半导体基础知识
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。
两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
？问题：
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？
结论：
• 对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子 的浓度就越低。
• 多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度， 故受温度变化的影响很小；
• 少子由本征激发而成，尽管其浓度很低， 但温度变化时，其浓度的变化很大。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
第一章 半导体二极管和三极管
本章主要内容：半导体基础知识；半导体
二极管；晶体三极管；场效应管
重点掌握：1.半导体器件的外特性； 2.器件的主要参数
§1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电扩散荷运运动动，空间电荷区的厚 度固定不变。
漂移运动
因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
问题：杂质半导体为何呈现电中性?
• N型：自由电子数目=空穴数目+正离子数目 P型：空穴数目=自由电子数目+负离子数 目
三、PN结的形成及其单向导电性
• 按一定的制造工艺，将P、N型半导体制作 在同一块硅片上，其界面形成PN结、
1.PN结的形成：
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
本征半导体是纯净（99.99999%的晶体结构的半导体。
无杂质 四价单晶Si 、 Ge
稳定的结构
2、本征半导体的结构
补充内容： 共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
而成为自由电子
自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡
一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。（补充浓度公式）
• 故少子对器件性能的影响却不“少”。
（三）、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。
电位V
势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
二 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
（一）、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？
杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
磷（P）
（二）、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
？问题：
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴
可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼
+3
+4
原子接受电子，所以称为
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
3
硼（B）
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
半导体基础知识
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移 • 带负载能力差
第三章 门电路
3.1 概述 • 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如
与门、与非门、或门 ······
门电路中以高/低电平表 示逻辑状态的1/0
获得高、低电平的基本原理
高/低电平都允许有 一定的变化范围
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
3.2半导体二极管门电路
T1 , T2同时导通
若T1 , T2参数完全对称，VI
1 2
VDD时，VO
1 2 VDD
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内，VO 基本不变； 在输出变化允许范围内，允许输入的变化范围称为输入噪声容限
VNH VOH(min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
• 硅管，0.5 ~ 0.7V • 锗管，0.2 ~ 0.3V
• 近似认为:
• VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
iB
VBB VBE Rb
三极管的输出特性
• 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
iC f (VCE )
iC f (VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
半导体基础知识
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电
流为Izmax 。
i
I zmax
U ZW RL
25mA
1.2ui iR U zW 25R 10
——方程1
(1-37)
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
i
iL
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
R
ui
DZ
iZRL uo
i
I
zm in
U ZW RL
10mA
0.8ui iR U zW 10R 10
——方程2
联立方程1、2，可解得：
ui 18.75V, R 0.5k
(1-38)
1.3.2 光电二极管
反向电流随光照强度的增加而上升。
I U
照度增加
(1-39)
1.3.3 发光二极管
有正向电流流过 时，发出一定波长 范围的光，目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光，它的电特性与 一般二极管类似。
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
半导体的基本知识
半导体的基本知识半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
半导体的电性质可以通过施加电场或光照来改变，这使得半导体在电子学和光电子学等领域有广泛的应用。
以下是关于半导体的一些基本知识：1. 基本概念：导体、绝缘体和半导体：导体（Conductor）：电导率很高，电子容易通过的材料，如金属。
绝缘体（Insulator）：电导率很低，电子很难通过的材料，如橡胶、玻璃。
半导体（Semiconductor）：电导率介于导体和绝缘体之间的材料，如硅、锗。
2. 晶体结构：半导体通常以晶体结构存在，常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
3. 电子能带：价带和导带：半导体中的电子能带分为价带和导带。
电子在价带中，但在施加电场或光照的作用下，电子可以跃迁到导带中，形成电流。
能隙：价带和导带之间的能量差称为能隙。
半导体的能隙通常较小，这使得它在室温下就能够被外部能量激发。
4. 本征半导体和杂质半导体：本征半导体：纯净的半导体材料，如纯硅。
杂质半导体：在半导体中引入少量杂质（掺杂）以改变其导电性质。
掺入五价元素（如磷、砷）形成n型半导体，而掺入三价元素（如硼、铝）形成p型半导体。
5. p-n 结：p-n 结：将p型半导体和n型半导体通过特定工艺连接在一起形成p-n 结。
这是许多半导体器件的基础，如二极管和晶体管。
6. 半导体器件：二极管（Diode）：由p-n 结构构成，具有整流特性。
晶体管（Transistor）：由多个p-n 结构组成，可以放大和控制电流。
集成电路（Integrated Circuit，IC）：在半导体上制造出许多微小的电子器件，形成集成电路，实现多种功能。
7. 半导体的应用：电子学：微电子器件、逻辑电路、存储器件等。
光电子学：光电二极管、激光二极管等。
太阳能电池：利用半导体材料的光伏效应。
这些是半导体的一些基本知识，半导体技术的不断发展推动了现代电子、通信和计算机等领域的快速进步。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
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28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
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5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
精选课件
33
1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
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21
1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
精选课件
22
1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
半导体基础知识
半导体基础知识在现代科技的高速发展中，半导体无疑是其中一颗璀璨的明星。
从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的医疗设备、智能家电，半导体的身影无处不在。
那么，究竟什么是半导体？它又有着怎样的特性和重要作用呢？要理解半导体，首先得从物质的导电性说起。
我们知道，物质按照导电性可以大致分为导体、绝缘体和半导体三类。
导体，比如常见的金属铜、铝等，它们内部存在大量自由电子，能够很容易地传导电流。
绝缘体，像塑料、橡胶等，其内部几乎没有自由电子，电流很难通过。
而半导体则处于两者之间，它的导电性既不像导体那样良好，也不像绝缘体那样极差。
半导体的导电性能可以通过掺杂等方式进行调控。
比如，纯净的硅在常温下是一种半导体，但如果掺入少量的磷元素，就会变成 N 型半导体，其中的多数载流子是电子；如果掺入少量的硼元素，则会变成 P 型半导体，多数载流子为空穴。
这种特性使得半导体在电子学领域具有极其重要的应用价值。
半导体的核心元件之一是二极管。
二极管具有单向导电性，只允许电流从一个方向通过。
它由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成，形成一个 PN 结。
当在 PN 结上加正向电压时，二极管导通；加反向电压时，二极管截止。
这种特性被广泛应用于整流电路中，将交流电转换为直流电。
三极管是另一个重要的半导体元件。
它可以实现电流的放大作用。
通过控制基极电流的大小，可以改变集电极和发射极之间的电流，从而实现对信号的放大。
这在通信、音频放大等领域有着广泛的应用。
在集成电路中，半导体更是发挥了关键作用。
集成电路将大量的半导体元件集成在一块小小的芯片上，实现了复杂的功能。
从简单的逻辑门到复杂的微处理器，集成电路的发展极大地推动了电子技术的进步。
半导体的制造工艺是一个极其复杂和精细的过程。
首先，需要从高纯度的硅材料开始，经过一系列的加工步骤，如光刻、蚀刻、掺杂等，来制造出各种半导体元件。
光刻技术就像是在硅片上进行精细的“雕刻”，通过使用特定波长的光线和光刻胶，将设计好的电路图案转移到硅片上。
半导体器件复习题
半导体器件复习题一、半导体基础知识1、什么是半导体？半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
其导电能力会随着温度、光照、掺入杂质等因素的变化而发生显著改变。
2、半导体中的载流子半导体中有两种主要的载流子：自由电子和空穴。
在本征半导体中，自由电子和空穴的数量相等。
3、本征半导体与杂质半导体本征半导体是指纯净的、没有杂质的半导体。
而杂质半导体则是通过掺入一定量的杂质元素来改变其导电性能。
杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。
N 型半导体中多数载流子为自由电子，P 型半导体中多数载流子为空穴。
二、PN 结1、 PN 结的形成当 P 型半导体和 N 型半导体接触时，在交界面处会形成一个特殊的区域，即 PN 结。
这是由于扩散运动和漂移运动达到动态平衡的结果。
2、 PN 结的单向导电性PN 结正偏时，电流容易通过；PN 结反偏时，电流难以通过。
这就是 PN 结的单向导电性，是半导体器件工作的重要基础。
3、 PN 结的电容效应PN 结存在势垒电容和扩散电容。
势垒电容是由于空间电荷区的宽度随外加电压变化而产生的；扩散电容则是由扩散区内电荷的积累和释放引起的。
三、二极管1、二极管的结构和类型二极管由一个 PN 结加上电极和封装构成。
常见的二极管类型有普通二极管、整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。
2、二极管的伏安特性二极管的电流与电压之间的关系称为伏安特性。
其正向特性曲线存在一个开启电压，反向特性在一定的反向电压范围内电流很小，当反向电压超过一定值时会发生反向击穿。
3、二极管的主要参数包括最大整流电流、最高反向工作电压、反向电流等。
四、三极管1、三极管的结构和类型三极管有 NPN 型和 PNP 型两种。
它由三个掺杂区域组成，分别是发射区、基区和集电区。
2、三极管的电流放大作用三极管的基极电流微小的变化能引起集电极电流较大的变化，这就是三极管的电流放大作用。
半导体基础知识
符号
1
+ W78XX +
2
_
3
_
W79XX
1 2
3
1.6.3 W78XX、W79XX系列 集成稳压器的使用方法
一、 组成输出固定电压的稳压电路
1. W78XX系列
+
1
W78XX
Co
2
+
Uo = 12V
改善负载 的暂态响 应,消除 高频噪声
注意 3 Ui 输入 Ci 电压 极性 抵消输入 长接线的 电感效， 防止自激 Ci : 0.1~1F
IR + +
R UR
IL
IZ RL
2、引起电压不 稳定的原因
UI
电源电压的波动 负载电流的变化
DZ
稳压二极管
+ UL
将微小的电压变化转 换成较大的电流变化
三端稳压器封装及电路符号
封装
塑料封装
金属封装
79LXX
W7805 1 3 2
W7905 1 3 2
78LXX
1
2
3
UI GND UO GND UI UO
空穴
负离子
电子
正离子
一、载流子的浓度差引 N型材料 起多子的扩散扩散使 交界面处形成空间电 荷区（也称耗尽层）
内电场方向
二、空间电荷区特点
基本无无载流子，仅 有不能移动的离子
三、扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流= 漂移电流 总电流=0 利于少子的漂移
形成内电场
阻止多子扩散进行
1.2.2 PN结的单向导电性
外界条件决定半导体内部 载流子数量
三、本征半导体： 纯净的半导体
半导体重要基础知识点
半导体重要基础知识点
半导体是指具有介于导体和绝缘体之间电导率的材料。
它在现代电子
学中起着重要的作用，广泛应用于各种电子器件和技术中。
在学习半
导体的基础知识时，以下几个关键概念是不可或缺的。
1. 能带理论：
能带理论是解释半导体电导性质的基础。
它将固体材料中电子的能量
划分为能量带，包括导带和禁带。
导带中的电子可以自由移动，导致
材料具备良好的导电性；而禁带中没有电子，因此电子无法自由移动。
2. 纯净半导体：
纯净半导体由单种原子构成，并且没有杂质。
其中，硅是最常用的半
导体材料之一。
纯净的半导体通常表现为绝缘体，因为其禁带宽度较大，电子无法跃迁到导带。
3. 杂质掺杂：
为了改变半导体的导电性质，可以通过掺杂过程引入杂质。
其中，掺
入五价元素（如磷、砷）的半导体称为n型半导体，因为杂质的额外
电子可以增加导电性能；而掺入三价元素（如硼、铝）的半导体称为p 型半导体，因为杂质的缺电子位可以增加导电性能。
4. PN 结：
PN结是由n型半导体和p型半导体相接触而形成的结构。
在PN结中，形成了一个漏斗状的能带结构，其中P区域的缺电子位和N区域的额
外电子形成了势垒。
这个势垒可以控制电子的流动，使得PN结可以用
于逻辑门、二极管等电子器件中。
半导体作为现代电子技术的基础之一，无论是手机、计算机还是各种
智能设备，都离不开半导体器件的应用。
因此，熟悉半导体的基础知识对于理解和应用现代科技至关重要。
半导体基础知识
半导体基础知识1. 半导体的概念与分类1.1 半导体的定义半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料，其电导率会随着外界条件（如温度、光照、掺杂等）的变化而变化。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
1.2 半导体的分类根据半导体材料的类型，可分为元素半导体和化合物半导体。
•元素半导体：如硅（Si）、锗（Ge）等。
•化合物半导体：如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等。
根据导电类型，半导体可分为n型半导体和p型半导体。
•n型半导体：掺杂有五价元素（如磷、砷等）的半导体材料。
•p型半导体：掺杂有三价元素（如硼、铝等）的半导体材料。
2. 半导体物理基础2.1 能带结构半导体的导电性能与其能带结构密切相关。
一个完整的周期性晶体结构可以分为价带、导带和禁带。
•价带：充满电子的能量状态所在的带，电子的能量低于价带顶。
•导带：电子的能量高于导带底时，可以自由移动的状态所在的带。
•禁带：价带和导带之间的区域，电子不能存在于这个区域。
2.2 掺杂效应掺杂是向半导体材料中引入少量其他元素，以改变其导电性能的过程。
掺杂分为n型掺杂和p型掺杂。
•n型掺杂：向半导体中引入五价元素，如磷、砷等，使得半导体中的自由电子浓度增加。
•p型掺杂：向半导体中引入三价元素，如硼、铝等，使得半导体中的空穴浓度增加。
2.3 载流子在半导体中，自由电子和空穴是载流子，负责导电。
n型半导体中的载流子主要是自由电子，而p型半导体中的载流子主要是空穴。
2.4 霍尔效应霍尔效应是研究半导体中载流子运动的一种重要物理现象。
当半导体中的载流子在外加磁场作用下发生偏转时，会在半导体的一侧产生电势差，即霍尔电压。
3. 半导体器件3.1 半导体二极管半导体二极管（DIODE）是一种具有单向导电性的半导体器件。
它由p型半导体和n型半导体组成，形成PN结。
当外界电压正向偏置时，二极管导通；反向偏置时，二极管截止。