传统的电路基本由“阻容感类”器件组成。常见的器件有：电阻、电容、电感、变压器等。如今的电路（截止2020年），“半导体类”器件占了很大一部分比例，常见的器件有：IC（继承电路）、二极管、三极管、MOS管、场效应管、发光二极管等等。“半导体类”器件的种类甚至已经远远超过了“阻容感类”基本器件，而且应用也更加的广泛。
所以入门现代电路设计，就必须掌握“半导体类器件”。半导体器件主要分为3类，集成电路、二极管类器件和三极管类器件。“二极管类”器件主要有二极管、LED等，“三极管类”器件主要有晶体管、MOS管，JFET。集成电路顾名思义，就是把传统的电路集成在一起，封装成体积更小的模块电路。
本文主要讲解二极管的历史背景，原理，以及工程设计中，必须要掌握和关注的参数。
二极管的历史意义
在爱迪生发明直流电之后，直流电有大的传输局限性（详见电路分析基础之从零阅读（三））。虽然后续特斯拉推广了交流电，交流电成功克服了直流电的传输特性，也可以点亮灯泡，让交流电机运转。但是交流电仍然有自己的缺点，由于交流电的电压电流方向经常变化，而且电压和电流存在相位差，在很多应用中无法应用，所以在爱迪生的年代，直流电和交流电是完全不同的派系。二者甚至成敌对状态（历史著名的直流交流之争）。
但是，如果传输的时候用交流电传输，传输完成后，再把交流电转化为直流电来应用。岂不是既能解决直流电传输困难的问题，又能解决交流电应用困难的问题呢。是的，前辈们很聪明。二极管的出现就成功地解决了这一历史问题。
爱迪生在研究灯泡时，发现了一个奇怪的现象，在加热的灯丝（碳）及其附近的防污染的金属片之间加上电压后，虽然碳丝与金属未连接，但是接上电流计后，能观察到电流计中有电流通过，这个现象被称为“爱迪生效应”。爱迪生并为之申请了专利。
弗莱明在深入研究爱迪生效应之后，电池正极加在金属板上，有电流通过。电池正极加在碳棒上，则无电流通过，电流方向是单一的。原来是碳丝在高温环境下，化学特性活跃，只能往外发射热电子。所以，弗莱明根据爱迪生效应发明了历史上第一个电子管。这个电子管既是二极管的先驱模型，又是三极管的先驱模型。
前面我们说了，交流电的电压是周期性变化的。用物理模型解释，大概意思是：用火线和零线传输电，一会儿火线的电压比零线高，一会儿零线的电压比火线高。若认定火线电压和零线电压相等时，电平为0V，则任意线上，电压时而为正时而为负，呈现为正弦波形。如下图，
假如A线为火线，B线为零线（反过来也可以）。那么A点与B点的电压波形如下：
在实际工程应用中，是要考虑导线上电流的传输时间的（虽然时间短的可忽略，但一定记得，任何时候都是A点电压（红色）带动B点电压（绿色）发生变化），电压表现在导线上的效果，就是A点的电压一会儿比B点高。一会儿比B点低。如果开关S1换成弗莱明发明的电子管，由于电子管只允许A点电压比B点电压高时，才导通，A点电压比B点电压低时，就断开了。我们会发现什么现象呢？
理所当然地，我们会得出结论。A点电压始终比B点电压要高。
在数学模型上就是，电压A点（红色）为正弦信号时，经过弗莱明的电子管后，输出B点（绿色）的电压波形如下：
我们发现，经过电子管后，电压要么为0，要么为正，电压的方向始终变成正电平了。电压不再是一会儿正一会儿负，而是始终为正，只是一会儿大，一会儿小。电压由交流电变成了不稳定的直流电。由于电容有稳定低压的作用，如果后端接一颗电容，我们发现交流电可以变成稳定的直流电。
电子管的出现，成功地解决了历史难题，实现了交流电向直流电的转化。而电子管的这种应用电路，在电力学上被称为“整流电路”，在通信学上被称为“检波电路”，广泛应用在如今的电源转换器、无线接收电路、无线充电电路中。
半导体、PN结与二极管
电子管的应用原理是加热的碳棒往外发射热电子，从原理上看，我们就知道电子管不是“省油的灯”。所以，前辈们再次大发神威，研制出了现代半导体器件。
在聊PN结时，我们先聊聊化学。
元素周期表你应该还记得“氢氦锂铍硼碳氮…”，在研究半导体之前，我们需要在这么多元素组成的物质中挑选一种稳定的物质，作为研究对象。我们可以试着挑一下。
我们知道元素周期表中要达到物质平衡，不同的元素是通过共享自由电子（共价键）组合在一起的。比如第二行元素中，稳定态是8个电子，两种元素的外围电子之和为8时，才能达到稳定。所以，元素组合大概有1+7（锂和氟）、2+6（铍和氧）、3+5（硼和氮）、4+4（碳和碳）。你是不是发现了什么？对！碳组元素由于外围电子数量的特殊性，竟然只依赖自己就能达到稳定态。所以碳组元素存在单晶态，研究起来好研究，只需要研究一种元素即可。横坐标锁定在碳组元素。
除了考虑元素组合，我们还需要考虑该元素的其他特性，比如耐高温，氧化等特性。电灯和电子管是依赖于单晶碳来设计的，爱迪生头疼了一生。根据化学特性和稳定特性的稳定度，我们发现硅和锗导电性较弱，所以纵坐标锁定在碳组元素的硅元素和锗元素上。
以硅为例，单晶硅虽然很稳定，但是不导电。我们再想想导电的原理，导电依赖于内部自由电子的移动，导电程度依赖于内部自由电子的多少，而碳组元素外围4个自由电子全部是共价键，自由电子很少（高温下会增多）。要像让单晶硅组成的材料导电，该怎么办呢？
掺入少量氮组元素到单晶硅中。由于氮组元素外部有5个电子，与碳元素组合掉4个共价键后，还会多出来1个电子。多出来的这个自由电子，就可以经常移动，让原本不导电的硅单晶材料开始导电。原本不导电的材料经过处理后导电了，既不能叫绝缘体，也不能叫导体，那我们叫半导体好了。由于电子带负电，英文单词为Negative，此类半导体我们称为N型半导体。
掺入少量硼组元素到单晶硅中，由于硼组元素外部有3个电子，与碳元素组合掉3个共价键后，还需要1个电子，这个位置被称为“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子，原本不导电的硅单晶材料也开始导电了。由于缺失电子后带正电，英文单词为Positive，此类半导体我们称为P型半导体。
在一块单晶硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子多，空穴少，而P型区内自由电子少，空穴多，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。有一些电子从N型区向P型区扩散，对应的就是有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区原本缺电子的硼组元素获得了电子带负电。而N区原本多电子的氮组元素失去了1个电子带了正电。带正电的氮组元素与带负电的硼组元素相距较劲时，就产生了从N到P的电场。
该电场区域称为自建电场，也称为耗尽区（因为该区域的自由电子都会受电场力作用被迅速发射到P区）。我们也可以把它称为PN结。自建电场总是由N指向P。在PN结两端加金属引脚，封装成器件之后，这个器件就称为二极管。P极称为正极（阳极），N极称为负极（阴极）。
二极管的种类很多，有肖特基二极管，开关二极管，TVS，发光二极管，光电二极管等，基本原理都一致，但是每种器件侧重的性能不一样。
二极管的常用工程参数
由于PN结的自建电压总是由N指向P，所以二极管导通时外部加的电压，要克服自建电压，该电压称为二极管的正向导通电压（Forward Voltage），0.2V或者0.7V不等。
二极管加正向导通电压后，有电流流过时，由于自由电子的运动撞击，同样会发热，当电流足够大，热量来不及耗散时，会导致二极管烧毁。所以二极管有最大正向电流（eg：2A）和热阻（eg：12℃/W）。
如果二极管在N极加正电，P极加负电。会让更多的自由电子流入P区，导致N区带正电的离子增多，P区带负电的离子增多，内电场增强，导致耗尽区变宽。N区的电子不能经过内电场流向P区，电路近似断开。但是由于P区的电子若一不小心靠近耗尽区边缘时，P区的电子是可以被电场扫入N区的（电子的流动方向与电场方向相反）。
所以二极管器件在加反向电压后，电路并非纯粹的断开状态，而是存在反向漏电流（IF）。而且，温度每升高10度，反向漏电流增加大约1倍。
当反向电压不断增加时，耗尽区内电场力继续增强，增强到一定程度时，虽然没有自由电子，但是耗尽区内稳定的共价键中的电子会被强电场力拉出，开始运动，再次产生电流。这个现象称为齐纳击穿。当反向电压继续增强，共价键中拉出的电子被急剧加速，当电子撞击到其他原子核时，由于速度过高，势能过大，会把原子核周围其他电子撞击出来，也被加速（此处引用夸张+比喻的修辞手法）。1个自由电子撞击出来2个自由电子，2个自由电子撞击出来4个，反向电流急剧增大，同时物质结构也被损坏，这种现象被称为雪崩击穿。所以我们可以看出来，雪崩击穿电压要高于齐纳击穿电压。雪崩击穿电流>齐纳击穿电流>反向漏电。无论哪种击穿，只要有限流措施，防止热量积累，不损坏物理结构的情况下，均可恢复。没有特殊应用的二极管都只标注最大反向电压。
另外任何器件均存在寄生参数，二极管器件中工程应用中关注最多的参数是寄生电容。寄生电容的影响只在交流电情况下考虑，常称为频率特性。具体影响，参考电路分析方法（六）。
以上就是二极管在工程应用中经常需要关注的电气参数。只要是二极管，上述参数都是基本参数，而对于特殊二极管，就要根据它的特殊性来考察额外的电气参数。例如TVS更偏重于反向电压和反向电流。发光二极管则还需要考虑发光效率。