二極體說起來很簡單，其實就是一個PN結，對他的特性也許很多人都能如數家珍，比如正向截止反嚮導通，正向加壓(forwad bias)耗盡區變窄跨過PN結的內建電勢(Vb)就導通了，反向加壓(Reverse Bias)會使得耗盡區變寬，直至雪崩擊穿(Avalanche Breakdown, Vbd)等等。
然而，這些都是教科書裡的理論，跟實際的designer應用又有什麼關係呢？她們又是如何選擇各種特性的二極體呢？
當然所有的應用都是圍繞著她的特性來的，所以說應用之前先把二極體的特性回顧一遍吧。
1、正嚮導通反向截止：我們可以做開關管(Switch)，以及整流管(Rectify)等等。
再說說整流特性吧，其實半導體二極體沒法明之前就有真空二極體，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，而那個時候的二極體default就是「整流器」，直到四極管被發明出來之後，為了區分才命名為二極體「Diode」 (來自希臘語：Di，"二" 和 ode，「路徑」)。所謂整流的工作原理就是把一個交流的電壓的正電壓讓他通過，負電壓讓他不能通過，從而實現交流變成直流的整流效果，只是負方向上的那一段變成沒有電壓(不是一個連續的直流)，所以她是一個脈衝直流電壓波。(當然如果需要連續直流電壓可以通過兩相交流電交叉過度實現。) 這就是所謂的半波整流（Half-Wave Rectifier）。
而「正嚮導通反向截止」除了上述兩個應用意外，在現代的RF電路裡面還有一個經典的應用就是在電感的電路裡面，防止電路斷開瞬間電感存儲的電荷反過來影響電路或元器件，所以需要並聯一個二極體在電感或電容兩段。如下圖為例，如果突然電源斷開，電感會利用其存儲的磁場效應，瞬間感生出一個反向電壓來抑制電壓的突然降低，當這個反向感生的電壓大到一定程度則有可能導致電路故障或者元件損壞，所以這時候如果有一個二極體瞬間導通與電感形成「自迴路」就及時的保護了電路。所以這種二極體叫做「Snubber Diode」，「Flyback Diode」，「Freewheeling Diode」，「Suppressor Diode」等等。
2、反向擊穿特性：利用二極體的反向擊穿特性可以做一個鉗位二極體(Clamp電壓)或者做保護二極體(Protection Diode)，並聯一個二極體在電路的輸入端(通常在I/O PAD上)或者在MOSFET的Gate上，這樣在電路正常工作的時候這個二極體是方向截止的，但是當輸入電壓異常超過這個二極體的反向擊穿電壓的時候，這個二極體旁路就會瞬間擊穿從而保護內部電路(Circuit Protection)。但是這個擊穿是可以恢復的哦，我記得我以前在講PN結的時候就說過，電擊穿都是可恢復的，只有熱擊穿是不可恢復的。（如下示意圖）
3、正偏耗盡區變窄反偏耗盡區變寬：可做變容二極體(Varactor Diode)，隨著電壓變化PN結的結電容也會變化。
這種變容二極體一般主要用於RF電路裡作為濾波用，一般在RF電路的接收端，因為濾波電容會接受不同頻率的信號分別去濾波，所以它必須根據接收到的信號的頻率去改變自己的電容來相應做濾波，所以需要外加一個控制器來控制它的電壓來改變電容的目的，也可以叫做頻率調製(Frequency Modulators 或者 RF Phase Shifter)。
變容二極體的另外一個應用是作為LC震蕩電路，有一種叫做Voltage Controlled Oscillators就是利用變容二極體來實現的。
4、光子碰撞產生電子空穴對電流：這種就是光電二極體(Photo-Diode or Optical Diode)。它其實就是普通的二極體，在反偏的時候只有非常微弱的漏電流，我們在光電二極體應用的時候稱之為暗電流(Dark Current)，當有光照射的時候光子撞擊晶格，當光子(Photon)能量大於半導體能帶(hv>bandgap, h是普朗克常量，v是光的頻率)的時候會產生電子空穴對(Quantum effiency)，在反向電場的情況下被吸走形成光電流，所以光的強度越大它的反向電流就越大，而如果光子能量小於能帶(hv<Eg)，則光被吸收掉，不產生光電流，這就是一個光信號轉電信號的過程，所以我們知道我們的手機如何自動調節亮度的了吧？
那問題來了，為什麼我們很多半導體器件測試的時候對光沒有那麼敏感？我曾經考慮了這個問題很久，直到我自己做optical sensor去研究才發現，原來光子必須在PN結耗盡區被吸收產生的載流子才能以多子的方式在反向電場下迅速被拉過去形成電流，而如果光子在非PN結區域被吸收則很難穿過PN結形成電流。而我們正常的器件的PN結一般濃度比較高，PN結耗盡區比較窄吸收光的量就比較少，這就是為什麼光學二極體(optical sensor)必須要用非常低濃度摻雜的原因了，就是為了得到比較寬的耗盡區(幾乎本徵)。
但是問題又來了，光有很多種波長，我們如何選擇波長呢？還是回到hv以及耗盡區的問題上，我們只要控制好尺寸讓儘可能多的指定的hv剛好落在特定深度的耗盡區上就可以產生光電流了，技術細節可以私下找我詳談。
5、電子空穴對的複合會釋放光：所以又有了LED二極體，即Light Emmiting Diode。它也是一個普通二極體，它與光學二極體不一樣的是它是工作在正向偏置，所以P型源源不斷輸送空穴，而N型源源不斷輸送電子，她們在PN結那裡碰面之後就複合了，由於電子和空穴所處的能量狀態不同，她們複合之後會釋放出多餘的能量就是光，釋放的能量越多則波長越短。發光二極體的反向擊穿電壓大於5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯限流電阻以控制通過二極體的電流。
再回到好奇心層面，為什麼常規的二極體加正偏電壓沒看到過光？因為禁帶寬度不夠窄，所以正向伏安曲線不夠陡，所以沒法發光，所以LED的二極體必須用禁帶寬度窄的材料，大都選用無機物半導體材料由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物製成，所以很多LED也叫OLED (Organic LED)。
好吧，二極體的分類差不多就這些了，但是細分領域還有很多，比較經典的應用就是齊納二極體(Zener Diode)，肖特基二極體(Schottky Diode)，還有PIN Diode。這些還是在上面的應用範疇裡，只是因為應用的要求提高所以衍生出來的二極體器件。再聊一下吧：
1、Zener Diode：中文叫齊納二極體，這是根據發明人命名的，它還有個名字叫隧道二極體(tunnel diode)這是根據工作原理命名的。以前介紹過，半導體濃度摻雜越高，則禁帶寬度越窄，所以當濃度高到一定程度的時候價帶頂超過了導帶底則電子可以直接在很低的電壓下隧穿過去了形成了隧道擊穿，而不是低濃度下的雪崩擊穿了。所以Zener diode必須是兩邊濃度比較高的，其擊穿電壓大約在6~8V(取決於doping profile)。工作原理參考《Physics and Radio Electronics》。
一般情況下高濃度摻雜都在比較面，所以常規的Zener也叫做"Surface Zener Diode"。但是surface器件都有個固有的問題就是oxide與Si的interface問題，所以surface zener容易隨時間變化而升高，因為擊穿產生的電荷都被inject到interface去了。當然這種問題的解決方法就是bake了。當然如果要想避免surface zener的問題，所以就引入了Buried Zener 或者叫Subsurface Zener，就是上面做個大的N+，下面做個小的P+，這樣P+和N+的界面PN結就不在表面了，只是這種工藝比較複雜。
另外，齊納二極體和雪崩二極體不一樣的地方在於溫度係數，Zener是負溫度係數，而雪崩是正溫度係數。
2、Schottky Barrier Diode(SBD)：中文叫肖特基勢壘二極體(Schottky發明的)。這玩意也叫surface barrier diode。他是金屬和半導體接觸由於功函數差形成的勢壘，它和雪崩二極體以及齊納二極體比起來，最大的好處就是速度快。因為一般的PN結是兩個耗盡區，所以電容電容充放電以及少子注入時間比較長，所以速度相對較慢，然而SBD只有單邊的陰極是Si，另一邊陽極是金屬沒有耗盡區，所以它的速度比普通PN結快不是一點點啊。當然這種二極體的正嚮導通電壓也會比普通二極體低(一般SBD的Vb是0.15~0.45V，而PN結的Vb是0.7V)。
在I-V特性上，SBD與普通的PN結也是不一樣的，正向的時候SBD主要是多子熱激發(Thermionic Emission of Majority carriers)，而普通PN結是少子注入(Minority injection)。所以SBD又叫Hot carrier diode，因為多子激發速度遠比少子注入速度快，這就是為什麼SBD速度快的原因，常用於微波、MESFET、太陽能、光電探測器等對於速度要求非常高的應用。
SBD工藝對陰極和陽極的要求非常高，金屬早期選擇Ti/TiSix，比較好的選擇Pt。而襯底必須是比較淡的N-type襯底，濃度越低禁帶越寬，反向擊穿才能拉高。但是不可避免又回到了界面器件固有的問題-界面態，他會拉高整體的勢壘高度，書本上叫做pinning effect或「釘扎效應」。所以實際的勢壘是Metal與Si固有的gap (MIGS: Metal Induced Gap State)與Charged interface state組成的，而key dominate一般都是後者為主，當然這個interface state有可能是正也有可能是負，完全取決於Process dependent process imperfection。
除了上面講的Interface問題，還有個重要問題就是edge電場的問題，我們知道金屬和Si接觸在接觸面的邊緣一定是電場最強的地方，所以那裡永遠都是最weak的，所以一般都是需要設計guard ring，不然你的process就要被搞死了。
3、PIN Diode：它就是在普通PN結二極體之間加了一個「Intrinsic region」的三明治結構，實際上它不是完全的Intrinsic，而是非常淡的N- layer，最好是EPI。這種二極體的作用是啥呢？還是先講特性吧。
正向偏置下，由於I-region電阻非常高但是電容非常低，所以兩邊的N+和P+可以隨便注入載流子，所以注入進去的載流子可以改變I-region的電阻作為可變電阻(Variable Resistor)。
按照上述說法，兩邊的N+和P+注入的載流子等效進入I-region，當電阻調製到1ohm附近是則可以變成一個非常好的RF conductor，則可以用作RF switch。
反向偏置下，這就是一個完美的光電二極體(Photo detector)。而且非常低濃度的I-region也可以得到很高的擊穿電壓，所以又可以用作高壓開關。
所以PIN diode的重點在於中間I-region的濃度和寬度！
4、除了上面常用的外，還有一些Impatt Diode、 Trapatt Diode、 Baritt Diode用於高頻微波等領域，大家自己學吧，我也不太懂了。
好了，二極體的部分就講到這裡吧，以前以為二極體簡單，直到自己做SBD栽了無數跟頭之後才發現：「沒那麼簡單！」