半导体二极管及其应用
第二讲 半导体二极管及应用
导通:u 导通 D=Uon+ID×rD 截止: 截止 iD=0
2、交流小信
Q
UD
ID
id
+
id
+ -
uD =UD +ud
uD
-
rd
ud
交流小信号模型
当在二极管的工作点上叠加有低频交流小信号电压ud时， 只要工作点选择合适， 足够小，可将Q点附近的伏安特性 只要工作点选择合适，且ud足够小，可将 点附近的伏安特性 线性化)， 曲线看成直线(线性化 曲线看成直线 线性化 ，则交流电压与电流之间的关系可用一 来近似。 个线性电阻rd来近似。 rd ——工作点处的交流电阻。 rd = UT / ID 工作点处的交流电阻。 ★注意：小信号模型只能反映交流电压和电流之间的关系， 注意：小信号模型只能反映交流电压和电流之间的关系， 不能反映总的电压与电流的关系。 不能反映总的电压与电流的关系。
3、二极管的伏安特性曲线与材料和温度的关系： 二极管的伏安特性曲线与材料和温度的关系： iD 锗 硅 iD 80 20
0
uD
0
uD
材 料 硅 锗
导通 反向饱 开启 电压 压降 和电流 0.5V 0.6~0.8V <1A 0.1V 0.2~0.3V 几十 几十A
温度升高， 增大(1倍 ° 温度升高， IS增大 倍/10°C) 下降， 温度升高， 温度升高，Uon下降， 正向曲线左移2~2.5mV/ °C。 正向曲线左移 。
IZ
电击穿有两种： 电击穿有两种： 雪崩击穿 齐纳击穿
击穿 低掺杂的 高掺杂的 结 结 原因 PN结， PN结，价 价电子被 电子被场 碰撞电离 致激发 如果反向击穿时，电流过大， 如果反向击穿时，电流过大，使 >6V <4V 击穿 管子消耗的平均功率超过二极管 电压 容许值，会使管子过热而烧毁， 容许值，会使管子过热而烧毁， >0 <0 温度 为不可逆击穿。 称为热击穿，为不可逆击穿。 电击穿可利用，热击穿需避免。 *电击穿可利用，热击穿需避免。 系数
第二章 半导体二极管及其应用
0
图2-12 双向限幅电路
开关作用 电子开关电路。在自动化控制电路和数字电路中有广泛地应 用。电子开关比机械开关的开关速度快得多，可达一秒钟上万 次，且无触点的颤动引起的火花，安全可靠。 图2-13所示的两个电路。
我们将在下一节详细讨论。
2. 检波 通常，无线电波中含有复杂的多种频率成分， 调幅收音机必须从中挑选出需要的音频信号， 为此要设置检波电路。半导体二极管检波电 路如图2-11所示。其中VD是检波二极管，C1 是高频滤波电容，R是检波电路负载电阻， C2是与下一级电路的耦合电容。
ui 调频 信号 VD C1
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 S p+ Si 子 电方式，称为电子半导体 i 动画 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
二极管电路定性分析
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
N型半导体和 P 型半导体
半导体元件二极管的应用
半导体元件二极管的应用二极管是半导体元件的一种，它们在各种电子设备和系统中都扮演着重要的角色。
二极管具有多种类型，每种类型都有其特定的应用。
以下是一些常见的二极管类型及其应用：1.整流二极管整流二极管主要用于交流电（AC）到直流电（DC）的转换。
在电源供应、电力系统的控制和保护等方面，整流二极管具有广泛的应用。
它们也常用于电子设备中的电源电路，如手机、电脑等设备的充电器。
2.开关二极管开关二极管是一种具有开关特性的二极管，它们在电子设备的开关电路中发挥着重要作用。
当开关二极管的阳极和阴极之间加上正向电压时，它就会导通，相当于一个闭合的开关。
当加上反向电压时，它就会截止，相当于一个断开的开关。
因此，开关二极管可以用于控制电流的通断。
3.稳压二极管稳压二极管是一种特殊的二极管，它们在稳定电压方面发挥着重要作用。
当稳压二极管的阳极和阴极之间加上反向电压时，它就会截止。
但是，当反向电压超过其击穿电压时，它就会导通。
在导通状态下，稳压二极管可以有效地限制电流，从而保持电压稳定。
因此，稳压二极管常用于电源供应器和各种电子设备的电压稳定电路中。
4.检波二极管检波二极管主要用于信号的检波和解调。
在无线电接收器、电视机和收音机等设备中，检波二极管可以将调频信号或调幅信号解调为低频信号或直流信号，以便后续处理。
5.发光二极管（LED）发光二极管是一种能够发光的半导体器件，它们广泛应用于各种显示和照明设备中。
LED可以发出红色、绿色、蓝色等不同颜色的光线，并且具有高效、寿命长、可靠性高等优点。
因此，LED常用于显示器、交通信号灯、景观照明等领域。
6.快恢复二极管（FRD）快恢复二极管是一种高速响应的二极管，它们在高频电路中和需要快速响应的系统中具有广泛的应用。
快恢复二极管的开关速度很快，可以有效地控制大电流的通断。
因此，快恢复二极管常用于电源供应器、电力系统的控制和保护等方面。
7.肖特基二极管（SBD）肖特基二极管是一种低功耗、高效率的二极管，它们在高频电路中和需要高效能的系统中具有广泛的应用。
半导体二极管及其基本应用
半导体二极管及其基本应用1. 二极管是什么？说到二极管，大家可能会想，“这玩意儿是什么？吃的吗？”其实，二极管是个小小的电子元件，但它的作用可大得很！简而言之，二极管就像个单行道，电流只能朝一个方向走，通俗点说，它让电流变得有规矩。
不论是在家里的电子产品里，还是在我们身边的各种科技设备中，二极管几乎无处不在。
听起来神秘，其实它在我们生活中默默无闻地工作着。
那么，二极管是怎么工作的呢？想象一下，一个人站在一个门口，门只能向一个方向打开，外面的人想进来，就得从这扇门走，反之则不行。
这就是二极管的基本原理。
它能让电流顺利通过，但一旦反向，它就会坚决拒绝，像个守门员一样把电流挡在外面。
1.1 二极管的类型当然，二极管可不是单一品种，市场上有各种各样的二极管，就像水果摊上的水果一样多。
例如，有普通的硅二极管，广泛应用于各种电路中；还有整流二极管，专门负责把交流电转换成直流电，就像把河水引入小渠里，确保水流顺畅。
再比如发光二极管（LED），它不仅能导电，还能发光，真是个“能发光的好家伙”，让我们的小夜灯亮起来，简直是黑夜里的小明星。
1.2 二极管的特点谈到二极管的特点，首先要提的是它的“单向导电性”。
就像一个不喜欢麻烦的人，只有在合适的情况下才会敞开心扉。
其次，二极管的反向击穿电压也很有意思。
当电压达到某个临界值时，二极管就像忍不住了，突然间放开了电流，虽然这在大多数情况下不是好事，但有时候却能拯救一些电路的生命。
还有，就是它的“恢复时间”，二极管在电流切换时的表现，也决定了它的应用场合。
2. 二极管的基本应用说了这么多，二极管到底有什么用呢？这可是个大问题，接下来我们就来聊聊它的一些基本应用。
2.1 整流电路首先要提的就是整流电路。
整流电路的任务就是把交流电转换成直流电。
你知道吗，家里的电器大部分都需要直流电，比如手机充电器、电脑等。
如果没有二极管，交流电就会让这些电器“崩溃”，简直就是电器界的“天塌下来了”。
半导体二极管及其应用习题解答
半导体二极管及其应用习题解答Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT第1章半导体二极管及其基本电路教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。
教学内容与教学要求如表所示。
要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。
主要掌握半导体二极管在电路中的应用。
表第1章教学内容与要求内容提要1.2.1半导体的基础知识1．本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。
自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。
本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。
但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差，2．杂质半导体(1) N 型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N 型半导体，N 型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。
N 型半导体呈电中性。
(2) P 型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P 型半导体。
P 型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。
P 型半导体呈电中性。
在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。
而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。
1.2.2 PN 结及其特性1．PN 结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成P 型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。
PN 结是构成其它半导体器件的基础。
2．PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电性。
外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。
半导体二极管的导通电压特性及应用分析
半导体二极管的导通电压特性及应用分析半导体二极管是一种最简单的半导体器件，具有非常重要的导电特性和广泛的应用。
导通电压是二极管的一个重要参数，决定了二极管能否在电路中起到理想的作用。
本文将深入探讨半导体二极管的导通电压特性，同时分析其在实际应用中的重要作用。
一、二极管的基本结构和性质半导体二极管由P型半导体和N型半导体材料组成，分别形成PN结。
在PN结中，P区富含电子空位，N区富含自由电子。
这种结构的二极管在无外加电压的情况下会形成一个正向偏置，导致电子从N区向P区运动，同时空位从P区向N区运动，形成电流。
二、半导体二极管的导通电压特性半导体二极管在导通状态下，需要达到一定的电压才能开始导电。
这个导通电压被称为正向电压或者开启电压。
实际上，正向电压会引起PN结的耗能，从而产生正向电流。
而当PN结处于反向电压下时，电流极小，甚至可以忽略不计。
PN结的导通电压特性是非线性的，也就是说导通电压并非线性增长。
在二极管导通之前，需要克服PN结产生的势垒电压（Schottky势垒），才能使电流流过。
当正向电压超过势垒电压时，电流会快速增大，最终进入饱和状态。
因此，导通电压是二极管导通的关键电压，也是二极管正常工作的必要条件。
三、导通电压的影响因素导通电压的大小受到PN结材料特性和结构参数的影响。
以下是导通电压变化的主要因素：1. 材料特性：PN结的材料特性对导通电压有直接影响。
不同的半导体材料有着不同的导通电压特性。
例如，硅(Si)二极管通常具有一个较高的导通电压（约0.6V），而锗(Ge)二极管则具有较低的导通电压（约0.3V）。
2. 温度对导通电压的影响：温度变化会导致PN结材料内禀载流子浓度的变化，从而影响导通电压。
一般来说，温度升高会引起导通电压的减小，而温度降低则会使导通电压增加。
3. PN结的几何参数：导通电压还受到PN结的几何参数的影响。
例如，PN结的面积和长度等参数会对导通电压造成显著影响。
半导体二极管及其应用
半导体二极管的应用
激光二极管
激光二极管是一种特 殊的半导体二极管， 它能够产生激光。激 光二极管具有高效率 、低阈值、以及可调 谐的优点，被广泛应 用于各种领域，如通 信、医疗、军事等
5
总结
总结
1
2
3
4
半导体二极管作为 电子学中的基础元 件，具有广泛的应
用领域
从整流器到开关， 从保护电路到激光 二极管，二极管都 发挥着关键的作用
7
结论
2024/7/2
结论
半导体二极管作为电子学中的基础元件，已经经历了漫长的发展历程。 从最初的硅发展到锗，再到现在的硅锗合金等新型材料；从简单的整 流器发展到激光二极管、太阳能电池等多元化领域。这些发展和变化 不仅反映了人类对电子学认识的不断深入，也展示了半导体二极管在 推动科技进步和经济发展中的重要作用
半导体二极管的历史与发展
发展
随着半导体技术的不断进步，半导体二极管的性能也不断提高。材料方面，从早期的硅发 展到锗，再到现在的硅锗合金等新型材料；结构方面，从早期的点接触式发展到肖特基势 垒、PN结等结构；应用方面，从简单的整流器发展到激光二极管、太阳能电池等多元化领 域 同时，人们也在不断探索新的二极管材料和结构，如碳化硅、氮化镓等新型半导体材料， 以及超导二极管等新型结构。这些新型材料和结构的应用将进一步推动半导体二极管的发 展，并带来更多的应用领域和市场机会
整流器
整流器是二极管的基本应用之一。通过利用 二极管的整流效应，可以将交流电转换为直 流电
半导体二极管的应用
开关
二极管可以作为开关 使用，用于控制电路 的通断。其快速的开 关速度和低功耗使得 它在各种开关电路中 得到广泛应用
半导体二极管的应用
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。
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第二版，高教出版社
术
多
媒 体
4.康华光主编《电子技术基础》模拟部分
第三版，高教出版社
课
件
目录
1 绪论
2 半导体二极管及其应用电路
3 半导体三极管及其放大电路
4 场效应管及其应用
5 集成运算放大器
主
6 负反馈放大器
编
7集成运算放大器的基本应用
8 波形发生电路
周
9 功率放大器
雪
10 直流稳压电源
11晶闸管及其应用电路
电
子
教
研
室
模
拟 电
si
GGee
+44
子
技
术
多
媒 体
硅原子
锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
课
件
台 州
1.1 PN结
学பைடு நூலகம்
院
物
电 学
二、本征半导体
院 电
本征半导体——纯净的、不含其他杂质的半导体
工
电 子 教 研
+4
+4
+4
载流子 电子 空穴
室
模 拟
+4
+4 +4
本征半导体的导电能力很弱，
电
多
伏安特性曲线
媒
二极管具有单向导电性
体
课
件
台 州
1.2 半导体二极管
学
院
物 电
三、二极管的主要参数
学 院 电
(1)
最大整流电流IFM————————
二极管长期运行允 许通过的最大正向平均电流
工
电
子
教
(2) 反向击穿电压UBM—— 允许加在二极管上的反向
研
电压最大值
室
模
拟 电 子
技
向
术
外电场方
多 媒
向
体 课
PN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。
件
台 州
1.1 PN结
学
院
物
电 学
2、PN结反向偏置
院
空间电荷 区变宽
电
工
电 子 教
反偏——P区接 电源负极，N区接电
研 源正极。
室
模
拟
电
子
内电场方
技 术 多
向 外电场方
媒
向
体 课
PN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。
台 州
第1章
半导体二极管及其应用
学
院
物
电
学
院
电 工
1.1
导体基础知识
电
子
教 研
1.2
半导体二极管
室
模 拟
1.3
半导体二极管基本应用
电
子
技 术
1.4
特殊二极管半
多
媒
体
课
件
台 州
第1章 半导体二极管及其应用电路
学
院
物 电
1.1 PN结
学
院 电
学习目标：1.熟悉P型、N型半导体的
工 电
基本结构及特性
子
空穴 自由电子
接近绝缘体。导电性取决于外加
子 技 术
+4
+4 +4
能量：温度变化，导电性变化； 光照变化，导电性变化。
多
媒
体
本征半导体的共价键结构
课
件
台 州
1.1 PN结
学
院
物 电
二、N型和P型半导体
学 院 电
（一） N型半导体
硅原子
多余电子
自由电子
工
电
子 教
形成：
+4 +4 +4
研
在本征半导
N型半导体 ++ + +
电
子
教
研
室
模
拟
电
子
技
术
多
（a）点接触型
（b）面接触型
（c）平面型
媒
体
课
件
台 州
1.2 半导体二极管
学
院
物 电
2、符号
学
阳极 a
阴极 k
院
电
工
电
PN
子 教
3、分类
研 室 模 拟
材料：硅二极管和锗二极管 用途：整流、稳压、开关、普通二极管 结构、工艺：点接触、面接触
电
子
4、型号
技
术
2AP9
多
用数字代表同类器件的不同规格
件
台 州
1.2 半导体二极管
学
院
物
电
学
院
电 工
学习目标：1.了解二极管的结构和类型
电
子 教
2.掌握二极管的伏安特性
研 室
3.熟悉二极管的使用方法
模
拟 电
学习重点：1.二极管的伏安特性
子
技
2.二极管的主要参数
术
多
媒
体
课
件
台
州
1.2 半导体二极管
学
院
物 电
一、基本结构及类型
学 院
1、结构
电
工
由一个PN结构成
室 模 拟
体中掺入微量五 价元素。
+4
+5 +4
电
++ + + ++ ++
子
+4 +4 +4
技
术
磷原子
电子空穴对
多 媒
施主离子
体
课 件
多数载流子---电子 少数载流子--空穴
台 州
1.1 PN结
学
院
物
电 学
（二）P型半导体
院
电 工
硅原子
空穴
电子空穴对
空穴
电
子 教 形成：
+4 +4 +4
P型半导体
研 室
台
州
绪
论
学
院
物 电
1. 本课程的性质
学 院
是一门专业技术基础课
电 工
2. 特点
电
非纯理论性课程
子 教
实践性很强
研
以工程实践的观点来处理电路中的一些问题
室
模 3. 研究内容
拟 电
以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原
子 理、特点及性能指标等。
技
术 4. 教学目标
多 媒
能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单
媒 体 课
代表器件的类型 代表器件的材料
件
2代表二极管，3代表三极管。
台
州 学
1.2 半导体二极管
院
物
电 学
二、二极管的伏安特性
院
i
电
工 电
1、正向特性
子
锗 反向饱和电流
击穿电压UBR
教
2、反向特性
研
0
u
室 模
3、反向击穿特性
死 导通压降
区
拟
电
电 子
结论：
压
硅：0.5 V
技
术
二极管是非线性元件
锗： 0.1 V
教 研
2.掌握PN结的单向导电性
室
模
拟 电
学习重点：1. P型、N型半导体的形成
子 技
和电结构特点
术 多
2. PN结的正向和反向导电
媒 体
特性
课
件
台 州
1.1 PN结
学
院
物
电 学
一、半导体的基本知识
院 电
根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。
工
典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
体 元电路进行设计。
课
件
台
州
前
言
学
院
物 电
5. 学习方法
学 院
重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。
电
工 6. 成绩评定标准
电 子
理论： 作业
20 %
教 研
中考
20 %
室 模
考勤、提问 、课外读书论文 10 %
拟 电
期终考试
50 %
子 技
7. 教学参考书
术
童诗白主编，《模拟电子技术基础》 第二版，高教出版社
研 室
扩散运动
模
拟
内电场建立
电
子 技
阻碍扩散运动
少子漂移电流
耗尽层
多子扩散电流
术 多
促使漂移运动
媒
体 课
动态平衡
形成空间电荷区
PN结形成
件
台
州
1.1 PN结
学
院
物
电 学
三、PN结的单向导电性
空间电荷 区变窄
院
电 工
1、PN结正向偏置
电
子 教
正偏——P区接
研
电源正极，N区接电
室 模
源负极。
拟
电
子
内电场方
在本征半
－ － －－
模 拟
导体中掺入 微量三价元
+4 +3 +4
－ －－－
电 子
素。
技
+4 +4 +4
－ － －－
术