半导体电子学/二极管
二极管是一种奇妙的器件，它只允许电流在一个方向上通过。二极管不一定由半导体制成，它可以用真空管技术或电磁开关或晶体制成。我们在这里只关注半导体二极管。
半导体电子学中的二极管部分向读者介绍了什么是二极管？它是如何工作的？它如何失效？它阐述了二极管工作背后的物理和科学原理。
二极管可用于各种应用，如电压整流和稳压、电压削波和箝位、制作数字逻辑电路、调制、光伏等。发光二极管（LED）用于在电磁频谱的可见光和不可见光区域产生光。许多国家已将他们的交通信号灯切换到 LED，以提高运行效率。PIN 二极管用于从光中产生电力，它们构成了大部分太阳能电池。除此之外，二极管还有许多其他应用，我的知识有限，未能注意到。
要成为一名成功的电子工程师，必须掌握工作二极管背后的知识、数学和科学原理。
二极管是由两个等效掺杂的 P 型和 N 型半导体连接而成的。当它们连接在一起时，会发生一个有趣的现象。P 型半导体具有过量的空穴，并带有正电荷。N 型半导体具有过量的电子。在 P 型和 N 型区域接触点，P 型中的空穴吸引 N 型材料中的电子。因此，电子扩散并占据 P 型材料中的空穴。导致靠近结点的 N 型区域失去电子，表现为本征半导体材料，在 P 型中，一个小的区域被空穴填充并表现为本征半导体。
这个薄的本征区域被称为耗尽层，因为它缺乏电荷（参见上图），因此具有很高的电阻。正是这个耗尽层阻止了多数载流子的进一步扩散。从物理意义上讲，耗尽层的尺寸非常薄。
当二极管处于零偏置状态时，即没有偏置，它就保持不变。几乎没有电流通过二极管。但是，如果你连接二极管的阳极和阴极，你可能能够观察到微不足道的电压或电流。这是因为我们环境中默认存在的电磁频谱（微波背景、热量、光、无线电波）会击落构成电流的半导体晶格中的电子。出于实际原因，这种电流可以认为是零。
在反向偏置中，P 型区域连接到负电压，N 型区域连接到正极，如上图所示。在这种情况下，P 型中的空穴被来自电池/电池的电子填充（换句话说，空穴被吸出二极管）。N 型材料中的电子被电池的正极吸出二极管。因此，二极管变得缺乏电荷。因此，最初耗尽层会变宽（参见上图），并占据整个二极管。二极管提供的电阻非常大。反向偏置中流过的电流仅由少数载流子引起，在硅中为纳安培，在高功率硅和锗二极管中为微安培。
在正向偏置中，二极管的 P 区连接到电池的正极，N 区连接到负极。在正向偏置期间，会发生以下过程。电池的正极将更多的空穴泵入二极管的 P 区。负极将电子泵入 N 区。P 和 N 区的过量电荷会对耗尽层施加压力，使其收缩。随着电压升高，耗尽层会越来越薄，因此二极管的电阻会越来越小。由于电阻降低，电流会增加（虽然不按比例）到所施加的电压。
在某个特定的电压水平 Vf（称为阈值/触发/截止电压）时，耗尽层会消失（被电荷淹没），因此从这一点开始，二极管开始非常容易地导通。从这一点开始，二极管电流随所施加的电压呈指数增长。
理想二极管具有以下特性。
- 零正向电阻。理想二极管的正向电阻为零。这意味着如果电流通过二极管，它不会产生热量损失。换句话说，理想二极管在其正向偏置状态下就像电路中的闭合开关。
- 无穷反向电阻
- 零饱和电流 IS
- 无限工作范围
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