第2讲 半导体基础知识-二极管
好资料二极管
图1－7 PN结加正向电压 时的导电情况
第一章 半导体二极管
(2) PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图1－8所示。
外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方在向一相定同的，温加度强条了件内下电，场。内电场对多子扩散运动的阻碍 增由强本，征激发决定的少子浓 扩度散是电一流定大的大，减故小少。子此形时成 P的N结漂区移电的流少是子恒在定内的电，场基的 作本用上下与形所成加的反漂向移电电压流的大大 于小扩无散关电，流这，个可电忽流略也扩称散为 电反流向，饱P和N结电呈流现。高阻性。
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
第一章 半导体二极管
(1) PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图1－7所示。
外加的正向电压有一部 分降落在PN结区，方向与 PN结内电场方向相反，削弱 了内电场。于是,内电场对 多子扩散运动的阻碍减弱， 扩散电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略漂移 电流的影响，PN结呈现低阻 性。
图 1－8 PN结加反向电压时 的导电情况
第一章 半导体二极管
图 1－9 PN结加反向电压时 的导电情况
PN结加正向电压时 ，呈现低电阻，具有较大 的正向扩散电流；PN结 加反向电压时，呈现高电 阻，具有很小的反向漂移 电流。由此可以得出结论 ：PN结具有单向导电性 。
第一章 半导体二极管
往往用于集成电路制造工
4、最高工作频率ｆＭ。ｆＭ的值主要取决于ＰＮ
结结电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许的最高工 作频率越低。
第一章 半导体二极管
1.3 二极管电路的分析方法
线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰 当的元件进行等效，建立相应的模型。
第1章—02-半导体二极管-sw
六、发光二极管 发光二极管
将电能转换成光能的特殊半导体器件。 1.定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件。 定义： 2.类型 类型 普通发光二极管 红外发光二极管 …… 直流驱动电路 交流驱动电路
3.常用驱动电路： 常用驱动电路：
4.工作原理： 管子加正向电压时 在正向电流激发下， 4.工作原理：当管子加正向电压时，在正向电流激发下， 工作原理 管子发光，属电致发光。 管子发光，属电致发光。 注意：发光二极管在加正向电压时才发光。 注意：发光二极管在加正向电压时才发光。
模拟电子技术基础 第1章 常用半导体器件
电子系 2010年9月 Electronic Department Sep. 2010
第一章 常用半导体器件
1.1、半导体的基础知识 1.1、 1.2、半导体二极管 1.2、 1.3、 1.3、晶体三极管 1.4、 1.4、场效应管
1.2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管 六、发光二极管 七、光电二极管 八、其他二极管 九、二极管的应用
ui=0时直流电源作用 时直流电源作用
∆u D U T 根据电流方程，rd = ≈ ∆iD ID
小信号作用 Q越高，rd越小。 越高， 越小。 越高 静态电流
四、二极管的主要参数
• • • • 最大整流电流I 最大整流电流 F：最大平均值 最大反向工作电压U 最大反向工作电压 R：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率f 最高工作频率 M：因PN结有电容效应 结有电容效应 结电容为扩散电容（ 与势垒电容（ 之和。 结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。
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第2讲 半导体二极管原理
课程名称：电工学与电子技术本次课标题：第2讲半导体二极管授课班级上课时间周月日第节上课地点教学目的1、了解半导体二极管的工作原理和主要参数；2、了解稳压管的工作原理和主要参数。
教学目标能力（技能）目标知识目标1、理解半导体的单向导电性；2、掌握半导体二极管的伏安特性和主要参数；3、掌握稳压管的特性。
1、了解半导体二极管的工作原理和主要参数；2、了解稳压管的工作原理和主要参数。
重点难点及解决方法重点：1、PN结的单向导电性；2、二极管的伏伏安特性；3、稳压管的特性。
难点：PN结的单向导电性。
解决办法：例题讲授与学生练习相结合，采用实物讲演法、图文并茂法、概念推演法、循序渐进法等多种教学方法。
参考资料《电工学》、《电工电子学》、《电工电子技术》教学设计课题第2讲半导体二极管教学目的1、了解半导体二极管的工作原理和主要参数；2、了解稳压管的工作原理和主要参数。
教学重点1、PN结的单向导电性；2、二极管的伏伏安特性；3、稳压管的特性。
教学过程及教学内容教学方法引入一、半导体的基础知识课堂提问：物体根据导电能力的强弱可分几类？自然界中的物质，按其导电性能可分为三大类，即导体、绝缘体和半导体。
导体是指导电能力很强的物质，如金、银、铜、铝等金属材料；绝缘体是指那些导电能力极弱，几乎不导电的物质，如塑料、陶瓷、玻璃等；半导体则是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、砷化镓等常用半导体材料。
—由于绝大多数半导体都是晶体，所以用半导体材料制造的二极管和三极管也常称为晶体二极管和晶体三极管。
启发思考法概念分析（一）半导体的导电特性利用半导体材料可以制成各种半导体器件，但其理由并不在于半导体的导电性能介于导钵和绝缘体之间这一性质，而在于半导体具有以下特殊的性质：1、热敏性：半导体的导电能力随外界温度升高而显著增加。
2、光敏性：半导体的导电能力随光照强度而显著变化。
这些特性称之为半导体的光敏特性和热敏特性，利用光敏特性可以制成光敏元件，利用热敏特性可以制成热敏元件。
高中物理二极管基础知识
高中物理二极管基础知识
二极管是有源半导体器件，是由三层半导体结构组成的，它是电路中的重要部件，在半导
体电路设计中发挥着重要作用。
首先，二极管由N型半导体和P型半导体两层半导体物质组成，中间嵌入绝缘物质，形
成由N型半导体和P型半导体组成的多层结构。
其次，二极管有两种类型，分别是P-N结晶和P-N增强型二极管，P-N结晶型二极管是最简单的。
其工作效果为：当正向电压小于反向电压时二极管为关闭状态，反之大于时开启。
由此可见，二极管的工作原理很简单，它的作用是对电路输入电压的开启和关闭。
此外，二极管还具有反向阻抗性能。
当二极管处于开启状态时，反向电阻很大，这样即使
反向电流流入，也不会把正向电源电压拉低，因此二极管具有很好的反向阻抗性能。
再者，由于二极管的集成有限，其功能和能量损耗也很小，因此是用于移动电源供电非常
有用的装置。
总而言之，通过介绍可以认识到二极管几乎可以应用于所有的半导体电路中，其工作原理简单，反向阻抗性能好，功能及能量损耗也较小，应用面很广，可以很好地满足工程师们在日常工作中的需要。
半导体、二级管和三极管概述
PN结加反向电压
PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。
流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所 以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动Байду номын сангаас成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
稳压管的伏安特性
稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。
（6）其它类型二极管 发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。
图4 本征半导体中 自由电子和空穴
本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。
半导体发光二极管基本知识
半导体发光二极管基本知识自从60年代初期GaAsP 红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。
最早发展包括用GaAs 1-x P x 制成的同质结器件，以及GaP 掺锌氧对的红色器件，GaAs 1-x P x 掺氮的红、橙、黄器件，GaP 掺氮的黄绿器件等等。
到了80年代中期出现了GaAlAs 发光二极管，由于GaAlAs 材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使LED 的发展达到一个新的阶段。
这些GaAlAs 发光材料使LED 的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard 公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn 材料为基础的新型发光二极管。
由于AlGaIn 在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED 的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。
近几年来，由于CaN 材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白LED 的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白LED 在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。
本课程将介绍LED 的基本结构、LED 主要的电学、光度学和色度学参数，并简单介绍LED 制造主要工艺过程。
1. 发光二极管（Light Emitting Diode ） 的基本结构图<1>是普通LED 的基本结构图。
它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。
组成LED 的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架 和环氧树脂。
1.1 管芯事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的PN 结。
由 不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。
即使同一种材 料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组 份，也可以得到不同的发光颜色。
下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。
二极管基础必学知识点
二极管基础必学知识点以下是学习二极管基础知识时必须了解的几个重要概念和知识点：1. 二极管的结构：二极管是一种由P型半导体和N型半导体组成的器件。
P型半导体具有正电荷载流子（空穴），N型半导体具有负电荷载流子（电子）。
2. PN结：当P型半导体与N型半导体通过直接接触形成结构时，形成的结构称为PN结。
在PN结中，P型半导体的载流子与N型半导体的载流子会发生扩散，形成一个电场区域，使得P型区域形成一个正电荷区（P区），N型区域形成一个负电荷区（N区）。
3. 二极管的正向偏置和反向偏置：当二极管的P区连接正电压而N区连接负电压时，电场区域会扩大，电子会从N区向P区运动，形成电流。
这种情况下，二极管处于正向偏置状态。
反之，当P区连接负电压而N区连接正电压时，电子会从P区向N区运动，不会形成电流。
这种情况下，二极管处于反向偏置状态。
4. 二极管的导通和截止状态：在正向偏置下，二极管的P区和N区之间的电场有效扩展，形成了一个导电通道。
此时二极管处于导通状态，可以通过电流。
在反向偏置下，电场区域不会扩大，电流无法通过二极管，此时二极管处于截止状态。
5. 二极管的正向电压降和反向电流：在正向偏置状态下，二极管上会出现一个正向电压降（一般约为0.7V），称为正向压降。
反向偏置状态下，只有很小的漏电流（反向漏电流）能够通过二极管。
6. 二极管的应用：由于二极管具有只允许电流单向通过的特性，因此可以用于整流电路，将交流电信号转换为直流电信号。
此外，还可以用于电压稳压器、开关、逻辑门等电路中。
以上是学习二极管基础知识时必须了解的几个重要概念和知识点。
在深入学习二极管原理和应用时，还需要了解二极管的特性曲线、温度对二极管的影响、二极管的灵敏度等内容。
二极管基础知识详解
二极管基础知识详解
二极管是一种具有两个电极的半导体元件，其中一个电极称为“阳极”，另一个则称为“阴极”。
二极管的主要作用是将电流限制在一个方向上，即只允许电流从阳极流向阴极，而不允许反向流动。
这种特性使得二极管在电子学中有着广泛的应用。
二极管的工作原理基于半导体材料的特性。
当半导体材料中掺入某些杂质时，就会形成“pn结”，即一个带有正电荷的区域（p区）和一个带有负电荷的区域（n区）的交界处。
在这个交界处，由于电子和空穴的复合作用，会形成一个电势垒，阻碍电子和空穴的自由移动。
当外加电压足够大时，这个电势垒就会被击穿，电子和空穴就可以通过pn结流动，此时二极管就处于导通状态。
二极管的导通状态和截止状态之间的转换是非常快速的，这使得二极管可以用来制作高频电路。
但是，由于二极管只能让电流单向流动，所以在电路中必须注意使用二极管的极性。
如果将二极管反向连接，就会出现截止状态，电流无法通过二极管，这种现象称为反向击穿。
除了基本的二极管之外，还有一些特殊种类的二极管，如光电二极管、肖特基二极管、稳压二极管等。
这些二极管具有不同的特性和应用场景，可以根据具体的需求选择合适的二极管。
总的来说，二极管是电子学中非常基础和重要的元件，具有广泛的
应用。
掌握二极管的基本工作原理和特性，对于学习电子学和电路设计都是非常有帮助的。
二极管基础知识
二极管基础知识二极管基础知识二极管是一种简单但非常重要的电子器件。
它有许多不同的应用和用途，从电源管理到通信系统。
了解二极管的基础知识对于理解现代电子学至关重要。
下面，我们将介绍二极管的基础知识，包括如何工作以及构建与使用二极管的一些提示。
一、什么是二极管二极管是一种电子器件，通常由半导体材料制成。
它由两个区域组成，其中一个区域富余电子，另一个区域缺乏电子（空穴）。
在合适的电路中，二极管允许电流在一个方向上流通，而在反向时则阻止电流的流动。
二、如何工作当一个电压施加在二极管的导电区域上，就会形成一个电场。
如果施加的电压超过了二极管的阈值电压（约为0.6V至0.7V），这个电场就足以克服材料的禁带宽度，泵出电子和空穴从而在二极管中形成电流。
这种电流流向负电极，因为负电极是阴极，它吸引了电子。
当反向电压施加在二极管的导电区域上时，由于没有足够的电场来克服禁带宽度，电子和空穴在二极管中不会产生电流。
这时，没有电流流过二极管，所以它会用来作为开关和保护元件。
三、常见的二极管种类1. 硅二极管（Si）硅二极管广泛使用于大多数应用中，包括通信、消费电子、电源管理和自动化控制。
硅二极管还在宽温度范围内，具有良好的性能和尺寸优势。
2. 锗二极管（Ge）锗二极管又称电子对管，已逐渐被硅二极管所取代。
锗二极管具有较低的噪声水平和敏感性，用于特殊应用，如电视机中的高频放大器。
3. 隧道二极管隧道二极管是一种狭义二极管，它可以在负温度系数区域实现高速，超高频和超低功率操作。
隧道二极管还可以用于数字电路中，如超高速运算放大器，高速开关和定时器中。
4. 光电二极管光电二极管是一种特殊类型的二极管，它是利用光电效应来转换光能为电能或电能为光能的半导体器件，广泛用于光通信、自动光控制、光电转换、机器视觉和人工智能等领域。
四、二极管的应用由于二极管在电路中具有单向导电性的特点，所以它可以被用于很多不同的应用，例如：1. 整流器二极管可以用作整流器，使交流电信号转化为直流电信号。
解析半导体二极管基础知识
解析半导体二极管基础知识一.半导体二极管的分类半导体二极管按其用途可分为：普通二极管和特殊二极管。
普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管等。
二.半导体二极管的主要参数1．反向饱和漏电流IR指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。
在常温下，硅管的IR为纳安（10-9A）级，锗管的IR为微安（10-6A）级。
2．额定整流电流IF指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。
目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。
3. 最大平均整流电流IO在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。
这是设计时非常重要的值。
4. 最大浪涌电流IFSM允许流过的过量的正向电流。
它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。
5．最大反向峰值电压VRM即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。
这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。
因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。
最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。
目前最高的VRM值可达几千伏。
6. 最大直流反向电压VR上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。
用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的.7．最高工作频率fM由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。
点接触式二极管的fM 值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。
8．反向恢复时间Trr当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。
实际上，一般要延迟一点点时间。
决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。
虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。
也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。
半导体二极管
半导体二极管的应用
半导体二极管的应用
半导体二极管具有广 泛的应用，以下是几
个主要应用领域
半导体二极管的应用
整流：利用二极管的单向导电性，可以将 交流电转换为直流电。这是二极管最基本 的用途之一
检波：在无线电接收机中，二极管可以用 来检波，从复杂的信号中提取出所需要的 音频信号
限幅：在电路中，二极管可以用来限制电 流的幅度，防止电流过大导致电路损坏
电容-电感法：在二极管电路中，利用电 容和电感的充放电特性，可以检测二极 管的性能
晶体管测试仪：专业的晶体管测试仪可 以更全面地检测二极管的各项性能指标
二极管的检测与维护
二极管的维护
避免过电压：过电压可能会损坏二极管，应确保二极管两端的电压在规定范围内 避免过电流：过电流可能会导致二极管发热甚至烧毁，应确保流过二极管的电流不超 过额定值 注意工作环境：高温、高湿、腐蚀性气体等恶劣环境可能会影响二极管的性能和寿命 ，应尽量改善工作环境 定期检查：定期检查二极管的工作状态，如有异常应及时处理 更换操作规范：更换二极管时，应选用同型号、同规格的产品，并遵循安装规范进行 操作 存储与运输：二极管应存储在干燥、通风、无腐蚀性气体的环境中，运输过程中应避 免剧烈震动和冲击
二极管的检测与维护
二极管故障分析
断路故障：可能原因包括焊接不良、引线断裂等。 这种故障会导致电路不导通，解决方法是重新焊接 或更换引线
短路故障：可能原因包括二极管反接、性能不良等 。这种故障会导致电路短路或漏电，解决方法是找 出反接的二极管并纠正，或更换性能不良的二极管
参数变化故障：长期工作或环境变化可能导致二极 管的参数发生变化，如正向压降、反向电阻等。这 种故障可能导致电路性能下降或失效，解决方法是 定期检测和更换二极管
《半导体的基本知识》PPT课件
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
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。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
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.本征激发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）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
半导体二极管基础知识解读
第一章 半导体二极管
3. 反向饱和电流IS 在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电 流。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。由于温度升高， 反向电流会急剧增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的 影响。 二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件 手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不 要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易 损 坏。 看看这里 1.4 特殊二极管 前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极 管,如稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等 , 现介绍如下。 1．稳压二极管 1）稳压二极管的工作特性 稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图1.20所示。
第一章 半导体二极管
第一章 半导体二极管
结变窄
结变宽
－＋
P
－－ ＋＋
N 自建场方向 P －－ ＋＋ N
－＋ －＋
－－ ＋＋
外电场方向 自建场方向
外电场方向 正向电流（很大） ＋ －
反向电流（很小） －
看看这里
＋
(a)
(b)
图1.6 PN结的单向导电性 （a）正向连接; （b）反向连接
第一章 半导体二极管
2）PN结反向偏置——截止 将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。 由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多 子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN 结附近拉走，使 PN 结变厚，呈现出很大的阻值，且打破 了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少 子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认 为PN结截止。 综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向
1-半导体基础知识及二极管
2-5
元素周 期表
2-6
1、电子半导(Negative) ——N型半导体 、电子半导 型半导体 +5价元素磷 、砷(As )、锑(Sb)等在硅晶体中 价元素磷(P)、 价元素磷 、 等在硅晶体中 给出一个多余电子，故叫施主原子。 给出一个多余电子，故叫施主原子。 电子数目 = 空穴数 + 正离子数
空穴 +4
+4 自由电子
+4
+4
+4
自由电子 空穴
挣脱共价键的束缚自由活动的电子 束缚电子成为自由电子后， 束缚电子成为自由电子后，在共 价键中所留的空位。 价键中所留的空位。
2-4
二、杂质半导体
电子半导体 (Negative) 杂质半导体 空穴半导体 (Positive ) 加+3价元素硼 价元素硼 (B )、铝(Al )、铟 、 、 (In)、钙(Ga ) 、 价元素磷(P)、 加+5价元素磷 、 价元素磷 砷(As )、锑(Sb) 、
2AP 2CP
2CZ54 (c)
2CZ13
2CZ30
二极管外形
2-22
二、二极管的V—I特性 二极管的 特性
二极管两端加正向电压时,就产生 二极管两端加正向电压时 就产生 二极管两端加上反向电压时,在开 当正向电压超过门槛电压时,正向 二极管两端加上反向电压时 在开 当正向电压超过门槛电压时 正向 二极管反向电压加到一定数值时, 二极管反向电压加到一定数值时 正向电流,当正向电压较小时 当正向电压较小时,正向 正向电流 当正向电压较小时 正向 iV / mA 始很大范围内,二极管相当于非常 电流就会急剧地增大,二极管呈现 始很大范围内 二极管相当于非常 电流就会急剧地增大 二极管呈现 反向电流急剧增大,这种现象称 反向电流急剧增大 这种现象称 电流极小（几乎为零） 这一部分 电流极小（几乎为零）,这一部分 大的电阻,反向电流很小 。 这时 很小电阻而处于导通状态。 反向电流很小,且不随反 大的电阻 反向电流很小 且不随反 很小电阻而处于导通状态 为反向击穿。 为反向击穿。此时对应的电压称 B′ 称为死区,相应的 相应的A(A′)点的电压称 称为死区 相应的 点的电压称 15 向电压而变化。 用U 表示 如图 硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V, 向电压而变化。此时的电流称之为 硅管的正向导通压降约为 为反向击穿电压,用 BR表示,如图 为反向击穿电压 为死区电压或门槛电压(也称阈值 为死区电压或门槛电压 也称阈值 反向饱和电流IR 。如图中 （ OC′） 锗管约为0.2~0.3V,如图中 见图中OC（ 如图中AB(A′B′) 反向饱和电流 段,见图中 锗管约为 ） 中CD(C′D′)段 见图中 电压),硅管约为 硅管约为0.5V,锗管约为 锗管约为0.1V, 10 电压 硅管约为 锗管约为 段。 段。 如图中OA(OA′)段。 如图中 段 5
半导体基础
5
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 多子空穴 变薄
+ + + 多子电子 + +
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 变薄
－ － － － － + + + + +
－ － － － －
＋
I：扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
－ － － － － + + + + +
三.PN结的电流方程及V-I特性
三.PN结的电流方程及V-I特性
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v 当加正向电压时： u为正值，表达式 等效成 ：
u
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v PN结的反向击穿： 反向击穿 电击穿 可逆
i/mA
i/mA
i=IS e
2.2 PN结及其特性
一. PN结的形成
耗尽层
PN结
势垒区
阻挡层
-
+
V0 （电位势垒）
【见教材P15图2-4(a)】
返回
【见教材P15图2-4(b)】
4
耗尽层
PN结
由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动： 势垒区 阻挡层 v 多数载流子的扩散运动
P区空穴→N区 N区电子→P区 N区空穴→P区 P区电子→N区
IF
UT
指数 关系 反向击穿电压
i=-IS u/V
(μ A)
二极管
课题：5.1二极管课时：2课时课型：新课：原理介绍、操作课授课方式：讲授目的要求：1、熟悉并理解半导体材料的特性2、掌握二极管的物理特点。
3.了解二极管的种类重点：掌握二极管的物理特点难点：熟悉并理解半导体材料的特性1.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体纯净的半导体称为本征半导体。
1．半导体的特性自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。
半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。
它具有热敏性、光敏性和掺杂性。
利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。
2．半导体的共价键结构在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。
每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。
这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。
如图1.1所示。
两个电子的共价键图1.1 硅和锗的共价键结构当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴,如图1.2所示。
图1.2 本征激发产生电子空穴对示意图自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。
在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。
我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。
由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上,如图1.3所示。
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RL最大时IL的最小值为UZ / RLmax 。
当Ui =Uimin，
RL = RLmin时，
IZ最小。应满足 当Ui=Uimax, RL=RLmax时， IZ最大。应满足
U i min U Z UZ I Z min R RL min 即 R U i min U Z RL min Rmax RL min I Z min U Z
1. 将伏安特性折线化
中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
应根据不同情况选择不同的等效电路！
概 述
2. 微变等效电路
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
ui=0时直流电源作用
C j Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
概 述
1.3 晶体二极管
晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的。
晶体二极管结构示意图
晶体二极管电路符号
概 述
1.3.1 二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
点接触型： 结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高
概 述
第一章
半导体基础知识 晶体二极管
概 述
1.1 半导体物理基础知识
按导电性能的不同，物质可分为导体、 绝缘体和半导体。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂 质而发生显著变化。 目前用来制造电子器件的材料主要是 硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。
概 述
i I S (e
u UT
1)
(常温下 U T 26m) V
材料 开启电压
击穿 电压
导通电压
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
反向饱和电流
硅Si
锗Ge
0.5V
0.1V
0.5~0.8V
0.1~0.3V
1µ A以下
几十µ A
概 述
1.3.3
理想 二极管
二极管的等效电路
导通时i与u成 线性关系
概 述
空 间 电 荷 区 的 形 成
内建电场： 空间电荷区的左侧带负电，右侧带正电，这样在空间电荷 区内就形成一个电场，阻止多子的扩散，促进少子的漂移， 最终达到动态平衡。
概 述
2. PN结的单向特性
• 正向特性 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压 或正向偏置（简称正偏）。
PN 结正向偏置
概 述
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
本征激发
概 述
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴 在其它力的作用下，空
+4
+4
穴吸引附近的电子来填 补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可以认为空穴 是载流子。
+4
+4
概 述
当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地 位，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。
因此，PN结正常工作的最高温度：
Si：150～200℃、Ge：75～100℃
概 述 图 示
温度对PN结伏安特性曲线的影响
概 述
5. 电容特性：
• PN结除了电流随电压变化（伏安特性）的
非线性电阻特性之外，还具有电荷量随电
成正比的增大。
概 述
3. 伏安特性
I I S (e 1) V 为正值，且 V VT （或 V 100 mV ）时
V VT
I ISe
V VT
V 为负值，且 V VT 时
I IS
导通电压：
即为反向饱和电流 硅PN结 VD (on) 0.7V
锗PN结 VD ( on) 0.25V PN结伏安特性曲线
变化；
发光二极管：导通时可发光，截止时不发光；
光敏二极管：能将光能转换为电能；
其它：肖特基表面垫垒二极管、隧道二极管等。
概 述
讨论一
判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。
判断二极管工作状态的方法？
讨论二
概 述
ID
Q
1. V＝2V、5V、10V时二极管中 的直流电流各为多少？ 2. 若输入电压的有效值为5mV， 则上述各种情况下二极管中的交 流电流各为多少？ uD U T
导体的一大特点。
概 述
1.1.2 杂质半导体
杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质” 元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。
1. N型半导体
在本征Si和Ge中掺入微量 五价元素后形成的杂质半 导体称为N型半导体。 所掺入五价元素称为施主 杂质，简称施主（能供给 自由电子）。
概 述
2. P型半导体
围内变化时(IZmin<I<IZmax)，其两端电压几乎不变。
概 述 图示
进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流
稳压二极管的伏安特性
概 述
2. 稳压二极管的主要参数 • 稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。 • 最小稳定电流 IZmin 保证二极管可靠击穿所允许的最小反向电流，当 IZ< IZmin时，稳压管不再稳压。 • 最大稳定电流 IZmax 保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流，当
+
+ 内电场 外电场
N
R
E
概 述
反向电流几乎全部由少子的漂移作用形成，其值 几乎与外加反向电压大小无关，故反向电流又称为 反向饱和电流，用 I S 表示。 硅PN结的 锗PN结的
IS IS
约为
约为
(10 9 ~ 10 16 )
A A
(10 6 ~ 10 8 )
I S 随温度的升高而增大，还与PN结面积
1.1.1 本征半导体
用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层 电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
价电子
概 述
硅和锗都是晶体，相邻原子由价电子组成的共价键 联系在一起 共价键共 用电子对 +4表示除 去价电子 后的原子 +4 +4
+4
+4
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体
本征半导体的导电机理
概 述
1.2 PN 结
通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导 体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成 一个很薄的特殊物理层，称为PN结。
1. 动态平衡下的PN结
P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区 一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在 空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并 在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在 P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的 受主负离子和施主正离子。
变薄 －
概 述
+
+ + +
+
－
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
P
－
N
－
外电场
内电场
R
E
概 述
• 反向特性
P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。 内电场被加强，多 子的扩散受抑制。 少子漂移加强，但 少子数量有限，只 能形成较小的反向 + 电流。
变厚
－
+
+
_
P
－
－
－
uD U T 根据电流方程， rd iD ID
小信号作用 Q越高，rd越小。 静态电流
概 述
1.4 稳压二极管及稳压电路
稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作
的二极管，主要用于稳压电路。 1. 稳压二极管的特性 其正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅 在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范
压变化的（伏库特性）非线性电容特性。
•
PN结的结等效电容Cj分为：垫垒电容CT
和扩散电容Cd
概 述
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容：
概 述
结论：
PN结具有单向导电性 PN结加正向电压时， 形成较大正向电流ID， 呈现电阻小，导通； PN结加反向电压时， 形成的反向电流IS极
小，呈现电阻很大，
PN结伏安特性曲线 不导通（截止）；
概 述
4. 温度特性
当温度升高时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加， 从而导致PN结的反向饱和电流IS增大。 实验结果表明： 温度每升高10℃，IS约增加一倍； VD(on)随温度升高而略有下降（温度每升高1℃，VD(on) 约减小2.5mV）。
面接触型： 结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低
平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大
概 述
1.3.2 二极管的主要参数
1、半导体二极管的主要参数
①最大整流电流IF ：二极管长期工作时允许通 过的最大正向平均电流。 ②最大反向工作电压UR：指二极管在使用时所允许加的 最大反向电压，一般取UR=1/2·UBR。 ③反向电流IR ：指二极管未被击穿时的反向电流值，IR 越小，二极管的单向导电性越好。 ④最高工作频率fM：由PN结电容大小决定，信号频率若 超过fM，二极管的单向导电性就不能很好体现。