N型半导体

我们一般根据导电能力(电阻率)的不同将物体来划分导体、绝缘体和半导体。更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。但实际半导体不能绝对的纯净，这类半导体称为杂质半导体。

P型半导体

如果我们在纯硅中掺入少许的硼(最外层有3个电子)，就反而少了1个电子，而形成一个空穴，这样就形成P型半导体(少了1个带负电荷的原子，可视为多了1个正电荷)。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

图1.P型半导体的共价结构

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成;自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

N型半导体

如果在纯硅中掺杂少许的砷或磷(最外层有5个电子)，就会多出1个自由电子，这样就形成N型半导体，因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子，如图1所示。

图2. N型半导体的共价结构

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

1.2 PN结=P∩N(注：“∩”交集)

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体另一边形成P型半导体后，两种半导体的交界面附近的区域为PN结，如图3所示。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

图3.PN结原理图

PN结的每端都带电子，这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体，从而形成一个耗尽区。在损耗区中，半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满，所以就没有自由电子，也就没有电流流动。

2 二极管工作原理：二极管PN节的单向导电特性---最最最最最重要!

2.1二极管小实验

在电子电路中，将二极管的正极(P区)接在高电位端，负极(N区)接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V，硅管约为0.7V)，称为二极管的“正向压降”。

将二极管的正极(P区)接在低电位端，负极(N区)接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，此时二极管被击穿,这就是二极管的反向击穿特性，将在下一节介绍。

2.2 二极管上升到理论

为了除掉耗尽区，就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的，将PN结N极连接到电源负极，P极连接到正极。这时在N型半导体的自由电子会被负极电子排斥并吸引到正极电子，在P型半导体的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候，在耗尽区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动，耗尽区消失，电流流通过二极管，如图4所示。

图4. PN结加正向电压时的导电情况

若P极接到电源负极，N型接到正极。这时电流将不会流动。N型半导体的负极电子被吸引到正极电子。P型半导体的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动，所以就没有电流流通过汇合处，耗尽区增加，如图5所示。

图5. PN结加反向电压时的导电情况

PN结V-I 特性表达式(伏安特性曲线如图6所示)

其中，IS ——反向饱和电流;

VT ——温度的电压当量;

且在常温下(T=300K)时，

图6. PN结的伏安特性曲线

2.3总结

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流;

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

PN结具有单向导电性。

3 二极管工作原理：二极管PN节的反向击穿—大大的有用!

当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。发生反向击穿时，在反向电流很大的变化范围内，PN结两端电压几乎不变，如图7所示。反向击穿分为电击穿和热击穿，PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热，把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。PN结电击穿从其产生原因又可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。

图7.PN结的反向击穿

雪崩击穿

当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴，将不断地与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞，可使共价键中的电子激发形成自由电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子—空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。

雪崩击穿多发生在杂质浓度较低的二极管，一般需要比较高的电压(>6V)，击穿电压与浓度成反比。

齐纳击穿

在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存在一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子—空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2*105V/cm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度(即杂质离子)也大，因而空间电荷区很窄，电场强度就可能很高。一般整流二极管掺杂浓度没有这么高，它在电击穿中多数是雪崩击穿造成的。

齐纳击穿多数出现在杂质浓度较高的二极管，如稳压管(齐纳二极管)。

必须指出，上述两种电击穿过程是可逆的，当加在稳压管两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态。但它有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。所以热击穿和电击穿的概念是不同的。电击穿往往可为人们所利用(如稳压管)，而热击穿则是必须尽量避免的。

小问题

1) PN结的反向击穿电压是多少?

采取适当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5～8v之间丽种击穿可能同时发生。

2) 二极管三极管和稳压管是否一样呢?

不一样,BC结的反向击穿电压低的几十伏,高的数百伏,但有一点是一样的,就是NPN管的BE结反向击穿电压都是6V左右,因此NPN管的BE结可当6V稳压管用。

补充：应该是所有硅材料管(PNP和NPN)的BE结都有反向击穿电压都是6V这特性，利用这特性可鉴别管子的C和E脚，用10K档分别测BC和BE的反向电阻，击穿的是BE结。

4 二极管工作原理：二极管PN结的极间电容

PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”(如图所示)。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管(如整流二极管)和低频三极管不能用于高频工作的原因。

5 二极管工作原理：数字万用表测试二极管好坏

二极管比较容易损坏的元件，其烧坏容易造成线路短路或断路的情况，影响电器正常工作，因此需要掌握测试二极管好坏的方法。

关于如何使用数字万用表，请参考小编的《数字万用表使用方法》，这里主要介绍数字万用表测试二极管好坏。

1) 辨别出二极管的正负极，有白线的一端为负极，另一端为正极。

2) 将万用表上的旋钮拨到通断档位，并将红黑表笔插在万用表的正确位置。

3) 将红表笔接二极管正极，黑表笔接负极。然后观察读数，如果满溢(即显示为1)，则二极管已坏。若有读数，则交换表笔，若还有读数而不满溢，则二极管坏。

4) 如果是发光二极管，若二极管正常，则可以看到微弱的亮光，长脚为正极。

6 二极管工作原理：二极管的主要参数

1) 额定正向工作电流

二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅管为140左右，锗管为90左右)时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

2) 最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

3) 反向电流

二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。

4) 最高工作频率fM(MC)

二极管能承受的最高频率。通过PN结交流电频率高于此值，二极管接不能正常工作。

5) 最高反向工作电压VRM(V)

二极管长期正常工作时，所允许的最高反压。若越过此值，PN结就有被击穿的可能，对于交流电来说，最高反向工作电压也就是二极管的最高工作电压。

6) 最大整流电流IOM(mA)

二极管能长期正常工作时的最大正向电流。因为电流通过二极管时就要发热，如果正向电流越过此值，二极管就会有烧坏的危险。所以用二极管整流时，流过二极管的正向电流(既输出直流)不允许超过最大整流电流。

7 二极管工作原理：特殊体二极管

1) 稳压二极管

电路符号：与普通二极管的电路符号稍有区别。

　原理：又叫齐纳二极管，是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定

用途：稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

2) 发光二极管(LED)

电路符号：在普通二极管电路符号的边上加两个向外发射的箭头。

原理：利用自由电子和空穴复合时能产生光的半导体制成，采用不同的材料，可分别得到红、黄、绿、橙色光和红外光。常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等。制作材料决定光的颜色(光谱的波长)。

特点：通以正向电流发光，光亮度随着电流的增大而增强，工作电流为几个毫安到几十毫安，典型工作电流为10mA左右。正向导通电压较大。

用途：一般作为电子产品的指示灯

3) 光电二极管

电路符号：在普通二极管电路符号的边上加两个朝向管子的箭头。

原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流;有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件

特点：无光照时与普通二极管一样具有单向导电性。使用时，光电二极管的PN结应工作在反向偏置状态，在光信号的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升(这时的反向电流叫光电流)。光电流也与入射光的波长有关。

用途：用于测量光照强度、做光电池。

4) 变容二极管

电路符号：在普通二极管电路符号的边上加一个电容符号。

原理：当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN(正负极)结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应;当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

用途：用于电子调谐、调频、调相和自动控制电路等.

5) 肖特基二极管

电路符号：与普通二极管的电路符号稍有区别。

原理：贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。

特点：为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0.4V左右。

用途：多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。

文章至此，二极管的工作原理就介绍完了。

二极管的工作原理

二极管的工作原理图解

二极管的工作原理图解

二极管的工作原理图解，可能很多人都没有听说过二极管，二极管其实在我们的生活中是一种比较常见的东西，我们的灯泡、屏幕等等都是由二极管制成，那二极管的工作原理图解是什么，一起来看看吧。

二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的。

二极管工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

N型、P型其实是针对载流子来说的，载流子分为电子和空穴，如果材料以电子载流子导电为主那么就叫N型，如果以空穴载流子导电为主那么就叫P型。因为电子带负电，所以N是negaTIve的缩写;而空穴带正电，所以P是posiTIve的缩写。

PN二极管正向导电性

在PN结两端外加电压，称为给PN结以偏置电压，给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置。反之为反向偏置。

PN结正向偏置

由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时PN结处于正向导通状态

2、PN结反向偏置

给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源负极，称PN结反向偏置（简称反偏）

由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，阻碍了多子的扩散运动

二极管的结构主要是有PN结组成，二极管工作过程中所冲团森产生的正向导向性是是有PN结宽度的增减决定的。

外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，阻碍电子扩散，形成反向电流微弱。

一、概述

发光二极管在我们生活中是比较常见的，比如说：商业的走字灯，交通灯，LED屏幕，LED灯泡等等。二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的，半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间或启，一百多年前就有这个东西了，是半导体器件家族中的元老了。

发光二极管只是二极管其中之一，还有许多不同用途的`二极管：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等。整流二极管在我们生活中比较常见，都用在交流转直流的电路中：手机充电器，电脑充电器，电动车充电器等等。

二、PN结

上面说到的那些二极管它们都有一个共同的性能，单向导电性，就是说电流只能从二极管的阳极进去，负极出去，反过来就不行了。为什么呢？二极管中有个叫PN结的东西，就是它阻止了电流逆流。接下来小马哥就给小伙伴们讲讲PN 结。

自然界中的物质，按照不同的导电性能分为了导体、半导体和绝缘体，半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有四价硅和锗（zhě）。什么是四价啊，就是最外层有四个电子。纯净的半导体又称为本征半导体，其导电能力较差，不能直接用来制造半导体器件，在本征半导体一边中用扩散工艺掺入三价元素（硼），另一边掺入五价元素（磷），就是把原来少量的硅原子或者锗原子替代了。

三价元素（硼），最外层只有三个电子，然而硅和锗有外层有四个电子，少了一个怎么办呀？那就形成了空穴，这个就是P型半导体。于是，P型半导体就成为了含空穴浓度较高的半导体。

五价元素（磷）有五个电子，多一个怎么办？多出的一个电子几乎不受束缚，它就自由了，叫它自由电子，这个就是N型半导体。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。

扩散运动和漂移运动

P型半导体和N型半导体结合后，P区内空穴和N区散亩内自由电子多称为多子，P区内自由电子和N区内空穴几乎为零称为少子，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。

由于P区的空穴浓度比N区高，空穴就往N区扩散，而N区的自由电子浓度比P区高，自由电子往P区扩散，就像一滴墨水滴在清水中，墨水本身浓度高，就往周围扩散，这就是扩散运动，P区的空穴和N区的自由电子就可能相遇，然后复合。什么是复合啊，把空穴比作房子，房子里面要住人啊，这时候自由电子就比作人了，然后他们就结合成一体了。

P区和N区里面的杂质离子不能任意移动，为啥呀？因为杂质离子被周围的硅原子或者锗原子束缚了。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了。

P区和N区里面的杂质离子相互作用，N区杂质离子带正电荷，P区杂质离子带负电荷，在空间电荷区形成了内电场，扩散运动的进行使空间电荷区变宽，内电场也变强了。

这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行，扩散就不容易进行下去；另一方面使空穴（少子）从N区往P区漂移，自由电子从P区往N区漂移，这个漂移可不是汽车漂移，是受N区高电势，P区低电势的内电场影响产生漂移，叫做少子漂移。

慢慢的空间电荷区就稳定了。总结来说多子运动叫做扩散运动，少子运动就是漂移运动，当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。在PN结加上相应的电级引线和管壳，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极，由N区引出的电极成为了负极。

三、导通和截止

当PN结加正向导通电压就是把P区引脚加电源正极，N区引脚连接电源负极。电流方向由P区流向N区和PN 结内部的内电场相反，当电压大于内电场电压时，外部的电源抵消了其内电场。

内电场抵消了，有利于扩散运动的进行，空间电荷区慢慢变成了P区和N区，当空间电荷区越来越薄，直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流，这时候二极管也就导通了，这时候的电压称为导通电压。

反之把P区引脚加电源负极，N区引脚连接电源正极，这时候电流流动的方向和内电场的方向相同，增强了内电场使得空间电荷区变宽，空穴会被拉向P区的方向，电子会被拉向N区的方向，从而阻止了扩散运动，形成了反向漏电流，由于电流非常小，这就是截止状态。

反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁，这时候的电压成为击穿电压，这时候二极管就没用了。

二极管加正向偏置电压，死区OA区，由于正向电压比较小，二极管不导通，几乎没有电流，呈高阻状态，此时二极管两端的电压为死区电压，硅二极管为0.5V（锗管为0.1v），当正向电压高于一定的数值后，二极管中的电流随着电压的升高而增大，二极管导通，这时候的电压称为导通电压，也叫门槛电压。

硅管导通电压为0.6V（锗管为0.2v），导通时二极管两端的电压保持不变，硅管0.7V（锗管为0.3v），这时候称为正向压降。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，PN结掺杂不同的化合物发出的光也不同，比如说镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等。然后加上引脚，用环氧树脂封装起来，通上正向电压发光二极管就这样发光了。

稳压二极管利用了二极管反向击穿的特性，稳压二极管都是串联在电路中，当稳压二极管被击穿，尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压上下。

在接二极管还要注意正负极，一般看外观来说，长引脚为正极，短引脚为负极，有些二极管的表面会有图形符号用万用表也可以测，把万用表调到二极管档，红黑表笔分别接二极管的两端，若此时万用表的读数小于1，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极。若读数为“1”，则黑表笔一端为正极。