3-1半导体学与发光二极管
3二极管及其应用
硼（B）
三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低(相遇而复合) ，产生内电场。
PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
3、稳压二极管的应用电路 1）稳压电路
RL
Io IR Uo IZ IR Vo
例：某稳压管 U zW 10V, I zmax 20mA, RL 10k I 5mA zmin
要求：当输入电压由正常 值发生20%波动时，负载 电压基本不变。 求：限流电阻R和输入电 压 ui 的正常值。
0.8ui iR U zW 10R 10
联立方程，可解得：
i
R DZ
iL
ui 18.75V, R 0.5k
ui
iZ
RL
uo
2）限幅电路
四、发光二极管
发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、
磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的。不仅具有一般PN结的单向导电 性，而且在一定条件下，它还具有发光特性。
近似分析 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！
100V？5V？1V？
？
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。
电路与模拟电子技术-常用半导体器件与二极管电路
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12
5.1.4 杂质半导体
三价元素硼(B)
掺通入常三杂价质元半素导的体杂中质的半导多体子，的由数于量空可穴达载到流少子子的数数量量大的大10于10自倍由或电 更子多载，流因子此的，数掺量杂而半称导为空体穴要型比半本导征体半，导也体叫的做导P型电半能导力体增。强P型几半十 万导倍体。的多子是空穴，少子是自由电子，不能移动的离子带负电。
极管，由于反向饱和电流很小可以忽略不计， 穿
因此这一段范围可称为反向截止区。
区
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向 导电性，进入反向击穿区。
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5.2.3 二极管的主要技术参数
最大耗散功 率Pmax指通过 二极管的电 流与加在二 极管两端电 压的乘积。 最大耗散功 率是二极管 不能承受的 最高温度的 极限值。超 过此值，二 极管将烧损。
内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小， 几乎为零。这一区域称之为死区。
外加正向电压超过死区电压（硅管0.5V， 锗管0.1V）时，内电场大大削弱，正向电流
正
向 导 通 死区 区
迅速增长，二极管进入正向导通区。
反向截止区
当二极管两端加反向电压时，将有很小的、 反
向
由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二 击
外壳 金属触丝 PN结
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1
1. 点接触型
2
2. 面接触型
3
3. 平面型
铝合金小球 底座
正极引线 PN结 金锑合金
负极引线
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面接触型二极管特点
面接触型二极管 的PN结面积较大 ，允许通过较大 的电流(几安到 几十安)，主要 用于把交流电变 换成直流电的整 流电路中，也可 以用于大电流开 关元件。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
半导体光电子学
1.半导体中与光有关的3种量子现象 : 自发发射(半导体发光二极管LED的工作原理),受激吸收(光电导,光探测器的工作原理),受激发射(半导体激光器LD,半导体光放大器SOA的工作原理). 填空2.半导体在光电子学中独有的特点: ①半导体能带中存在高的电子态密度,因而在半导体中有可能具有很高的量子跃迁速率②在半导体同一能带内,处在不同激励状态的电子态之间存在相当大的互作用(或大的公有化运动),这种互作用碰撞过程的时间常数与辐射过程的时间常数相比是很短的,因而能维持每个激励态之间的准平衡.③半导体中的电子态可以通过扩散或传导在材料中传播,可以将载流子直接注入发光二极管或激光器的有源区中,因而有很高的能量转换效率.④在两能级的激光系统中,每一处于激发态的电子有它唯一返回的基态(即某一特定的原子态) 理解3.爱因斯坦关系说明什么问题: 爱因斯坦关系B12=B21;A21=8πn3ℎv3c3B21爱因斯坦关系表示了热平衡条件下自发发射,受激发射与受激吸收三种跃迁几率之间的关系4.粒子数反转条件(伯纳德-杜拉福格条件)f c>f v(导带电子占据几率大于价带电子占据几率); F c−F v>ℎv (准费米能级之差大于作用在该系统的光子能量);ΔF≥E g (准费米能级之差大于等于禁带宽度)5.异质结能带图:Pn能带图6. 弗伽定律:7. 异质结对载流子和光子的限制:NpP 结构异质结中①由N 型限制层注入p 型有源层的电子将受到pP 同型异质结的势垒的限制,阻挡它们向P 型限制层内扩散.②pN 型异质结的空穴势垒限制着有源层中的多数载流子空穴向N 型限制层的运动. ③由于能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损失掉。
n 1 < n 2 > n 38. 激光器的构成:①激光工作介质②激励源③光学谐振腔9. 光子和费米子的差别:光子属于玻色子,服从玻色爱因斯坦分布.电子属于费米子服10.K选择定则的定义:不管是竖直跃迁还是非竖直跃迁,也不论是吸收光子还是发射光子,量子系统总的动量和能量必须守恒,这就是跃迁的k选择定则11.同质结和异质结或同型异质结和异型异质结空间电荷区的差别:①同质结:当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
半导体光电子学第6章 半导体发光二极管
半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前 者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和 放大；而后者则没有谐振腔。
正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在 差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。
光谱宽度随有源层厚度的增 加而减小可归因于能为载流 子所填充的能带变窄。
面发光二极管的光谱宽度较宽。例如， 在高的注入电流下中心波长为1.3m 的面发光管，其Δ可达1300Å。但 它对温度不灵敏、高可靠性和低成本 等优点，却是光纤通信局部网(LAN) 中波分复用(WDM)光源所希望的。
然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻 近信道之间有小的串音的前提下所能 供复用的波长数量。
防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜， 以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其 基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透 膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止 受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能 利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。
1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信 号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；
2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因 为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和 对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精 确的温度控制，因而驱动电源很简单；
三、发光二极管的发射谱
半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
半导体发光二极管工作原理特性及应用
半导体发光二极管工作原理特性及应用半导体发光器件包含半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。
事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP （磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有通常P-N结的I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间邻近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相关于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，因此光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论与实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）同意功耗Pm:同意加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：同意加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所同意加的最大反向电压。
发光二极管的材料
发光二极管的材料发光二极管（LED）是一种半导体器件，其发光原理是通过半导体材料的电子跃迁而产生的。
在LED的制造过程中，材料的选择对其性能和发光效果起着至关重要的作用。
下面我们将介绍LED常用的材料及其特性。
1. Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料是LED制造中最常用的材料之一，包括氮化镓、磷化铝、砷化镓等。
这些材料具有较大的带隙能量，因此可以发射可见光甚至紫外光。
其中，氮化镓材料的发展尤为迅速，其发光效率和稳定性都得到了大幅提升。
此外，磷化铝材料也被广泛应用于LED的制造中，其发光波长覆盖了红、橙、黄等颜色。
2. Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料也是LED的重要材料之一，主要包括硫化镉、硒化锌等。
这些材料通常用于制造红外LED，其发光波长较长，适用于红外通信、遥控器等领域。
此外，硒化锌材料也可以用于制造蓝光LED，其发光效果优异。
3. 磷化物材料。
磷化物材料是一类新型的LED材料，其发光效率和稳定性均优于传统的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。
磷化物LED可以实现更高的发光效率和更广泛的发光波长范围，因此在照明、显示等领域具有广阔的应用前景。
4. 硅基LED材料。
硅基LED材料是近年来备受关注的新型材料，其制备工艺相对简单，成本较低，且可以与传统的硅基电子器件兼容。
虽然硅基LED的发光效率较低，但由于其在集成电路领域的优势，仍然具有重要的应用价值。
5. 其他材料。
除了上述几类常用的LED材料外，还有一些新型材料正在被研究和开发，如氮化铟镓、氮化铟镓锡等。
这些材料在发光效率、发光波长范围、稳定性等方面均具有优势，有望成为未来LED制造的重要材料。
总的来说，LED的材料选择对其性能和应用领域有着重要影响。
随着半导体材料科学的不断发展和进步，LED材料的种类将会更加丰富，其性能也将得到不断提升。
相信在不久的将来，LED将会在照明、显示、通信等领域发挥越来越重要的作用。
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。
发光二极管(LED)工作原理
发光二极管(LED)工作原理发光二极管(LED)工作原理发光二极管工作原理发光二极管通常称为LED，它们虽然名不见经传，却是电子世界中真正的英雄。
它们能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。
它们用途广泛，例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。
如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像，或是用于点亮交通信号灯。
本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。
但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。
它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。
在本文中，我们会分析这些无所不在的闪光元件背后的简单原理，与此同时也会阐明一些饶有趣味的电学及光学原理。
二极管是最简单的一种半导体设备。
广义的半导体是指那些具有可变导电能力的材料。
大多数半导体是由不良导体掺入杂质（另一种材料的原子）而形成的，而掺入杂质的过程称为掺杂。
就LED而言，典型的导体材料为砷化铝镓(AlGaAs)。
在纯净的砷化铝镓中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的自由电子（带负电荷的粒子）来传导电流。
而材料经掺杂后，掺入的原子打破了原有平衡，材料内或是产生了自由电子，或是产生了可供电子移动的空穴。
无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多，都会增强材料的导电性。
具有多余电子的半导体称为N型材料，因其含有多余的带负电荷的粒子。
在N型材料中，自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。
拥有多余空穴的半导体称为P型材料，因为它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。
电子可以在空穴间转移，从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。
因此，空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。
一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成，且两端连有电极。
这种结构只能沿一个方向传导电流。
当二极管两端不加电压时，N型材料中的电子会沿着层间的PN结(junction)运动，去填充P型材料中的空穴，并形成一个耗尽区。
半导体与二极管知识点总结
半导体与二极管知识点总结一、半导体的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一类固体材料，其特点是在室温下电阻大于金属，但小于绝缘体。
半导体的导电性取决于温度和外加电场的影响，是一种具有可控性的材料。
常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
半导体在电子学领域中有着重要的应用，比如作为集成电路中的基本材料，以及太阳能电池、发光二极管、激光器等方面也有应用。
了解半导体的性质和特点对于理解电子器件的工作原理和应用非常重要。
二、半导体的能带结构在半导体的能带结构中，价带和导带是两个重要的能带。
在零度时，价带中的电子与导带中的电子之间存在一个能隙，称为带隙。
当半导体受到外加能量的激发时，价带中的电子可以跃迁到导带中，形成导电的电子-空穴对。
在常温下，晶体中已经存在的少量自由电子和空穴也可以导致材料的导电性。
三、半导体的掺杂半导体的导电性与掺杂有着密切的关系。
掺杂指向半导体中加入少量杂质，从而改变其电子结构和性能。
掺杂通常分为两种类型：n型和p型。
n型半导体是指向半导体中掺入绝缘体元素，形成多余的电子，增加材料的导电性。
p型半导体是指向半导体中掺入金属元素，形成少于的电子，形成空穴，也能增强材料的导电性。
四、PN结的形成PN结是由p型半导体和n型半导体连接在一起的结构。
在PN结中，p型半导体中的空穴与n型半导体中的自由电子会发生复合效应，形成内建电场。
这种内建电场使得PN结的两侧产生空间电荷区，称为耗尽区。
耗尽区中不再存在自由的载流子，形成一个禁区，对电子的流动具有阻挡作用。
五、二极管的工作原理二极管是由PN结组成的半导体器件。
在二极管中，当施加正向电压时，电流从p端流向n端，使得PN结导通，形成低电阻的通路。
而当施加反向电压时，电流无法通过PN结，二极管呈现高电阻状态。
这种特性使得二极管可以对电流进行整流、饱和等操作，是电子电路中常用的器件。
六、二极管的应用二极管在电子电路中有着广泛的应用。
比如在整流电路中，可以利用二极管的正向导通和反向截止特性，将交流电转换为直流电。
完整版发光二极管主要参数与特性
发光二极管主要参数与特性LED 是利用化合物材料制成pn 结的光电器件。
它具备pn 结结型器 件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发 光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性而形成势垒电场，此时R 很大；开启电压对于不同LED 其值不同， GaAs 为 1V ，红色 GaAsP 为 1.2V , GaP 为 1.8V , GaN 为 2.5V 。
(2) 正向工作区：电流I F 与外加电压呈指数关系I F = I S (e qv F/KT -) ------------------------------ 1 s 为反向饱和电流 。
V >0时，V > V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I s e qVF/KT (3) 反向死区：V v 0时pn 结加反偏压V= - V R 时，反向漏电流 |R (V 二-5V )时，GaP 为 0V , GaN 为 10uA 。
(4) 反向击穿区 V v - V R , V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R 为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使 V V - V R 时，贝y 出现I R 突 然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R 也不同。
1.2 C-V 特性鉴于 LED 的芯片有 9 X 9mil (250 X 250um) , 10X 10mil , 11 X 11mil (280 X 280um) , 12 X 12mil1.1 I-V 特性 表征LED 芯片pn 结制备性能主要参数。
LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触 电阻，反之为高接触电阻。
如左图：⑴正向死区：(图oa 或oa'段) a 点对于V o 为开启电 压，当V v Va ,外加电 场尚克服 不少因载 流子扩散V R击 反向死区 穿_---------- 区工作区VFVI-V 特性曲线C0 -C 0(300 X 300um)，故 pn 结面积大 小不一，使其结电容(零偏压) c ~n+pf 左右。
半导体电 转换器件——发光二极管的识别与使用
半导体电转换器件——发光二极管的识别与使用发光二极管简称发光管（英文简称LED），它是采用特殊的磷化镓（GaP）或磷砷化镓（CaAsP）等半导体材料制成的、能够将电能直接转换成为光能的半导体器件。
发光二极管虽然与普通二极管一样也是由 PN 结构成的，也具有单向导电性，但发光二极管不是应用它的单向导电性，而是让它发光作指示（显示）、照明器件。
当给发光二极管通过一定正向电流时，它就会发光。
与带灯丝的普通小电珠相比，发光二极管具有体积小、色彩艳丽、耗电低、发光效率高、响应速度快、耐振动和使用寿命长等优点，可广泛应用于各种电子、电器装置及仪表设备中。
发光二极管的识别1. 单色发光二极管单色发光二极管实际上就是我们经常用到的普通发光二极管，通电后只能发出单一颜色的亮光来。
单色发光二极管按其管壳形状可分为圆形、方形和异形3 种，圆形尺寸主要有φ3mm、φ5mm、φ10mm，方形尺寸主要有2mm×5mm。
按发光亮度来划分，有发光亮度一般的普通发光二极管和高亮度发光二极管。
表征普通发光二极管特性的参数包括电学和光学两类，主要参数有以下几项：①发光强度（I V）。
②最大工作电流（I FM），国产 BT-104（绿色）、BT-2 04（红色）型发光二极管的最大工作电流均为30mA。
③正向电压降（U F），发光二极管的正向电压降比普通二极管要高，一般在1.8 ～ 3.8V 范围内。
不同颜色和不同制造工艺的发光二极管其工作电压也不同，如红色发光二极管的正向电压降约为 1.8V，黄色发光二极管的正向电压降约为 2V，绿色发光二极管的正向电压降约为 2.3V，白色发光二极管的正向电压降通常高于 2.4V，蓝色发光二极管的正向电压降通常高于3V…… ④最大反向电压（U RM），发光二极管的最大反向电压一般在 6V 左右，最高不超过十几伏特，这是与普通二极管大不相同的地方。
使用中不应使发光二极管承受超过 5V 的反向电压，否则发光二极管将可能被击穿。
(完整版)半导体二极管电子教案
第一章半导体二极管内容简介本章首先介绍半导体的导电性能和特点，进而从原子结构给与解释。
先讨论PN结的形成和PN结的特性，然后介绍半导体二极管特性曲线和主要参数。
分析这些管子组成的几种简单的应用电路，最后列出常用二极管参数及技能训练项目。
知识教学目标1.了解半导体基础知识，掌握PN结的单向导电特性；2.熟悉二极管的基本结构、伏安特性和主要参数；3.掌握二极管电路的分析方法；4.了解特殊二极管及其应用。
技能教学目标能够识别和检测二极管，会测定二极管简单应用电路参数。
本章重点1.要求掌握器件外特性，以便能正确使用和合理选择这些器件。
如：半导体二极管：伏安特性，主要参数，单向导电性。
2.二极管电路的分析与应用。
本章难点1.半导体二极管的伏安特性，主要参数，单向导电性。
2.二极管电路分析方法。
课时4课时题目：半导体、PN结教学目标：了解本征半导体，杂质半导体的区别，从而得出半导体特性。
记住半导体PN结的特性。
教学重点：1、半导体特性；2、半导体PN结的特性；教学难点：1、半导体单向导电性。
2、半导体PN结分别加正反向电压导通与截止的特性。
教学方法：讲授教具：色粉笔新课导入：电子技术基础是我们这学期新开的一门专业课，它包含各个基本小型电路的介绍及使用分析，这次课我们来学习一种材质：半导体。
为以后的电路分析打下基础。
新授：从导电性能上看，通常可将物质为三大类：导体：电阻率，缘体：电阻率，半导体：电阻率ρ介于前两者之间。
目前制造半导体器件材料用得最多的有：单一元素的半导体——硅(Si)和锗(Ge);化合物半导体——砷化镓(GaAs)。
图1.1.1 半导体示例1.1.1 本征半导体了解：纯净的半导体称为本征半导体。
用于制造半导体器件的纯硅和锗都是四价元素，其最外层原子轨道上有四个电子（称为价电子）。
在单晶结构中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有，形成图1.1.2所示的共价健结构，图中+4代表四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷。
半导体发光二极管原理
半导体发光二极管原理
半导体发光二极管（LED）是一种能够将电能转化为光能的半导体器件。
它的工作原理基于半导体材料的电子结构和能带理论。
当半导体材料中的电子和空穴结合时，它们会释放出能量，这些能量以光子的形式发射出来，形成可见光。
以下是LED的工作原理：
1. P-N结构，LED由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中有多余的正电荷（空穴），N型半导体中有多余的负电荷（自由电子）。
当P型和N型半导体通过特定的工艺结合在一起时，形成P-N结构。
2. 能带结构，在P-N结构中，会形成能带。
当外加电压施加在P-N结构上时，电子从N型半导体向P型半导体迁移，同时空穴也从P型半导体向N型半导体迁移。
当电子和空穴相遇时，它们会发生复合，释放能量。
3. 发光，当电子和空穴复合时，它们释放出的能量以光子的形式发射出来，产生可见光。
LED的发光颜色取决于半导体材料的能隙宽度，不同的材料会产生不同颜色的光。
4. 发光特性，LED具有高效率、长寿命、低功耗等优点，因此在照明、显示、指示等领域得到广泛应用。
总的来说，LED的工作原理是基于半导体材料的能带结构和电子-空穴复合原理，通过控制电子和空穴的复合过程来产生可见光，实现能量的转化。
随着技术的不断进步，LED已经成为一种重要的光电器件，在各个领域都有着广泛的应用前景。
高中物理教科版选修(3-3)3.2 教学设计 《半导体》(教科版)
《半导体》【知识与能力目标】知道身边形形色色的材料中按导电性不同可分为导体、半导体、绝缘体三大类。
【过程与方法目标】初步了解半导体的一些特点。
【情感态度价值观目标】了解半导体材料的发展对社会的影响。
【教学重点】半导体的一些特点。
【教学难点】半导体材料的发展对社会的影响。
学习本节，要注意通过实验来探究、观察，对教材所涉及的内容有初步的感性认识。
多媒体课件等。
1．半导体：导电性能介于道导体与绝缘体之间的物质．2．电阻率：表示材料的导电性能；电阻率ρ由材料的自身性质决定，而与形状无关；ρ＝ .3．分类：N 型半导体和P 型半导体．4．二极管：把N 型半导体和P 型半导体通过一定的技术手段结合在一起，形成PN 结；二极管具有单向导电的特性．5．三极管具有放大信号或开关电流的作用．S l R◆课前准备◆◆教学过程◆教学目标◆教学重难点6．各种特殊性能的半导体器件(1)光敏电阻：是利用半导体材料在光照条件下，其电阻率迅速下降的半导体器件．(2)热敏电阻：是利用半导体材料在温度变化时，其电阻率迅速改变的半导体器件；电阻值随温度升高而增大的叫负温度系数热敏电阻，电阻值随温度升高而减小的叫正温度系数热敏电阻．(3)发光二极管：是通电后能发光的半导体器件，简称LED.1．在极低的温度下，纯净的半导体仍能很好地导电．(×)2．在有光照射时，有的半导体可以导电．(√)3．掺入一定杂质后，半导体的导电性能一定会变差．(×)在高分子合成材料，新型无机非金属材料、复合材料、光电子材料及金属材料中，能用作半导体的材料的有哪些？【提示】新型无机非金属材料和光电子材料．1．影响半导体导电性能的因素：温度、光照、掺入杂质．2．半导体的单向导电性的微观机理(以硅为例)(1)N型半导体：以自由电子参与导电的半导体掺入杂质后形成的半导体．(2)P型半导体：以空穴参与导电的半导体掺入杂质后形成的半导体．(3)PN结：P型半导体端为晶体二极管的正极，N型半导体端为晶体二极管的负极．3．二极管的单向导电性(1)二极管的符号是，接入电路时“＋”与电源正极相连，表示加正向电压，此时二极管导通，正向电阻很小．(2)二极管加反向电压时，电阻很大，但通常仍会有很小的电流，叫做漂移电流．7．半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，以下关于其导电性能的说法中正确的是( )A．半导体导电性能介于导体和绝缘体之间，性能稳定B．在极低的温度下，纯净的半导体像绝缘体一样不导电C．在较高温度时，半导体的导电性能会大大增强，甚至接近金属的导电性能D．半导体中掺入杂质后，其导电性能会减弱E．半导体中掺入杂质后，其导电性能会增强【解析】半导体的导电性能受温度、光照及掺入杂质的影响，故A错误，B、C正确；掺入杂质后半导体的导电性能会大大增强，故D错误，E正确．【答案】BCE8．阅读下面的短文，回答下列问题．导体容易导电，绝缘体不容易导电．有一些材料，导电能力介于导体和绝缘体之间，称作半导体，除了导电能力外，半导体有许多特殊的电学性能，使它获得了多方面的重要应用．有的半导体，在受热后电阻迅速减小；反之，电阻随着温度的降低而迅速增大．利用这种半导体可以做成体积很小的热敏电阻．热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精度高．(1)如果将热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所在区域的温度降低，电路中电流将变________(选填“大”或“小”)．(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度．如果刻度盘正中的温度刻度值为20 ℃(如图313甲所示)，则25 ℃的刻度值应在20 ℃的________边(选填“左”或“右”)．(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度的变化，请用图313乙中的器材(可增加元件)设计一个电路．热敏电阻在温度变化时，其电阻能迅速改变，故可以用它来测量很小范围内的温度变化. 释疑解难1、导体永远是导体，绝缘体永远是绝缘体吗?导体和绝缘体之间没有不可逾越的鸿沟。
半导体二极管和发光二极管_概述及解释说明
半导体二极管和发光二极管概述及解释说明1. 引言1.1 概述半导体二极管和发光二极管是两种常见的电子元件，它们在现代电子技术领域发挥着重要的作用。
半导体二极管是一种基本的电子器件，具有良好的整流特性，可以将电流只在一个方向上进行传导，被广泛应用于电源、通信和计算机等领域。
而发光二极管则是在半导体二极管基础上进一步演化而来的元件，在通常情况下能够将电能转化为光能，并在光学显示、照明和通信等领域有广泛应用。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分对半导体二极管和发光二极管进行概述和解释说明。
首先，在引言部分对这两种元件做总体概述，并介绍文章的结构安排。
接下来，第二部分将详细阐述半导体二极管的基本原理、结构和工作方式，并探讨其广泛应用的领域。
第三部分将解释发光二极管的工作原理，介绍其不同的结构和分类，并探讨它在不同应用范围内的使用情况和未来发展趋势。
第四部分将比较分析半导体二极管和发光二极管的特点和区别，包括理论性能差异、应用场景选择比较以及技术发展前景对比评估。
最后，结论与展望部分将总结概括文章要点，并提出对未来发展的展望和建议。
1.3 目的本文旨在全面了解和阐述半导体二极管和发光二极管这两种重要电子元件的概念、原理、结构以及广泛应用领域。
通过对它们进行详细解释说明和比较分析，可以帮助读者更好地理解它们在现代电子技术中扮演的角色，并为相关领域中的技术研究和应用提供参考依据。
此外，还将对未来这两种元件的发展进行展望，并提出相关建议，旨在促进电子技术领域的进一步创新与发展。
2. 半导体二极管:2.1 基本原理:半导体二极管是一种基于半导体材料制造的电子器件。
它由两个不同掺杂的半导体材料构成，通常是P 型(正负载) 和N 型(负载) 的硅或锗晶体。
当二极管处于正向偏置状态时，即正压施加在P 区域上，而负压施加在N 区域上，电子会从N 区流向P 区，同时空穴从P 区流向N 区。
这种电荷移动形成了一个电流，在此过程中，在PN 结处生成一个电势垒。
电子课件电子技术基础第六版第一章半导体二极管
当反向电压增加到反向击穿电压 UBR 时，反向电流会急 剧增大，这种现象称为“反向击穿”。反向击穿会破坏二极管 的单向导电性，如果没有限流措施，二极管很可能因电流过 大而损坏。
无论硅管还是锗管，即使工作在最大允许电流下，二极管 两端的电压降一般也都在 0.7 V 以下，这是由二极管的特殊 结构所决定的。所以，在使用二极管时，电路中应该串联限 流电阻，以免因电流过大而损坏二极管。
§1-1 半导体的基本知识 §1-2 半导体二极管
§1-1 半导体的基本知识
学习目标
1. 了解半导体的导电特性。 2. 理解 PN 结正偏、反偏的含义。 3. 掌握 PN 结的单向导电性。
一、半导体的导电特性
物质按导电能力强弱不同可分为导体、半导体和绝缘体三 大类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。目前，制 造半导体器件用得最多的是硅和锗两种材料。由于硅和锗是 原子规则排列的单晶体，因此用半导体材料制成的半导体管 属于晶体管。
半导体具有不同于导体和绝缘体的导电特性，见表。
半导体的导电特性
纯净的半导体称为本征半导体，它的导电能力是很弱的。 利用半导体的掺杂特性，可制成 P 型和 N 型两种杂质半导体 。
二、PN 结及其单向导电性
1. PN 结 用特殊的工艺使 P 型半导体和 N 型半导体结合在一起，就会在交界处 形成一个特殊薄层，该薄层称为“PN 结”，如图所示。PN 结是制造半导体 二极管、半导体三极管、场效应晶体 管等各种半导体器件的基础。
2. 分类
二极管的种类
二、二极管的伏安特性
为了直观地说明二极管的性质，通常用二极管两端的电压 与通过二极管的电流之间的关系曲线，即二极管的伏安特性 曲线来描述，如图所示。
在下图所示的坐标图中，位于第一象限的曲线表示二极管 的正向特性，位于第三象限的曲线表示二极管的反向特性。
电工电子技术基础知识点详解3-4-1-其他半导体器件
实物
符号
发光指示电路
A V
K
V R
E S
其他半导体器件
2.发光二极管(LED)
七段式数码显示器（数码管）
f g ab a
a
b
f gb
cห้องสมุดไป่ตู้
e
c
d
e
d
f
ed c
g
a
b c
d e COM f g
COM
COM
共阴极接法
共阳极接法
其他半导体器件
3. 光电二极管 利用PN结的光敏特性。有光照时，在一定的反向偏置电 压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加。 无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。
1.稳压二极管
主要参数
(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。
(2) 稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM
= (3) 动态电阻 rZ
∆UZ ∆ IZ
rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。
(4) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM
其他半导体器件
1.稳压二极管 应用举例
求：通过稳压管的电流IZ 是多少？限流 电阻R是否合适？最小不能少于多少？
I/µA
光 E=0
照 E1
增 强
E2
(a) 伏安特性
U/ V E2> E1 (b)磷化镓光电二极管 (c) 符号
其他半导体器件
4.光电晶体管
光电晶体管用入射光照度的强弱来控制集电极电流。
C
C
B
E E
(a) 符号
iC
PCM
E4
E3
O
ICEO
(b) 输出特性曲线
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光致电子发射 功函数Φ
Li原子
Li金属
费米能级EF Li金属
P163 图3.2
自由电子浓度n的计算
电子浓度/单位能量
费米能级EF 状态密度 费米-狄拉克函数
自由电子浓度n的计算
状态密度
费米-狄拉克函数
电子浓度
P165 图3.3
3.1半导体概念和能带概述 3.2半导体的统计分布 3.3非本征半导体 3.4直接带隙和间接带隙半导体：E-k能带图
3.2半导体的统计分布
P167 图3.6
电子浓度 /单位能量
能带图
态密度 费米函数
空穴浓度 /单位能量
导带中自由电子浓度的计算 费米函数
非简并
导带电子的态密度 自由电子浓度
玻尔兹曼函数 导带态密度：
3.1半导体概念和能带概述
B. 半导体的能带图
导带CB T=0 K无电子
共价键 原子核（+4）
价带 价带VB
能带图 T=0 K充满电子
：电子的亲和能 导带
P165 图3.4
价带 光致自由电子示意图
空穴产生和运动
P166 图3.5 空穴与电子复合
半导体中空穴的运动
主要内容
导带中自由电子浓度
价带中自由空穴浓度
本征电子浓度ni
本征半导体中的载流子浓度
纯净半导体，无任何掺杂：
n=p=ni
3.2半导体的统计分布
外加电压V引起费米能级变化
主要内容
3.1半导体概念和能带概述 3.2半导体的统计分布 3.3非本征半导体 3.4直接带隙和间接带隙半导体：E-k能带图
P170 图3.7
3.3非本征半导体 施主：donor
施主杂质As浓度Nd
A. n型和p型半导体 自由电子
n型半导体
电子浓度n 空穴浓度p
电导率：
一般来说： ni=1e10 cm-3 轻掺杂： Nd=1e16 cm-3 重掺杂： Nd=1e18 cm-3
电子迁移率μe
空穴浓度p 电子浓度n 电导率：
P171 图3.8
P178 图3.13 能带图
导带
光子
导带 光子
价带
P179 图3.14
在GaP:N中 电子从Er至Ev 发射出绿色光子
光子 直接带隙GaAs 间接带隙Si
间接带隙Si 含复合中心Er
非简并半导体： 费米能级位于 禁带内部
n型半导体
p型半导体
简并半导体： 费米能级进入 导带或价带
杂质形成了 一个能带 常规抛物线 能带
P174 图3.10 n型简并半导体 p型简并半导体
组合能带
能带尾部
3.3非本征半导体
D. 外加电场下的能带图
外加电压V引起费米能级变化
P170 图3.11
例题3.3.1 半导体中的费米能级
受主：acceptor 受主杂质B浓度Na 自由空穴 p型半导体
P172 图3.9
本征半导体
n型半导体
p型半导体
不同类型半导体的能带图
3.3非本征半导体
B. 补偿掺杂 同时掺杂n型杂质和p型杂质
n型杂质多：n型半导体—自由电子主导
p型杂质多：p型半导体—自由空穴主导
3.3非本征半导体
C. 非简并半导体和简并半导体
P175 例题3.3.1
n型半导体
p型半导体
例题3.3.2 n型Si的电导率 本征Si（未掺杂）的电导率：
n型Si（掺杂）的电导率：
P175 例题3.3.2
结论：
n型Si的电导率 掺杂之后大幅提高
主要内容
3.1半导体概念和能带概述 3.2半导体的统计分布 3.3非本征半导体 3.4直接带隙和间接带隙半导体：E-k能带图
3.4直接带隙和间接带隙半导体：
E-k能带图
P177 图3.12
晶体内的电子势能V(x) 势能的周期等于晶体的周期a
晶体内的电子势能：
薛定谔方程： 动能
布洛赫波函数：
势能
总能量E
电子的波矢 （量子化）
考虑波随时间的变化
电子的波矢 （量子化）
电子的动能：
外力：
直接带隙半导体，例如：GaAs E-k图
半导体学与发光二极管
第一部分
我想要得到可见光，因为我知道，如果我能得到 红光，其他颜色将成为可能。Nick Holonyak Jr.
主要内容
3.1半导体概念和能带概述 3.2半导体的统计分布 3.3非本征半导体 3.4直接带隙和间接带隙半导体：E-k能带图
P162 图3.1
3.1半导体概念和能带概述