二極管是用半導(dǎo)體材料制成的一種電子器件，由PN結(jié)、外部引線、管殼封裝而成，文字符號(hào)為VD。二極管有兩個(gè)電極，由P區(qū)引出的電極稱為陽極（正極），由N區(qū)引出的電極稱為陰極（負(fù)極）；因?yàn)镻N結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導(dǎo)通時(shí)電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。
二極管的主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，其本質(zhì)是在外加正向電壓的作用下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)的電子在不斷進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，兩者與PN結(jié)處中的正負(fù)離子不斷進(jìn)行中和，從而使PN結(jié)范圍不斷變窄，最后導(dǎo)通。
作為最基礎(chǔ)的分立器件，二極管在幾乎所有電子電路中都有用處，二極管的單向?qū)щ娦裕茉陂_關(guān)電路、保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路等各種場景中發(fā)揮作用。隨著需求的不斷更新和發(fā)展，二極管自身也發(fā)展出各式各樣的形態(tài)，以下為十余種常見、常用二極管的電路圖表示法：
二極管的核心是PN結(jié)，這一結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，要從晶圓工藝方面去理解。半導(dǎo)體硅晶圓按照摻雜物質(zhì)的不同，分為N型晶圓和P型晶圓。N型晶圓是通過將硅晶體與摻有額外自由電子的元素（通常是磷或砷）摻雜制成的，能在硅晶體中增加額外的自由電子。P型晶圓是通過將硅晶體與摻有可以接受電子的元素（通常是硼）摻雜制成的，硅晶體中的自由電子數(shù)量減少，產(chǎn)生了“空穴”或正電荷空間。
進(jìn)入半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散摻雜工序，N型材料與P型材料按照不同比例摻雜，可調(diào)整硅材阻值，這就是制造二極管、晶體管等集成電路基本結(jié)構(gòu)的初始材料。
從分立向集成的發(fā)展
回顧集成電路的發(fā)展史，早在1950年代，電子設(shè)備中的真空管逐漸被晶體管等取代，二極管等基本的電路器件都開始以晶體管形式制造。相比原先的真空管，晶體管在體積、壽命方面都有了長足進(jìn)步，但器件各自分立，所構(gòu)造出的電路還是過于龐雜。面對這種情況，德州儀器的工程師杰克·基爾比把二極管、三極管、電阻、電容等器件排布在同一塊襯底上，并加以連接，這就是最初的集成電路（IC），這毫無疑問是具有劃時(shí)代意義的發(fā)明。
基爾比的集成電路是以鍺（Ge）材料為基礎(chǔ)，基本是在同時(shí)期，仙童半導(dǎo)體的羅伯特·諾伊斯開發(fā)出了基于硅（Si）材料的集成電路。相比基爾比的電路對各個(gè)部分采用飛線連接，諾伊斯則是在同一硅片上直接構(gòu)造出各個(gè)器件。實(shí)際上諾伊斯的發(fā)明更接近今天意義上的“芯片”，首先材料是硅，制造工藝則是類似于晶體管平面工藝。
基爾比與諾伊斯的集成電路對比 來源：互聯(lián)網(wǎng)
隨著晶體管制程的不斷微縮，我們得以在更小的芯片面積上，集成更多的基本結(jié)構(gòu)。以我們當(dāng)今的產(chǎn)品為例，從這枚LM158運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)圖中，即可看到有二極管、三極管、電阻等基本結(jié)構(gòu)，電子工程師可通過此圖了解產(chǎn)品具體構(gòu)造及工作原理，進(jìn)而合理使用。
ST品牌LM158放大器結(jié)構(gòu)圖 來源：該產(chǎn)品Datasheet
結(jié)語
二極管作為重要的分立器件，在各種電路中都能找到其身影。而在集成電路中，它也是重要的基本結(jié)構(gòu)。IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今天，在各類集成電路的結(jié)構(gòu)中，都能找到二極管的身影。了解二極管，有助于我們更深入地理解集成電路，從最基本的結(jié)構(gòu)層級(jí)出發(fā)，掌握各種器件的工作原理。
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