半導體電子學/二極體
二極體是一種奇妙的器件，它只允許電流在一個方向上透過。二極體不一定由半導體制成，它可以用真空管技術或電磁開關或晶體制成。我們在這裡只關注半導體二極體。
半導體電子學中的二極體部分向讀者介紹了什麼是二極體？它是如何工作的？它如何失效？它闡述了二極體工作背後的物理和科學原理。
二極體可用於各種應用，如電壓整流和穩壓、電壓削波和箝位、製作數字邏輯電路、調製、光伏等。發光二極體（LED）用於在電磁頻譜的可見光和不可見光區域產生光。許多國家已將他們的交通訊號燈切換到 LED，以提高執行效率。PIN 二極體用於從光中產生電力，它們構成了大部分太陽能電池。除此之外，二極體還有許多其他應用，我的知識有限，未能注意到。
要成為一名成功的電子工程師，必須掌握工作二極體背後的知識、數學和科學原理。
二極體是由兩個等效摻雜的 P 型和 N 型半導體連線而成的。當它們連線在一起時，會發生一個有趣的現象。P 型半導體具有過量的空穴，並帶有正電荷。N 型半導體具有過量的電子。在 P 型和 N 型區域接觸點，P 型中的空穴吸引 N 型材料中的電子。因此，電子擴散並佔據 P 型材料中的空穴。導致靠近結點的 N 型區域失去電子，表現為本徵半導體材料，在 P 型中，一個小的區域被空穴填充並表現為本徵半導體。
這個薄的本徵區域被稱為耗盡層，因為它缺乏電荷（參見上圖），因此具有很高的電阻。正是這個耗盡層阻止了多數載流子的進一步擴散。從物理意義上講，耗盡層的尺寸非常薄。
當二極體處於零偏置狀態時，即沒有偏置，它就保持不變。幾乎沒有電流透過二極體。但是，如果你連線二極體的陽極和陰極，你可能能夠觀察到微不足道的電壓或電流。這是因為我們環境中預設存在的電磁頻譜（微波背景、熱量、光、無線電波）會擊落構成電流的半導體晶格中的電子。出於實際原因，這種電流可以認為是零。
在反向偏置中，P 型區域連線到負電壓，N 型區域連線到正極，如上圖所示。在這種情況下，P 型中的空穴被來自電池/電池的電子填充（換句話說，空穴被吸出二極體）。N 型材料中的電子被電池的正極吸出二極體。因此，二極體變得缺乏電荷。因此，最初耗盡層會變寬（參見上圖），並佔據整個二極體。二極體提供的電阻非常大。反向偏置中流過的電流僅由少數載流子引起，在矽中為納安培，在高功率矽和鍺二極體中為微安培。
在正向偏置中，二極體的 P 區連線到電池的正極，N 區連線到負極。在正向偏置期間，會發生以下過程。電池的正極將更多的空穴泵入二極體的 P 區。負極將電子泵入 N 區。P 和 N 區的過量電荷會對耗盡層施加壓力，使其收縮。隨著電壓升高，耗盡層會越來越薄，因此二極體的電阻會越來越小。由於電阻降低，電流會增加（雖然不按比例）到所施加的電壓。
在某個特定的電壓水平 Vf（稱為閾值/觸發/截止電壓）時，耗盡層會消失（被電荷淹沒），因此從這一點開始，二極體開始非常容易地導通。從這一點開始，二極體電流隨所施加的電壓呈指數增長。
理想二極體具有以下特性。
- 零正向電阻。理想二極體的正向電阻為零。這意味著如果電流透過二極體，它不會產生熱量損失。換句話說，理想二極體在其正向偏置狀態下就像電路中的閉合開關。
- 無窮反向電阻
- 零飽和電流 IS
- 無限工作範圍
- 整流基礎: 電子學入門