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二极管是用半导体材料（硅、硒、锗等）制成的一种电子器件.2014年诺贝尔物理学奖授予日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们在发明“高亮度蓝色发光二极管”新型高效节能光源方面的贡献.蓝色发光二极管属于发光二极管中的重要一种.二极管在电子产业中的重要用途可见一斑.在现行国内高中物理教材中，皆对二极管进行了有限篇幅的介绍.人教版教材设置“说一说”栏目，给出某晶体二极管的伏安特性曲线，意图让学生通过分析图象来认识非线性元件的特性.教科版教材采用“发展空间”栏目，将二极管的伏安特性曲线作为课外阅览，相比人教版教材较明确地描述了二极管的性质.由于教材介绍内容有限，留给教师和学生大致只有二极管具有单向导通性这样一个印象，形成了只知其然而不知其所以然的尴尬境地，很难体会到其物理原理与现代应用价值，因此物理教育价值功能并未得到完全发挥.与国内高中物理教材相比，美国高中物理教材将二极管单独列为一章进行介绍，突显原理与科技应用价值.通过教材比较，笔者认为二极管的内容教学有待开发.加深对二极管原理、特性及应用的认识，从教师的角度有利于学科专业知识的提升，从学生的角度有利于物理素养和科学人文价值的培养.
1 二极管的原理
半导体的导电机理可以用固体的能带理论解释.量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原先每个原子中具有相同能量的电子能级，因各原子的相互影响而分裂成为一系列和原来能级很接近的新能级，这些新能级基本上连成一片，而形成能带.[TP11GW18.TIF，Y#]晶体的能带结构如图1所示.如果一个能带中的各个能级都被电子填满，这样的能带称为满带.由价电子能级分裂后形成的能带称为价带.若晶体的价带中的能级没有全部被电子填满，在外电场的作用下，电子可以进入能带中未被填充的高能级，没有反向电子的转移与之抵消，因而形成电流，这样的能带称为导带.还有一种能带，其中所有的能级都没有被电子填入，这样的能带称为空带.在两个相邻能带之间，可以有一个不存在电子稳定能态的能量区域，这个区域称为禁带.禁带的宽度对晶体的导电性起着相当重要的作用.
凡是电阻率为10-8 Ω·m以下的物体，称为导体；电阻率为10-8 Ω·m以上的物体，称为绝缘体，而半导体的电阻率则介于导体与绝缘体之间.硅、硒、碲、锗、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各种金属氧化物和其他许多无机物质都是半导体.从能带结构来看，半导体和绝缘体都具有充满电子的满带和隔离导带与满带的禁带.半导体的禁带较窄，禁带能隙约0.1～1.5 eV，绝缘体的禁带较宽，禁带能隙约3～6 eV.由于存在热运动，电子能从满带越过禁带，激发到导带中，因为导带中的能级在被热激发电子占据之前是空着的，所以电子进入导带后，在外电场的作用下，就可以向导带中较高能级跃迁而形成电流，因 此半导体具有导电性.
当半导体中一部分电子从满带跃迁至导带中去后，在满带中留出了一些空位，这些空位称为空穴.如果电流只是由于满带中缺少电子而引起的，这种导电方式称为空穴导电；如果电流只是由于导带内电子引起，这种导电方式称为电子导电.若半导体同时兼具电子导电和空穴导电两种机制，这类导电性称为本征导电，相应的半导体称为本征半导体.在这类半导体中，用于携带电荷的自由电子和空穴非常少，所以本征半导体的导电能力很弱，它们的电阻非常大.实验表明，通过掺杂可以制造额外的电子或空穴来极大地提高纯净的半导体的导电性.加入掺杂剂的半导体即所谓的非本征半导体.如果将一个带有5价电子的施主杂质（如砷As）作为半导体（如硅Si）的掺杂剂，这种杂质半导体为N型半导体（或电子型半导体），它的导电性是由杂质中多余电子经激发后跃迁到导带形成的.如果将一个带有3价电子的受主杂质（如镓Ga）作为半导体（如硅）的掺杂剂，这种杂质半导体为P型半导体（或空穴型半导体），它的导电性基本上决定于满带中空穴的运动.
二极管是由N型和P型半导体构成的，形成一个“三明治”组合，如图2（a）所示.P区和N区的边界称为结，因此这种方式生成的器件叫做PN结二极管.N区的自由电子被吸引至P区的带正电的空穴处，与之结合.同样，空穴也会从P区移至N区，与电子结合.经流动之后，N区具有净的正电荷，而P区具有净的负电荷.这些电荷形成的电场会阻止载流子的进一步运动.此外，在靠近结的区域里，既没有空穴也没有自由电子.这种耗尽了载流子的区域称为耗尽层.由于没有载流子，因此二极管是一个不良导体.
当二极管以如图2（b）所示方式接入电路时，N型半导体中的自由电子和P型半导体中的空穴分别趋向于电源的正极与负极方向.耗尽层的宽度增大，并且没有载流子会彼此相遇，此时几乎没有电流通过二极管，二极管的作用与一个电阻非常大的电阻器类似.若以如图2（c）方式接入二极管，载流子就会被推往结的方向.在较大电压下，电子会到达P区并填充空穴，这样耗尽层逐渐被消除，产生了穿过二极管的电流.电源持续对N区提供电子，并像提供空穴那样从P区移走电子.随着电源电压的增大，电流也会增大.
2 二极管的特性
实验测出某晶体二极管的伏安特性曲线如图3所示.根据实验图象，说明二极管具有以下性质：①二极管加正向电压，二极管将导通，电流与电压不成正比，表明二极管是非线性元件；②二极管加正向电压时，电压越高，电流随电压的变化越快；③加反向电压（不太高），二极管处于截止状态，不导通；④当二极管上加了较高的反向电压时，二极管的反向电流也急剧变大，二极管将被击穿，此时的电压称为击穿电压.利用上文所介绍的二极管导电原理可以很好地解释实验结果.
3 结语
在高中物理教学过程中，教师应当十分注重物理概念和物理规律的剖析.物理概念与物理规律的“空降”的后果往往是抹杀了学生思考问题的能力，导致只知其所以不知其所以然的可怕后果，科学探索素养和思维能力品质无法得到有效训练与提升.二极管的教学不应停留在单向导通性这样一个结论层面上，隐藏于背后的物理原理及应用更值得关注.教材作为教学内容的传播载体，应传递多种有教育价值的信息，恰当揭示物理概念、原理和规律的实质及蕴含的物理思想.固态电子学（含半导体物理）的知识，在国内高中物理教材中呈现分散性，零星地穿插在某些章节中，且内容有限.作为材料物理学的基础知识，该部分内容理应受到关注.如何将该方面的内容有效地进行组织，在内容的宽度和深度上进行把握，在教材中合理呈现，这些都值得思考.
1 二极管的原理
半导体的导电机理可以用固体的能带理论解释.量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原先每个原子中具有相同能量的电子能级，因各原子的相互影响而分裂成为一系列和原来能级很接近的新能级，这些新能级基本上连成一片，而形成能带.[TP11GW18.TIF，Y#]晶体的能带结构如图1所示.如果一个能带中的各个能级都被电子填满，这样的能带称为满带.由价电子能级分裂后形成的能带称为价带.若晶体的价带中的能级没有全部被电子填满，在外电场的作用下，电子可以进入能带中未被填充的高能级，没有反向电子的转移与之抵消，因而形成电流，这样的能带称为导带.还有一种能带，其中所有的能级都没有被电子填入，这样的能带称为空带.在两个相邻能带之间，可以有一个不存在电子稳定能态的能量区域，这个区域称为禁带.禁带的宽度对晶体的导电性起着相当重要的作用.
凡是电阻率为10-8 Ω·m以下的物体，称为导体；电阻率为10-8 Ω·m以上的物体，称为绝缘体，而半导体的电阻率则介于导体与绝缘体之间.硅、硒、碲、锗、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各种金属氧化物和其他许多无机物质都是半导体.从能带结构来看，半导体和绝缘体都具有充满电子的满带和隔离导带与满带的禁带.半导体的禁带较窄，禁带能隙约0.1～1.5 eV，绝缘体的禁带较宽，禁带能隙约3～6 eV.由于存在热运动，电子能从满带越过禁带，激发到导带中，因为导带中的能级在被热激发电子占据之前是空着的，所以电子进入导带后，在外电场的作用下，就可以向导带中较高能级跃迁而形成电流，因 此半导体具有导电性.
当半导体中一部分电子从满带跃迁至导带中去后，在满带中留出了一些空位，这些空位称为空穴.如果电流只是由于满带中缺少电子而引起的，这种导电方式称为空穴导电；如果电流只是由于导带内电子引起，这种导电方式称为电子导电.若半导体同时兼具电子导电和空穴导电两种机制，这类导电性称为本征导电，相应的半导体称为本征半导体.在这类半导体中，用于携带电荷的自由电子和空穴非常少，所以本征半导体的导电能力很弱，它们的电阻非常大.实验表明，通过掺杂可以制造额外的电子或空穴来极大地提高纯净的半导体的导电性.加入掺杂剂的半导体即所谓的非本征半导体.如果将一个带有5价电子的施主杂质（如砷As）作为半导体（如硅Si）的掺杂剂，这种杂质半导体为N型半导体（或电子型半导体），它的导电性是由杂质中多余电子经激发后跃迁到导带形成的.如果将一个带有3价电子的受主杂质（如镓Ga）作为半导体（如硅）的掺杂剂，这种杂质半导体为P型半导体（或空穴型半导体），它的导电性基本上决定于满带中空穴的运动.
二极管是由N型和P型半导体构成的，形成一个“三明治”组合，如图2（a）所示.P区和N区的边界称为结，因此这种方式生成的器件叫做PN结二极管.N区的自由电子被吸引至P区的带正电的空穴处，与之结合.同样，空穴也会从P区移至N区，与电子结合.经流动之后，N区具有净的正电荷，而P区具有净的负电荷.这些电荷形成的电场会阻止载流子的进一步运动.此外，在靠近结的区域里，既没有空穴也没有自由电子.这种耗尽了载流子的区域称为耗尽层.由于没有载流子，因此二极管是一个不良导体.
当二极管以如图2（b）所示方式接入电路时，N型半导体中的自由电子和P型半导体中的空穴分别趋向于电源的正极与负极方向.耗尽层的宽度增大，并且没有载流子会彼此相遇，此时几乎没有电流通过二极管，二极管的作用与一个电阻非常大的电阻器类似.若以如图2（c）方式接入二极管，载流子就会被推往结的方向.在较大电压下，电子会到达P区并填充空穴，这样耗尽层逐渐被消除，产生了穿过二极管的电流.电源持续对N区提供电子，并像提供空穴那样从P区移走电子.随着电源电压的增大，电流也会增大.
2 二极管的特性
实验测出某晶体二极管的伏安特性曲线如图3所示.根据实验图象，说明二极管具有以下性质：①二极管加正向电压，二极管将导通，电流与电压不成正比，表明二极管是非线性元件；②二极管加正向电压时，电压越高，电流随电压的变化越快；③加反向电压（不太高），二极管处于截止状态，不导通；④当二极管上加了较高的反向电压时，二极管的反向电流也急剧变大，二极管将被击穿，此时的电压称为击穿电压.利用上文所介绍的二极管导电原理可以很好地解释实验结果.
3 结语
在高中物理教学过程中，教师应当十分注重物理概念和物理规律的剖析.物理概念与物理规律的“空降”的后果往往是抹杀了学生思考问题的能力，导致只知其所以不知其所以然的可怕后果，科学探索素养和思维能力品质无法得到有效训练与提升.二极管的教学不应停留在单向导通性这样一个结论层面上，隐藏于背后的物理原理及应用更值得关注.教材作为教学内容的传播载体，应传递多种有教育价值的信息，恰当揭示物理概念、原理和规律的实质及蕴含的物理思想.固态电子学（含半导体物理）的知识，在国内高中物理教材中呈现分散性，零星地穿插在某些章节中，且内容有限.作为材料物理学的基础知识，该部分内容理应受到关注.如何将该方面的内容有效地进行组织，在内容的宽度和深度上进行把握，在教材中合理呈现，这些都值得思考.