二极管是啥都不知道？还当什么电子工程师，此文满足我的好奇心！

小伙伴们，大家好！我是小马哥。昨天和几个朋友一起吃饭，聊天过程中说到了二极管，旁边一妹子突然来了一句，二极管是啥，在做的几位顿时语噻，支支吾吾：灯泡？LED？发光管？反正傻傻说不清楚，其中还有一位是学电子的，说起二极管，大家都想起这个吧。

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，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。

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。

P型半导体和N型半导体结合后，P区内空穴和N区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。

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。

好了二极管PN结介绍完了，由于篇幅有限，至于二极管为什么会发出不同颜色的光，还能不停的闪来闪去等等咱们下一期再介绍！

到底什么是电子管（真空管）？

1883年，著名发明家托马斯·爱迪生（Thomas Edison） 在一次实验中，观察到一种奇怪现象。

当时，他正在进行灯丝（碳丝）的寿命测试。在灯丝旁边，他放置了一根铜丝，但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说，铜丝没有通电。

碳丝正常通电后，开始发光发热。过了一会，爱迪生断开电源。他无意中发现，铜丝上竟然也产生了电流。

爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因，但是，作为一个精明的“商人”，他想到的第一件事，就是给这个发现申请专利。他还将这种现象，命名为“爱迪生效应” 。

爱迪生

现在我们知道，爱迪生效应的本质，是热电子发射。也就是说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流。

爱迪生申请专利之后，并没有想到这个效应有什么用途，于是将其束之高阁。

1884年，爱迪生电光公司的技术顾问、英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明 （John Ambrose Fleming）访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了自己发现的爱迪生效应，给弗莱明留下了深刻的印象。

弗莱明

这个弗莱明，大家应该也比较熟悉。他是一个电学专家，也是一个电机工程师，我们中学经常使用的右手定则，就是他发明的。

除了传统电学之外，弗莱明其实还有一个强项，那就是无线电磁学。他年轻的时候，曾经师从麦克斯韦，专门学习无线电磁理论。麦克斯韦临终前上课，只有两个学生来听，其中一个，就是弗莱明。

弗莱明观摩了爱迪生效应的演示后，也没有想到这个效应到底能用来干啥。事实上，等到他真正用到它，已经是十几年后。

1896年，意大利人伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi） 成功取得了世界上第一个无线电报系统专利，从而将人类带入无线通信时代。

马可尼

1899年，马可尼决定尝试横跨大西洋的远程无线电通信。为了完成这个壮举，他找来了弗莱明，和他签约，请他帮忙改进自己的无线电发射机和接收机。

弗莱明也确实没有辜负马可尼的期望，大幅改进了马可尼的设计，帮助实现了跨大西洋无线通信实验。（可惜，马可尼刻意对外隐瞒了弗莱明的贡献，还“忘记”了自己承诺要给弗莱明的500股股票奖励，把弗莱明气得半死。）

弗莱明在改进无线通信系统的时候，遇到了很多技术挑战。其中，最大的挑战，就是无线信号的接收。

简单来说，就是在接收端，如何检波信号 ，放大信号 ，让信号能够被完美解读。

放大信号大家都懂，那什么是检波信号呢？

所谓信号检波，其实就是信号筛选。天线接收到的信号，是非常杂乱的，什么信号都有。我们真正需要的信号（指定频率的信号），需要从这些杂乱信号中“过滤”出来，这就是检波。

想要实现检波，单向导通性（单向导电）是关键。

大家都知道，无线电磁波是高频振荡，每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流，也随着“正、负、正、负”不断变化，如果我们用这个电流去驱动耳机，一正一负就是零，耳机就没办法反应出信号。

采用单向导电性，正弦波的负半周 就没有了，全部是正的，电流方向一致，把高频过滤掉之后，耳机就能够轻松体现出电流的变化。

去掉负半周，电流方向变成一致的，容易解读

在这里，我要先给大家介绍一样东西——矿石检波器 。

1874年，德国科学家卡尔·布劳恩 （Karl Ferdinand Braun）发现，有一些天然矿石（金属硫化物）具有电流单向导通的特性，可以用于整流（将交流电变成直流电）。

1894年，英属印度物理学家贾格迪什·钱德拉·博斯 （Jagadish Chandra Bose）基于卡尔·布劳恩的发现，利用方铅矿（硫化铅）的单向导电性，制成了世界上第一个检波器——矿石检波器 。

1900年，美国人格林里夫·惠特勒·皮卡德 （Greenleaf Whittier Pickard），基于矿石检波器，成功制造了世界上第一个矿石收音机。这为后来无线电广播的迅速普及奠定了基础。

弗莱明在研究如何改进无线电接收机的时候，采用了矿石检波器。但是，他想起了之前的爱迪生效应，他想到——是不是可以基于爱迪生效应的电子流动，设计一个新型的检波器呢？

就这样，1904年，世界上第一只真空电子二极管 ，在弗莱明的手下诞生了。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管，vacuum tube，也就是电子管，有时候也叫“胆管”。）

弗莱明发明的二极管

弗莱明的二极管，结构其实非常简单，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极：一个阴极（Cathode），加热后可以发射电子；一个阳极（Anode），接收电子。

旁热式二极管

玻璃管里之所以要抽成真空，是为了防止发生气体电离 ，对正常的电子流动造成影响，破坏特性曲线。（抽成真空，还可以有效降低灯丝的氧化损耗。）

二极管的出现，解决了检波和整流需求。但是，它还有改进的空间。

1899年，马可尼应邀到美国做无线电通讯表演。他的表演，吸引了一个年轻人的关注。这个年轻人，就是刚刚获得博士学位的德福雷斯特 （De Forest Lee）。

德福雷斯特

德福雷斯特为马可尼的无线电感到着迷。于是，他投递简历，想要加入马可尼的公司。结果，遭到拒绝。

被拒绝之后，德福雷斯特没有放弃，而是继续研究无线电通信。他的目光，放在了弗莱明的二极管上。

1906年，德·福雷斯特在真空二极电子管里，巧妙地加了一个栅板（“栅极”），发明了真空三极电子管 。

德·福雷斯特发明的三极管

栅板的主要作用，是控制电流。

栅极上很小的电流变化，能引起阳极很大的电流变化，而且，变化波形与栅极电流完全一致。所以， 三极管有信号放大的作用 。

现在看来，真空三极管的发明，是电子工业领域的里程碑事件。

这个小小的元件，集检波、放大和振荡三种功能于一体，为电子技术的发展奠定了基础。

一开始的三极管是单栅，后来变成了两个板子夹在一起的双栅，再后来，干脆变成了整个包起来的围栅

真空管

真空三极管是那一时期电子工业的心脏。基于它，我们才有了性能越来越强大的广播电台、收音机、留声机、电影、电台、雷达、无线电对讲等。

真空管收音机的内部构造（可以看到很多个真空管）

德·福雷斯特发明了三极管之后，很快陷入与弗莱明以及马可尼公司的专利官司。

双方互相起诉，弗莱明认为德·福雷斯特侵犯了自己的二极管专利，而德·福雷斯特则认为自己的改进很大，足以形成新的专利。官司打了很久，最终，双方达成和解，相互授权对方生产二极管（三极管）。

三极管诞生后，因为能放大信号，所以受到了美国通信巨头AT&T公司的关注。

当时，AT&T公司打算建造一条连接美国东西海岸的跨大陆电话线，急需解决信号放大问题。在没有三极管之前，放大信号只能用中继器，但是中继器的效果不好，且成本较高。

三极管的出现，给AT&T公司带来了新的选项。

1913年7月，经过一番讨价还价，AT&T公司以39万美元的价格，买下了德·福雷斯特的三极管专利。

再后来，AT&T认识到电子管这类基础研究对于产业发展的重要作用，于1925年正式成立了“贝尔电话实验室公司”。这个公司，就是后来大名鼎鼎的贝尔实验室。

1912—1920年，美国西电公司（Western Electric，简称WE）研制出具有实用性的球形电子三极管，发烧友称之为“洋葱头”电子管。

1924年，美国RCA公司（Radio Corporation of America）研制出效率较高的三极真空电子管。这种古典管在第一次世界大战中得到广泛应用。

1919年，德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法。这个想法被英国的朗德在1926年实现。这就是后来的四极管。再后来，荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管。

到了20世纪40年代，计算机技术研究进入高潮。人们发现，电子管的单向导通特性，可以用于设计一些逻辑电路（例如与门电路、或门电路）。于是，他们开始将电子管引入计算机领域。

1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人，共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC） 。

大家应该都知道埃尼阿克。这台钢铁巨兽，使用了18000多只电子管，重130多吨，占地面积170多平方米，每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的计算任务，ENIAC只需要3秒钟，在当时堪称奇迹。

上世纪40-50年代，电子管的发展达到了高潮。但是，随着技术的进步，人们发现，电子管已经无法满足产品设计的需求。

一方面，电子管容易破损，故障率高，另一方面，电子管需要加热使用，很多能量都浪费在发热上，也带来了极高的功耗。

所以，人们开始思考——是否有更好的方式，可以实现电路的检波、整流和信号放大呢？

答案是肯定的，于是人们开启了晶体管的新纪元。

参考文献：

1、Leo的微电子学习笔记，黎翱白Leobai，B站；

2、从上海发迹的中国收音机百年史，戴辉；

3、从电子管到晶体管，解码科技史，央视；

4、真空二极管的工作原理，IC先生；

5、第一块晶体管背后的故事，中科大胡不归；

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来源： 鲜枣课堂

编辑：老头

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