PN结和二极管
PN结和二极管的工作原理
PN结和二极管的工作原理PN结是半导体器件中常见的结构之一，也是二极管的基本组成部分。
它具有特殊的工作原理，能够实现电流的单向导通，从而实现电子器件的正常工作。
在这篇文章中，我将详细介绍PN结和二极管的工作原理。
一、PN结的构成和形成PN结由两种不同类型的半导体材料P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的杂质掺杂物主要是三价元素，如硼(B)，而N型半导体中的杂质掺杂物主要是五价元素，如磷(P)。
当P型半导体和N型半导体接触时，发生电子的扩散过程。
当两种半导体相接触时，P型半导体中的电子会向N型半导体中扩散，而N型半导体中的空穴会向P型半导体中扩散。
这样，在相接触区域形成一个带有正电荷的区域，称为P区，和一个带有负电荷的区域，称为N区。
P区和N区之间的边界称为PN结。
二、PN结的正向偏置当在PN结上施加正向电压时，使P区的正电荷与N区的负电荷相吸引，减小了PN结的势垒，电子和空穴能够更容易地通过PN结区域。
在正向电压作用下，P区中的空穴朝着N区移动，N区中的电子朝着P区移动，形成空穴电流和电子电流的流动。
空穴和电子在PN结区域相互复合，产生的正负离子消失。
这样，PN结就能够导通，电流可以顺利通过。
三、PN结的反向偏置当在PN结上施加反向电压时，使P区的负电荷与N区的正电荷相吸引，增加了PN结的势垒，形成一个更大的阻碍电流流动的势垒。
在反向电压作用下，PN结的势垒增大，电子和空穴被阻止穿越PN 结区域，电流无法通过PN结。
只有当反向电压超过PN结的击穿电压时，才会发生击穿现象，电流才能够通过PN结。
四、二极管的工作原理二极管是一种基于PN结构的电子器件，它具有单向导电特性。
当二极管的正极施加正向电压，负极施加反向电压时，二极管处于正向偏置状态；当二极管的正极施加反向电压，负极施加正向电压时，二极管处于反向偏置状态。
在正向偏置状态下，二极管导通，电流可以从P区流向N区，实现低阻抗。
在反向偏置状态下，二极管截止，电流无法通过，形成高阻抗。
2-1PN结及二极管
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2
2.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)空穴的移动 (3)电子空穴对
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
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② PN结反偏时 ——截止
外在加一的定反的向温电度压条有件一下部，分由降本落征在激P发N结决区定，的方少向子与浓 P度N结是内一电定场的方，向故相少同子，形加成强的了漂内移电电场流是。恒内定电的场，对基多子 扩本散上运与动所的加阻反碍向增电强压，的扩大散小电无流关大，大这减个小电。流此也时称P为N结 区反的向少饱子和在电内流电。场的作用下形成的漂移电流大于扩散 电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层
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两种载流子的运动 动态平衡时
PN结 总电流I=0
空间电荷区宽度稳定
两种运动：
扩散（浓度差）
两种电流：
扩散电流
漂移（电场力） 漂移电流
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(2) PN结的单向导电性
在PN结两端外加电压通常叫做偏置。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压 ，简称正偏；
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（1）本征半导体的共价键结构
硅(锗)的原子结构
简化模型
价电子 (束缚电子)
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
PN结和二极管
旧符号
2015年9月21日星期一
标记 Diode
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种类 1、普通二极管 2、稳压二极管 3、光电二极管 将光信号转换为电信号的器件，
常用于光的测量，或做光电池。
4、发电二极管
（LED）
5、激光二极管
将电信号转换为光信号的器件， 常用于显示，或做光纤传输中 的光发射端。
发射相干单色光的特殊发光二 极管。主要用于小功率光电设 备，如光驱、激光打印头等。
2.1.1 本征半导体 2.1.2 P型和N型半导体
2
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2.1.1 本征(intrinsic)半导体
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动 (4) 能带结构
2015年9月21日星期一 发光管
触敏屏
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二极管是一种非线性器件，需应用线性化 模型分析法对其应用电路进行分析。
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型号命名规则
2AP9 2DW7B 1N4001 1N4007 1N4148 1N5819 2DW7B
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2.4.2 整流电路
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注意：
稳压二极管在工作时应反接，并 串入一只电阻。
电阻的作用： 限流保护 误差调节
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2015年9月21日星期一
二、电路原理
(1) 输入电压变化时
VI↑→VO↑ →VZ↑ →IZ↑ →IR↑ →VR↑ →VO↓
(2) 负载电流变化时
IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
什么是PN结和二极管
什么是PN结和二极管PN结是半导体物理学中的一个基本概念，它是由P型半导体和N型半导体接触在一起形成的结构。
在P型半导体中，空穴是多数载流子，而在N型半导体中，电子是多数载流子。
当P型和N型半导体接触时，N型半导体中的电子会向P型半导体中的空穴移动，形成大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对称为载流子。
由于载流子的数量大大超过了原来的数量，所以形成了电荷不平衡，产生了电场，这个电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，最终达到了一种电荷分布的平衡状态，形成了PN结。
二极管是一种基于PN结的半导体器件，它具有单向导电性。
当二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位时，PN结处于正向偏置状态，此时电子和空穴会大量移动，形成电流，二极管导通。
而当正极连接到低电位，负极连接到高电位时，PN结处于反向偏置状态，此时电场会阻止电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
二极管广泛应用于电子电路中，如整流、调制、稳压、信号检测等。
它们是现代电子技术中不可或缺的基本元件之一。
习题及方法：1.习题：PN结的形成过程中，为什么会产生电场？解题方法：回顾PN结的形成过程，分析P型和N型半导体接触时电荷不平衡的原因，以及电场的作用。
答案：PN结形成过程中，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子大量移动，形成了电子-空穴对。
这些电子-空穴对使得PN结区域内的电荷分布不平衡，产生了电场。
电场的作用是阻止电子和空穴的进一步扩散，最终达到电荷分布的平衡状态。
2.习题：二极管在正向偏置和反向偏置状态下，分别会发生什么现象？解题方法：分析二极管的正向偏置和反向偏置过程，以及对应的电荷分布和电流情况。
答案：在正向偏置状态下，二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位。
此时，PN结中的电场减弱，电子和空穴大量移动，形成电流，二极管导通。
在反向偏置状态下，二极管的正极连接到低电位，负极连接到高电位。
此时，PN结中的电场增强，阻止了电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
半导体基础PN结与二极管的应用
半导体基础PN结与二极管的应用半导体技术是当代电子领域中最为重要的基础技术之一。
其中，PN 结和二极管作为半导体器件中的重要组成部分，发挥着至关重要的作用。
本文将介绍半导体基础PN结的原理及其在二极管中的应用。
一、半导体基础PN结原理PN结是由n型和p型半导体材料的结合而形成的。
其中，n型半导体与p型半导体的性质有着明显的区别。
1. n型半导体：在n型半导体中，材料中的杂质原子掺入了导电能力较强的杂原子，如磷（P）或砷（As）。
这些杂原子具有多余的电子，因此在外加电场的作用下，这些电子能够自由地移动，形成电流。
2. p型半导体：与n型半导体相反，p型半导体中的杂原子通常是掺入了硼（B）或铝（Al）等元素。
这些杂原子缺少电子，因此在外加电场的作用下，它们会吸引材料中的电子，形成称为“空穴”的空缺。
当n型半导体和p型半导体相互接触时，形成PN结。
由于电子流动的方向与空穴流动的方向相反，PN结会产生一个电场，这个电场阻碍电子和空穴的再次扩散。
由于这个电场，PN结具有单向导电性，即在正向偏置时能够导电，而在反向偏置时则不能导电。
二、二极管基于PN结的特性，可以制造出一种叫做二极管的器件。
二极管是半导体电子学中最简单也是最常用的器件之一。
它由一个PN结构成，具有两个引线（即正极和负极）。
1. 正向偏置二极管：在正向偏置情况下，即将正极连接到p区，负极连接到n区时，PN结处的电场会减小，从而使电子和空穴越过PN 结。
电流可以自由地流动，因此二极管可以导电。
2. 反向偏置二极管：在反向偏置情况下，即将正极连接到n区，负极连接到p区时，PN结处的电场会增大，从而阻碍电子和空穴的扩散。
此时，几乎没有电流通过二极管，因此二极管处于截止状态。
三、二极管的应用二极管由于其独特的特性，在电子领域中有广泛的应用。
1. 整流器：二极管可以用作整流器，即将交流信号转换为直流信号。
通过适当连接多个二极管，可以制造出多级整流电路，用于变压器和电源的设计。
二极管pn结原理
二极管pn结原理1 什么是二极管？二极管是一种最简单的半导体器件，由两种不同材料的半导体材料P型半导体和N型半导体组成。
PN结是二极管的核心部件，也就是p型半导体和n型半导体之间的结。
2 PN结的形成原理PN结的形成需要有参与原子的扩散过程。
首先将p型半导体和n型半导体的晶体材料分别注入一种外加杂质。
在p型半导体中加入的杂质叫做施主杂质，通常是将硼元素注入。
硼元素的价带少一个电子，它可以填充一些未被占据的价带和恰好和晶体中的价电子匹配。
在n型半导体中加入的杂质叫做受主杂质，通常是将磷元素注入。
磷元素的价带多一个电子，与主杂质配对后，会形成一个电子的过剩，也成为自由电子。
当把这两种材料放在一起时，施主杂质和受主杂质将互相扩散，形成一个p型区和一个n型区。
电荷载流子同时向两个相反的区域移动，并最终与另一方的载流子相遇。
n区的自由电子会在接近p区界面时遇到施主杂质，使电子与施主杂质原子结合，空出空穴。
空穴会转移到p区，可以在那里与受主杂质结合。
施主杂质和受主杂质在互相扩散时经过重复的迁移，最终n型区和p型区交织在一起，在p区和n区之间就形成了PN结。
PN结在没有外加电压时处于平衡状态，在PN结附近会形成电场。
电子在带负电的n型区中移动时，越靠近PN结就越难以通过电场而通过，最终聚集在PN结周围的接缝区域。
3 PN结的作用PN结具有单向导电性，当它被正向偏置时，内部的电场会减弱，水平移动的电荷会进入PN结，导致电流通过，形成电路。
当它被反向偏置时，内部的电场会加强，电荷运动将被阻止，不允许电流通过。
利用二极管的单向导电性，可以使电流在电路中向一个规定的方向流动，为许多电气设备的正常运作提供了保障。
二极管 pn结
二极管 pn结二极管是一种半导体元件，是现代电子技术中最重要的器件之一。
它可以实现将电能转化为光能，也可以将电流进行整流和开关控制。
它的工作原理是基于二极管中 pn 结的正向导通和反向封锁。
一、PN结PN 结是指由 n 型和 p 型半导体连接而成的 p-n 转移层，它是二极管的基础结构。
在 p-n 转移层内，由于在 p 区中具有过多的空穴，而在 n 区中具有过多的自由电子，因此电子与空穴在这里发生复合，难以向前方向穿过。
当我们加上一个外加电压时，正向偏压会增大 p 区空穴数，减少 n 区自由电子数；反向偏压时 p 区空穴数减小，n 区自由电子数也同样减小。
这些效应导致 p-n 结行为不同，区分出正向和反向两种电压状态。
二、正向导通当在 pn 结加上一个正向电压时，使得 p 区的正电荷与 n 区的负电荷相互吸引，越来越多的电子跨越 pn 结向 p 区运动，与空穴相遇，形成电流。
此时，pn 结的电场被削弱，并且导电物质不断向 p区流动，最终达到有稳态电流的电路。
三、反向封锁当在 pn 结加上反向电压时，n 区的自由电子会向正极方向流动，p 区的空穴会向负极方向移动，这都会降低电流导通的可能性。
此时，n 区电子与 p 区空穴相互吸引，二极管处于反向封锁状态。
在这种情况下，pn 结的电场被加强，电子和空穴受到强的耗散作用而降低其能量水平，无法流过 pn 结。
四、应用二极管广泛应用于电子电路中的矩形电源、模拟电路、逻辑电路、功率电路、无线电波整形、调制解调、触发器等领域。
在直流电路中，二极管用于整流或保护电路，可以将交流电转换为直流电并使电路中的电器得到适当的供电。
总之，二极管 pn 结是一种非常关键的半导体元件，其正向导通和反向封锁的原理对电子电路至关重要。
了解 pn 结的工作原理可以帮助我们更好地设计、使用和维护电路，同时也有助于我们更好地了解现代电子技术的基础理论。
半导体物理中的PN结和二极管的特性
半导体物理中的PN结和二极管的特性半导体器件是现代电子技术中不可或缺的基础组成部分。
其中，PN 结和二极管是最为基础和重要的两个概念，对于理解半导体的物理特性和应用具有重要意义。
本文旨在深入探讨PN结和二极管的特性，并分析其在电子器件中的应用。
一、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散形成的结构。
P型半导体的主要成分是掺杂了三价元素（如硼）的硅（Si）材料，而N型半导体则是掺杂了五价元素（如磷）的硅材料。
当这两种半导体材料接触在一起时，两侧材料发生扩散作用，其中P型半导体的空穴扩散到N型半导体中，而N型半导体的电子扩散到P型半导体中，形成了PN结。
二、PN结的特性1. 能带结构PN结的形成导致了能带结构的改变。
在PN结的形成过程中，P型材料中的导带与N型材料中的导带发生连接，形成了一个共用的导带。
在PN结的结区（即P型和N型材料接触处），形成了势垒，阻止电子和空穴自由通过。
2. 势垒PN结中的势垒是由于P型材料与N型材料之间的电荷分布不平衡引起的。
在PN结形成后，P型材料中的电子向N型材料中的空穴扩散，形成了势垒。
势垒的存在导致了PN结两侧的电荷分布差异，形成了电场。
3. 正向偏置和反向偏置当外加电压（正向偏置）施加在PN结上时，势垒会减小，电子可以克服势垒而通过PN结，形成导电通路。
这时，PN结呈现出低电阻状态，使电流通过。
当外加电压的方向相反（反向偏置）时，势垒会增大，阻碍电流通过。
这时，PN结呈现出高电阻状态，几乎没有电流通过。
三、二极管的特性和应用二极管是由PN结构成的半导体器件，具有正向导通和反向截止的特性。
1. 正向特性当二极管处于正向偏置时，电流可以从P端注入到N端，形成导电通路。
此时，二极管呈现出低电阻状态，称为正向导通。
正向导通时的电压和电流关系遵循二极管正向特性方程。
2. 反向特性当二极管处于反向偏置时，电流几乎无法通过PN结。
由于势垒的存在，只有当外加电压超过正向导通时的阈值电压，才会发生击穿现象，电流急剧增大。
2.1 PN结与二极管(1)
半导体在4族元素本征半导体硅中掺入5族元素(砷、磷)。
在4族元素本征半导体硅中掺入3族元素(硼、铝)。
N型半导体P 型半导体5个电子中的4个与相邻的硅原子组成共价键电子对后，还多余一个。
3个电子与相邻的硅原子组成共价键电子对，因缺少一个电子，产生了一个空位（空穴）。
半导体P N结的形成扩散运动内电场E i漂移运动势垒层/耗尽层扩散=漂移正向接法(扩散运动增强)半导体P N结的形成I F E/R正向接法(扩散运动增强)反向接法(扩散运动减弱)PN结单向导电！符号：半导体P N结的形成I F ≈E/R I R ≈ 0二极管的V -I 特性表达()1T v V d s i I e =-二极管电流：I s ：反向饱和电流；V T ：PN 结温度电压当量 (室温下，V T =26 mV)。
7理论值实际值V RBR ：反向击 穿电压V th ：阈值电压阈值电压反向击穿电压d Si I =-反向时的表达式：/T V V d S i I e ≈正向时的表达式：i d +v F _电力二极管平板式电力二极管二极管模块•最大允许反向重复峰值电压•额定电流•最大允许的全周期均方根正向电流•最大允许非重复浪涌电流•最大允许的PN结结温和管壳温度•结－壳、壳－散热器热阻• 反向恢复时间额定电流额定电流 I FR：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值 。
最大允许均方根正向电流最大允许均方根正向电流：当二极管流过半波正弦电流的平均值为 I FR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流 I Frms。
转换关系由额定电流和最大允许均方根正向电流的公式，得：如手册上某电力二极管的额定电流为100A ，说明：l 允许通过平均值为100A的正弦半波电流；l 允许通过正弦半波电流的幅值为314Al 允许通过正弦半波电流的有效值为157A的电流。
l 允许通过任意波形的有效值为157A的电流。
m Frms I I 21=mFR I I π1=电力二极管的主要应用n 整流（普通二极管）¡«D1D2D3D4V DCV AC （a）整流（b）续流D L i S V S R R¡«D1D2D3D4V DC V AC （a）整流（b）续流D L i S V S R R n 续流（高频二极管）n PN级（二极管）是单向导电的n电力二极管需要承受高电压，流过大电流n电力二极管的参数选择与应用场合密切相关。
PN结与二极管原理解析
④ 不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做
一维运动； ⑤ 假设为小注入，即注入的非平衡少子浓度
远小于多子浓度。
Low-level injection
2.2.1 PN结的正向偏置特性
1、正偏能带变化图
EFp Ev Ei EFp p0 Nv exp ni exp NA kT kT
NA Ei EFp KT ln ni
即有
kT N D N A UD ln q ni2
式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度； UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在 材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。 在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的 电阻率越低，接触电势差UD越大； 禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。 NA=1017/cm3 ND=1015/cm3
2
少子 反向偏置时，
边界
漂移大于扩散 由于反向抽取， 边界处少子浓度 低于平衡值 。
扩散长度
KT 由于反向 PN 结外加反向偏压U的数值一般比 大很多，即有 q KT U ，因此 e q
qU KT
0，所以边界处的少子浓度为：
P( X N ) 0 n( X P ) 0
反向电流的转换和传输
室温下，硅的 U D = 0.70 V， 锗的 U D = 0.32 V
2.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布
自建电场
n:电子 p:空穴
多子
空间电荷区
扩散区
多子 分布按指数规律变化 少子
二极管的分类
二极管的分类
一、普通二极管。
1、pn结二极管：最常见的二极管，是由pn结组成的二极管，具有可控的导通和断开的特性，由于其高崩溃偏压特性，pn结二极管被广泛应用于电路中用于功率控制，有n型和p型之分。
2、晶体管：结构由pn结和拥有三个端子的三极管组成，具有管上极阻特性，能可靠地控制大电流，由于其电流放大和高速特性，被用于现代电子设备中做控制电路和信号处理。
3、汇流管：由pn结和两个端子组成的二极管，可以将多个源的电流聚合成一股电流，具有高连通性和流动特性，广泛应用于电子电路中。
二、半导体二极管。
1、金氧半二极管：基于金属氧化物薄膜结构的二极管，具有高灵敏度、高读取速率、低功耗以及大容量特性，被广泛应用于噪声抑制、信号放大以及起动等电路中。
2、可控硅：由晶体管和可控半导体材料组成的可控二极管，可调节的脉冲或者高压电流，被用于开关控制。
3、光耦合器：使用晶体管和光耦合元件将光信号转换成电信号，广泛应用于电子通信系统、脉冲信号转换以及光控制电路中。
pn结二极管工作原理
pn结二极管工作原理
结二极管是一种半导体器件,由一个型半导体区和一个型半导体区组成,两者之间形成结。
结是二极管工作的核心部分,其工作原理可以分为两种情况:正向导通和反向导通。
1. 正向导通
当在结两端施加一个正向电压(区连正极,区连负极)时,结处的空穴和电子分别被推向区和区,形成一个很小的电阻,使电流能够通过。
这种情况下,电流主要由少数载流子(空穴在区,电子在区)组成,随着正向电压的增加,正向电流呈指数增长。
2. 反向导通
当在结两端施加一个反向电压(区连负极,区连正极)时,结附近的空穴和电子分别被推离结,形成一个很大的电阻,只允许非常小的反向漏电流通过。
随着反向电压的增加,反向电流基本保持不变,直到达到击穿电压时,反向电流会突然增大。
二极管的基本特性可以通过它的伏安特性曲线来表示。
在正向偏置下,二极管呈现良好的导电性;而在反向偏置下,二极管则具有非常高的阻值,使电流难以通过。
这种整流作用使得二极管在许多电路中发挥着重要作用,如整流、开关、保护电路等。
结二极管的工作原理是基于半导体材料中载流子(电子和空穴)在电
场作用下的运动,通过调节结两端的电压大小和方向,从而控制电流的流向和大小。
Pn结与二极管的实验指导
Pn 结与二极管的实验指导一、实验题目：Pn 结与二极管 二、实验目的：1、对半导体二极管的伏安特性有一些感性认识，测绘二极管伏安特性曲线；2、了解Pn 结正向压降随温度变化的基本关系，了解Pn 结测温原理；测绘Pn 结正向压降随温度变化的曲线。
三、实验原理：1、晶体二极管的导电特性晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时，才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。
正向导通电压小（锗管约0.3V ，硅管约0.5V ）,反向导通电压（又称“击穿电压”，“耐压”）相差很大（几伏到几百伏）。
当外加电压大于导通电压时，电流按指数规律迅速增大，此时，欧姆定律对二极管不成立。
在这次实验中，就是要用伏安法测绘晶体二极管的正向、反向导电特性曲线。
测量电路如下：注：学生只做外接法2、Pn 结正向压降随温度变化的变化。
Pn 结温度传感器相对于其他温度传感器说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。
Pn 结温度传感器的原理如下：Pn 结正向压降(V F )是正向电流(I F )和温度(T )的函数：(0)(ln)ln g FrF kB k V V T T e I e =--其中，e 是电子电荷，k 是波尔兹曼常数，B 是与结面积、掺杂浓度有关与温度无关的常数，r 是常数（ 3.4r ≈），T 是绝对温度，V g (0) 是绝对零度时Pn 结材料的导带底和价带顶的电势差。
图2二极管反向伏安特性测量线路图1二极管正向伏安特性测量线路电源约1V(a) mA 表外接(b) mA 表内接 (a) mA 表外接(b) mA 表内接上式中有两项，线性项：(0)(ln)g FL k B V V T eI =-，非线性项：ln rN L k V Te=-可以证明，在恒流供电情况下，当温度较高（室温）时，Pn 结的V F 对T 的依赖关系取决于线性项L V ，即Pn 结正向压降随温度升高而线性下降，这就是Pn 结测温原理。
PN结与二极管原理解析
PN结与二极管原理解析PN结是一种由P型半导体与N型半导体交界形成的结构，它是半导体器件中最基本的单元。
PN结的构造与性质决定了它在电子元器件中的广泛应用，最典型的例子就是二极管。
PN结的形成是通过将P型半导体与N型半导体直接接触而形成的。
在P型半导体中，由于掺入了杂质原子称为施主原子，因此P型半导体中存在着大量自由的正电荷载流子，即空穴。
而在N型半导体中，由于掺入了杂质原子称为受主原子，因此N型半导体中存在着大量自由的负电荷载流子，即电子。
当P型半导体与N型半导体接触时，存在电子从N区向P区扩散的趋势，同时也会有空穴从P区向N区扩散的趋势。
这种扩散形成了P区与N区之间的扩散电势差，使得P区形成负电荷，N区形成正电荷，从而形成了PN结的电场，阻碍进一步的电荷扩散，达到了稳定状态。
PN结具有两个重要的性质：单向导电性和整流性。
首先，PN结具有单向导电性。
在正向偏置情况下，即将P区连接至正电源，将N区连接至负电源，使得P区的正电荷趋向于正电源，N区的负电荷趋向于负电源，这样可以增大PN结的电场，使得电子自由通过PN 结。
而在反向偏置情况下，即将P区连接至负电源，将N区连接至正电源，PN结的电场被削弱，电子难以通过PN结，产生较大的电阻。
这种单向导电性使得PN结可以用作二极管，实现信号的整流功能。
其次，PN结具有整流性。
在正向偏置时，电子可以通过PN结，实现电流的流动。
而在反向偏置时，由于电子难以通过PN结，电流的流动极其微弱。
这种整流性质使得二极管可以将交流信号转变为直流信号，是电子设备中重要的信号处理器件之一除了单向导电性和整流性，PN结还具有其他重要的特性，如正向电压下的导通压降和反向电压下的击穿电压。
正向电压下，PN结导通时会产生约0.7V的压降。
反向电压下，当反向电压超过PN结的击穿电压时，电流会迅速增大，可能损坏二极管。
因此，击穿电压是二极管在使用过程中需要考虑的重要参数。
总的来说，PN结是由P型半导体与N型半导体直接接触而形成的结构，具有单向导电性和整流性。
PN结和二极管原理专题培训课件
其 中 ： np区 非 平 衡 电 子 寿 命 pN区 非 平 衡 空 穴 寿 命
正向电流-电压关系
I0
Aq
ni2 NA
Ln
n
ni2 ND
Lp
p
qU
I I0 (e kT 1)
I0 是不随外加正偏压而变化的。
在常温（300 K）下，可近似为
I I0eqUkT
qU
I I0 (eKT 1)
因 为 AqnpL0nDn pNL0pDpAqP nP i20
Dn ni2 Ln nN0
D Lpp
且 NAPp0， NDnNO， Ln Dnn， LP DPP
因此，I0AqN ni2ALnn N niD 2 Lpp
—— PN结势垒
3、PN结 接触电势差 For n-type region
n 0 N ce x p E c k T E F n n ie x p E F k n T E i N D
EFn
Ei
KTln
ND ni
For p-type region
2、能带状态图
接触时
电场
各自独立时
平衡后
没有外加电压，费米能级应处处相等； 即 ：两个区的费米能级拉平 。
电场方向是电势降落的方向；
定义电势能：EqU qe
能带图是按电子能量的高低画 EeU
P区电子的电势 能比N区的高
势能坡垒
空间电荷区
PN结接触电势差
在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势 能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡”
其中，负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散
即载流子的浓度随 x 增加而减小，在 x 0 处（ X N 的边界
二极管pn结电容
二极管pn结电容二极管是一种常见的电子元器件，它由PN结组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体直接接触形成的结构。
在PN结的空间区域，由于P型半导体和N型半导体之间的杂质浓度不同，形成了内建电场。
这个内建电场会导致PN结具有一些特殊的电性质，其中之一就是二极管的PN结电容。
PN结电容是指在二极管的PN结中存在的电容效应。
当二极管处于正向偏置状态时，PN结电容存在，而当二极管处于反向偏置状态时，PN结电容几乎可以忽略不计。
正向偏置是指将P型半导体端连接至正电压，而将N型半导体端连接至负电压的情况。
在这种情况下，由于P型半导体的空穴浓度较高，N型半导体的电子浓度较高，电子和空穴会向PN结区域扩散。
这样，PN结中的空间区域将被电子和空穴填满，电子和空穴会形成互相扩散的电流。
这个现象被称为正向偏置电流。
当二极管处于正向偏置状态时，PN结电容会起到一个重要的作用。
由于PN结的电场会阻碍电子和空穴的扩散，因此会形成一个电势垒。
这个电势垒会对电流的流动产生一定的阻碍，从而形成二极管的正向压降。
而PN结电容则会储存一部分电荷，这些电荷会随着电流的变化而发生变化，从而形成PN结电容。
反向偏置是指将P型半导体端连接至负电压，而将N型半导体端连接至正电压的情况。
在这种情况下，由于P型半导体的空穴浓度较高，N型半导体的电子浓度较高，空穴会向N型半导体端扩散，而电子会向P型半导体端扩散。
这样，PN结中的空间区域将被电子和空穴排斥，形成一个很宽的耗尽区。
在这个耗尽区中，由于电子和空穴没有互相扩散，因此几乎不会有电流流过。
这个现象被称为反向偏置。
当二极管处于反向偏置状态时，PN结电容几乎可以忽略不计。
由于PN结中没有电流流过，因此PN结电容不会储存电荷，也不会发生电荷的变化。
二极管的PN结电容是由于PN结中的内建电场而产生的。
当二极管处于正向偏置状态时，PN结电容会储存电荷，发生电荷的变化；而当二极管处于反向偏置状态时，PN结电容几乎可以忽略不计。
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2.4.3 检波电路
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2015年9月21日星期一
2.4.4 箝位电路
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2015年9月21日星期一
2.4.5 限幅电路
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2015年9月21日星期一
2.4.6 稳压电路
一、稳压二极管
应用在反向击穿区 （雪崩击穿和齐纳击穿）
2.1 半导体基础 2.2 PN结和二极管 2.3 二极管模型 2.4 二极管的应用
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2.1 半导体基础
半导体 定义:电阻率 10－5Ω ·m导体，107Ω ·m绝缘体， 之间的为半导体。 特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等
导带与价带之间是禁带。
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2.1.2 P型和N型半导体
杂质半导体 本征半导体的缺点？
1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
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(1）N型半导体（电子型半导体） 施主杂质
电子(- ) 空穴(+)
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!
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2015年9月21日星期一
(3) 空穴的移动(导电）
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填 补空穴来实现的
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2015年9月21日星期一
(4) 能带结构
自由电子的能量较大，其能级位 置处于导带之中；
价电子的能量较低，能级位置在 价带之中；
基本要求
1.正确理解PN结。 2.熟练掌握器件（二极管）的外特性、主 要参数。 3.会查阅电子器件手册。
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作业 题2－18，题2－21，题2－25
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2015年9月21日星期一
注意：
稳压二极管在工作时应反接，并 串入一只电阻。
电阻的作用： 限流保护 误差调节
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二、电路原理
(1) 输入电压变化时
VI↑→VO↑ →VZ↑ →IZ↑ →IR↑ →VR↑ →VO↓
(2) 负载电流变化时
IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
（一）符号、伏安特性 和典型应用电路
(b) (b) 伏安特性
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2015年9月21日星期一
（二）主要参数
(1) VZ —— 稳定电压 (2) IZ ——稳定工作电流
IZmin ~IZmax (3)PZM ——最大耗散功率
取决于PN结的面积和散热等条件，超过则热击穿 PZM = VZ IZmax
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以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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在硅和锗的能带图中，磷的能级位置在禁带 之中而又靠近导带，只要很小的激发能便可使多 余的电子挣脱原子核的束缚变成自由电子；而硼 的能级只比价带顶高0.045eV，只要很小的激发 能，价电子就会挣脱共价键的束缚，从价带跳到 这个能级上，在价带上留下一个空穴。
外加的反向电压增强了内电场 PN结呈现高阻性
2015年9月21日星期一
反向饱和电流 （IS= IR ） (Saturation)
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2.2.2 PN结的伏－安特性
定性 ——单向导电性
一、二极管方程（定量）
理想二极管(PN结）方程：
V
I IS (e VT 1)
IS :反向饱和电流 VT =kT/q :温度的电压当量 室温（T=300 K）下，
PN结的形成过程
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PN结的形成小结：
浓度差
多子扩散空间电荷区(杂质离子)
内电场
促使少子漂移 阻止多子扩散
当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结
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实质
PN结，空间电荷区，耗尽层，内电场，电阻
电位壁垒：硅材料0.6～0.8V
锗材料0.2～0.3V
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二、小信号模型
即系统模型
势垒电容
Cj
C j0
/1
Vp
0
m
Ψ0内建势
扩散电容 Cd aID a为常数
微变电阻
rd
dVD dI D
Vt ID
kT eI D
rd
正偏 反偏
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2.4 二极管的应用
2.4.1 简介
2.4.2 整流电路
2.4.3 检波电路
2.4.4 2.4.5
2015年9月21日星期一 发光管
触敏屏
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二极管是一种非线性器件，需应用线性化 模型分析法对其应用电路进行分析。
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2015年9月21日星期一
型号命名规则
2AP9 2DW7B 1N4001 1N4007 1N4148 1N5819 2DW7B
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2015年9月21极管 2、稳压二极管 3、光电二极管 将光信号转换为电信号的器件，
常用于光的测量，或做光电池。
4、发电二极管
（LED）
5、激光二极管
将电信号转换为光信号的器件， 常用于显示，或做光纤传输中 的光发射端。
发射相干单色光的特殊发光二 极管。主要用于小功率光电设 备，如光驱、激光打印头等。
三、二极管的主要参数
(1) IF——最大整流电流
长期连续工作时，允许通 过的最大正向平均电流
(2) VBR——反向击穿电压
(3) IR（IS）—— 反向饱和电流
硅 (nA)级；锗 (A)级
(4) rd ——动态电阻 rd =VF /IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数
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2015年9月21日星期一
2.2.3 PN结的击穿
正离子
特 点：
多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成） 掺 杂：少量掺入五价杂质元素（如：磷5个价电子）
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(2）P型半导体（空穴型半导体） 特 点：
多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形成） 掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼B、镓Ga和铟In等3个价电子）
VT=26 mV
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理想二极管的伏安特性曲线
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二、实际二极管的伏安特性
理想D伏安特性：
V
I IS (e VT 1)
实际二极管的伏安特性 两点区别： 1)正向特性(V>0)
存在死区电压
硅：Vth=0.5 V 锗：Vth=0.1 V
2)反向特性(V<0) 存在击穿电压
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受主杂质 负离子
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(3) 杂质对半导体 导电性的影响
影响很大。载流子数目剧增
典型数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的
电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的
自由电子浓度: n=5×1016/cm3 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
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2.2 PN结和二极管
2.2.1 平衡态PN结中的载流子分布 2.2.2 PN结的伏－安特性 2.2.3 PN结的击穿
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2015年9月21日星期一
2.2.1 平衡态PN结中的载流子分布 形成
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结 两种运动：
扩散（浓度差） 漂移（电场力）
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2015年9月21日星期一
2.3 二极管模型
一、大信号模型
V
I IS(e nVT 1)
IS :反向饱和电流 n :与工艺有关的常数
理想模型
0
ID
恒压模型
0
ID
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VD 0 VD 0
VD Vr VD Vr
Vr为开启电压
硅：0.5~0.7V 锗：0.1~0.3V
2.1.1 本征半导体 2.1.2 P型和N型半导体
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2.1.1 本征(intrinsic)半导体
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动 (4) 能带结构
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2015年9月21日星期一
三、稳压电阻的计算
稳压性能与动态电阻、稳压电阻R有关
稳压管的动态电阻越小，稳压电阻R越大， 稳压性能越好。
稳压电阻R 的作用
电压调节、限流
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2015年9月21日星期一
稳压电阻的 计算如下：
(1) Izmin：当输入电压最小，
负载电流最大时
VImin VZ Rmax
击穿有两种机制：
一是齐纳击穿：重掺杂， 空间电荷区很窄不太大的反偏 压就会产生很强的电场，把电 子从共价键上拉出来，形成电 子空穴对。电子被反向电场扫 到N区，空穴被扫到P区，成 为反向电流。
一是雪崩击穿：轻掺杂，耗尽区较宽，穿越耗尽区 的少子受到电场加速，获得足够的动能，把共价键上的 电子碰下来，产生电子空穴对。这些电子被电场加速， 又会产生新的电子空穴对，如同雪崩一样，导致反向电 流随着反向偏压增大而迅速增大。
二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。 类型：点接触型、面接触型和平面型 (1) 点接触型—