二極管

功能

二極體具有陽極和陰極兩個端子，電流只能往單一方向流動。也就是說，電流可以從陽極流向陰極，而不能從陰極流向陽極。對二極體所具備的這種單向特性的應用，通常稱之為「整流」功能。在真空管內，藉由電極之間加上的電壓能夠讓熱電子從陰極到達陽極，因而有整流的作用。將交流電轉變為脈動直流電，包括無線電接收器對無線電訊號的調制，都是通過整流來完成的。
因為其順向流通逆向阻斷的特點，二極體可以想成電子版的逆止閥。然而實際上，二極體並不會表現出如此完美的開關性，而是呈現出較為複雜的非線性電子特徵——這是由特定類型的二極體技術決定的。一般來說，只有在順向超過障壁電壓時，二極體才會工作（此狀態被稱為順向偏壓）。一個順向偏壓的二極體兩端的電壓降變化只與電流有一點關係，並且是溫度的函數。因此這一特性可用於溫度傳感器或參考電壓。
半導體二極體的非線性電流-電壓特性，可以根據選擇不同的半導體材料和摻雜不同的雜質從而形成雜質半導體來改變。特性改變後的二極體在使用上除了用做開關的方式之外，還有很多其他的功能，如：用來調節電壓（稽納二極體），限制高電壓從而保護電路（雪崩二極體），無線電調諧（變容二極體），產生射頻振盪（隧道二極體、耿氏二極體、IMPATT二極體）以及產生光（發光二極體）。
半導體二極體中，有利用P型和N型兩種半導體接合面的PN接面效應，也有利用金屬與半導體接合產生的蕭特基效應達到整流作用的類型。若是PN接面型的二極體，在P型側就是陽極，N型側則是陰極。

歷史

20世紀初，由於無線電接收器探測器的需要，熱離子二極體（真空管）和固態二極體（半導體二極體）大約在相同的時間分別研發。直到20世紀50年代之前，真空管二極體在收音機中都更為常用。這是因為早期的點接觸式半導體二極體（貓鬚探測器）並不穩定，並且那時大多數的收音機放大器都是由真空管制成，二極體可以直接放入其中。而且那時真空管整流器和充氣整流器處理一些高電壓、高電流整流任務的能力更是遠在半導體二極體（如硒整流器）之上。

真空管的發現

1873年，弗雷德里克·格思里（Frederick Guthrie）發現了熱離子二極體的基本操作原理。他發現了當白熱化的接地金屬接近帶正電的驗電器時，驗電器的電會被引走；然而帶負電的驗電器則不會發生類似情況。這表明了電流只能向一個方向流動。
1880年2月13日，托馬斯·愛迪生也發現了這一規律。當時，愛迪生正在研究為什麼他的碳絲燈泡的燈絲幾乎總是在正極端燒斷。他有一個密封了金屬板的特殊玻璃外殼燈泡。利用這個裝置，他證實，發光的燈絲會有一種無形的電流穿過真空與金屬板連接，但只有當板被連接到正電源時才會發生。愛迪生隨即發明了一種電路，他的特殊燈泡有效地取代了直流電壓表中的電阻。在1884年，愛迪生被授予了此項發明的專利。由於當時這種裝置實際上並不能看出實用價值，這項專利更多地是為了防止別人聲稱最早發現了這一所謂「愛迪生效應」。
20年後，約翰·弗萊明（愛迪生前雇員）發現了這一效應的實用價值，它可以用來製作精確檢波器。1904年11月16日，第一個真正的熱離子二極體——弗萊明管，由弗萊明在英國申請了專利 。

固態二極體

1874年，德國物理學家卡爾·布勞恩發現了晶體的「單向傳導」的能力，並在1899年將晶體整流器申請了專利。氧化亞銅和硒整流器則是在1930年代為了供電應用而發明的。
印度人賈格迪什·錢德拉·博斯在1894年成為了第一個使用晶體檢測無線電波的科學家。他也在厘米和毫米級別對微波進行了研究。1903年，格林里夫·惠特勒·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard）發明了矽晶檢波器，並在1906年11月20日註冊了專利。也正是因為格林里夫，使得晶體檢波器發展成了可實用於無線電報的裝置。其他實驗者嘗試了多種其他物質，其中最廣泛使用的是礦物方鉛礦（硫化鉛），因它價格便宜且容易獲取。在這些早期的晶體收音機集的晶體檢波器包括一個可調節導線的點接觸設備（即所謂的「貓須」）。可以通過手動調節晶體表面上的導線，以獲得最佳的訊號。這個較為麻煩的設備在20世紀20年代由熱離子二極體所取代。20世紀50年代，高純度的半導體材料出現。因為新出現的鍺二極體價格便宜，晶體收音機重新開始被大規模使用。貝爾實驗室還開發了鍺二極體微波接收器。20世紀40年代中後期，美國電話電報公司在美國四處新建的微波塔上開始應用這種微波接收器，主要用於傳輸電話和網絡電視訊號。不過貝爾實驗室並未研發出效果令人滿意的熱離子二極體微波接收器。

辭源

在最初被發明的那個年代，二極體通常被稱作「整流器」。在1919年四極管被人發明後，威廉·亨利·埃克爾斯創造了術語Diode，是從希臘語詞根（δί，di，「二」）和（ὁδός，ode，「路徑」）兩者結合而來的。
儘管二極體基本都有著「整流」作用，但是現在「整流器」一詞通常在特定情況下才會被使用。如電源供應所需要的「半波整流」或「全波整流」設備；或者是陰極射線管所需的高壓電續流二極體。

熱離子二極體

一個熱離子二極體就是一個真空管（也稱「電子管」），由一個包含著兩個電極的密封真空玻璃殼組成：由燈絲加熱的陰極，和一個陽極。早期產品的外觀和現在的白熾燈泡相當類似。
在操作中，一個單獨的電流通過由鎳鉻合金製成的高電阻燈絲（加熱器），將陰極加熱到紅熱狀態（800-1000℃）後可導致它釋放電子到真空。這一過程即熱發射。陰極通常塗有鹼土金屬氧化物，如鋇或鍶的氧化物。因為它們具有較低的功函數，可使發射的電子數量增加。有些真空管則直接加熱鎢絲，鎢絲則既作為加熱器也是陰極本身。交流電會在負極及與其同心的陽極板之間整流，當板子帶正電時，靜電會從負極處吸引電子。所以電子即從陰極連通到陽極成為了電流。然而當極性反轉陽極板帶有負電時，陽極板不會發無線電子，而陰極也並不會吸引電子，因而沒有電流會產生。如此則保證了電流的單向流通，即從陰極流向陽極板。
在汞弧閥（具有冷陰極的汞蒸氣離子閥）中，一種難熔的導電陽極與一池作為陰極的液態汞之間會形成電弧，電壓單位可達數百千瓦，這對高壓直流輸電的發展起到了促進作用。一些小型的熱離子整流器有時候也用汞蒸氣填充，以減少他們的順向壓降並增加這種熱離子強真空器件的電流額定值。
整個真空管時代，這種二極體應用於類比訊號，並在消費電子產品（如收音機、電視機、音響系統）的直流供電設備中當做整流器。20世紀40年代，在那些供電設備內的真空管開始被硒整流器所替代，然後在1960年代又被半導體二極體替代。如今，二極體仍然在一些高功率應用場合中使用，由於能夠承受瞬變和較好的魯棒性，使得他們比半導體器件的優勢能夠顯現出來。尤其是音頻處理上，真空管基本不存在瞬態互調失真、開關失真及交越失真等影響音質的問題。因此近年來，在音響發燒友和錄音棚所用的音頻設備中，應用真空二極體的老式音頻設備有回潮的跡象，如家用音響系統甚至是吉他效果器。

圖標

電路圖中用於二極體的圖標如下圖表所示。

點接觸式二極體

點接觸式二極體和下文所述的面接觸式二極體工作原理類似，不過構造較為簡單。主要結構即為一個由第三主族金屬製成的導電的尖端，和一塊與其相接觸的N型半導體。一些金屬會進入半導體，接觸面的這一小片區域就成為了P型半導體。長期流行的1N34鍺型二極體，目前還在無線電接收器中的檢波器中使用，並有時會在一些應用類比電子的場合使用。

面接觸式二極體

面接觸式PN接面二極體是由一塊半導體晶體製成的。不同的摻雜製程可以使同一個半導體（如本徵矽）的一端成為一個包含負極性載子（電子）的區域，稱作N型半導體；另一端成為一個包含正極性載子（電洞）的區域，稱作P型半導體。兩種材料在一起時，電子會從N型一側流向P型一側。這一區域電子和電洞相互抵銷，造成中間區域載流子不足，形成「空乏層」。在空乏層內部存在「內電場」：N型側帶正電，P型側帶負電。兩塊區域的交界處為PN接面，晶體允許電子（外部來看）從N型半導體一端，流向P型半導體一端，但是不能逆向流動。

整流動作

當二極體兩邊施加電壓時，空乏區的寬度，PN接面勢壘高低均會發生變化，導致二極體的電阻發生變化。

順向偏壓（Forward Bias）

二極體的陽極側施加正電壓，陰極側施加負電壓，這樣就稱為順向偏壓，所加電壓為順向偏壓。如此N型半導體被注入電子，P型半導體被注入電洞。這樣一來，讓多數載流子過剩，空乏層縮小、消滅，正負載流子在PN接合部附近結合並消滅。整體來看，電子從陰極流向陽極（電流則是由陽極流向陰極）。在這個區域，電流隨著偏壓的增加也急遽地增加。伴隨著電子與電洞的再結合，兩者所帶有的能量轉變為熱（和光）的形式被放出。能讓順向電流通過的必要電壓被稱為開啟電壓，特定順向電流下二極體兩端的電壓稱為順向壓降。

逆向偏壓（Reverse Bias）

在陽極側施加相對陰極負的電壓，就是逆向偏壓，所加電壓為逆向偏壓。這種情況下，因為N型區域被注入電洞，P型區域被注入電子，兩個區域內的主要載流子都變為不足，因此結合部位的空乏層變得更寬，內部的靜電場也更強，擴散電位也跟著變大。這個擴散電位與外部施加的電壓互相抵銷，讓逆向的電流更難以通過。更多的細節請參閱「PN接面」條目。
實際的元件雖然處於逆向偏壓狀態，也會有微小的逆向電流（飽和電流、漏電流、漂移電流）通過。當逆向偏壓持續增加時，還會發生隧道擊穿或雪崩擊穿或崩潰，發生急遽的電流增加。開始產生這種擊穿現象的（逆向）電壓被稱為崩潰電壓。超過崩潰電壓以後逆向電流急遽增加的區域被稱為擊穿區（崩潰區）。在擊穿區內，電流在較大的範圍內變化而二極體逆向壓降變化較小。穩壓二極體就利用這個區域的動作特性而製成，可以作為電壓源使用。

接面電壓

當二極體的P-N接面處於順向偏壓時，必須有相當的電壓被用來貫通空乏區，導致形成一逆向的電壓源，此電壓源的電壓就稱為障壁電壓，矽二極體的障壁電壓約0.6V～0.7V，鍺二極體的障壁電壓約0.3～0.4V