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。
半导体二极管及其应用_PPT课件
5.1.2 本征半导体
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 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子
的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。
本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质 有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高， 基本上按指数规律增加。
5.1 半导体的基础知识 5.2 半导体二极管 5.3 单相整流滤波电路 5.4 稳压二极管及其稳压电路
5.1 半导体的基本知识
5.1.1 半导体材料
5.1.2 本征半导体 5.1.3 杂质半导体 5.1.4 PN结的形成及特性
半导体的导电机制
5.1.1 半导体材料
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
3. PN结的其他特性
阳极 a
k 阴极
(d) 代表符号
其中
r——二极管等效电阻
当ω→∞， C的阻抗＝ 0；
C ——二极管等效电容，PF 级，非常小。
C的阻抗＝1/(ωC) 可见，频率ω越高， C的阻抗越小；
结果，影响到二极管的状态；
3. PN结的其他特性
3. 温度特性
当环境温度升高时，少数载流子的数目增多， 反向饱和电流随之增大。
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
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
第二章 半导体二极管及其应用电路
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利
用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
直流工作电流 I D
ID
US1 U F RS(6 Nhomakorabea0.7)V 1k
5.3mA
二极管的动态电阻
26mV 26mV
rd
ID
4.9
5.3mA
再令 US1 0 ，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交
流电流 id
id
us2 RD rd
0.2sin 3140 tV (1 4.9 10 3 )kΩ
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，这种杂质半导体中， 空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。 这种半导体的导电主要依靠空穴，称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型半导体。
2021/3/2
7
需要指出的是：
不论是N型还是P型半导体，整个晶体仍然呈中性。
描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值 U Z 和
最大稳定电流 2021/3/2
I Zmax。
26
参数简介：
是指稳压管正常工作时的额定电压值。由
稳定电压U Z ： 于半导体生产的离散性，手册中的往往给出的
是一个电压范围值。
最大稳定电
是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，
流 I Zmax：
实际工作电流不得超过该值，超过此值时，稳压 管将出现热击穿而损坏。
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
(1)雪崩击穿
当反向电压足够高时（一般U>6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载 流子加速，与中性原子相碰，使之价电 子受激发产生新的电子空穴对，又被加 速，而形成连锁反应，使载流子剧增， 反向电流骤增。这种形式的击穿称为雪 崩击穿.
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
反偏时由于PN结变厚, 不能导电的区 域增大,因此,PN结呈现出的反向电阻很 大,流过的反向电流很小,基本为0.
因此, PN结反偏截止.
※PN结的单向导电性: 正偏导通,反偏截止
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
三.PN结的反向击穿特性
反向击穿:当PN结的反偏电压增加到某一 数值时，反向电流急剧增大的现象。 PN结的击穿现象有下列两类： (1) 热击穿:不可逆,应避免 (2) 电击穿:可逆,又分为雪崩击穿和齐纳 击穿.
各用一个价电子组成，称为束缚电子。
价电子
＋4
＋
＋
＋
4
4
4
共价键的
两
个价电子
＋
＋
＋
4
4
4
＋
＋
＋
4
4
4
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
（2）本征激发现象
当温度升高或受光照射时，共价键中的价电子获
得足够能量，从共价键中挣脱出来，变成自由电 子；同时在原共价键的相应位置上留下一个空位， 这个空位称为空穴,电子-空穴对就形成了.
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
三、杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性 能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半 导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型 （P型）半导体。
半导体二极管及其基本应用电路
半导体二极管及其基本应用电路1.1 PN结的基本知识1.1.1 N型半导体和P型半导体在物理学中已知，常用的四价元素硅和锗等纯净半导体（称本征半导体）中的载流子，为自由电子（带负电荷）和空穴（带正电荷），是在常温下激发出来的，（称为热激发或本征激发），其数量很少，故导电能力微弱，介于导体和绝缘体之间。
在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，因此两种载流子的浓度是相等的。
本征半导体中的载流子浓度除了与半导体材料的性质有关外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高基本上按指数规律增加。
所以，本征载流子浓度对温度十分敏感。
在本征半导体桂或锗中渗入微量五价元素，如磷或砷，（称为杂质）等，可使自由电子的浓度大大增加，自由电子成为多数载流子，（简称多子），空穴成为少数载流子（简称少子）。
这种以电子为导电为主的半导体成为N型半导体。
由于离子不能移动，故不能参与导电，整体半导体仍然呈电中性。
在本征半导体硅或锗中渗入微量三价元素杂质，如硼或铟等，则空穴浓度大大增加，空穴成为多子，而电子成为少子。
这种以空穴为主的半导体成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体统称为杂质半导体，掺杂后半导体的导电能力将显著增加，有理论计算可知，在本征半导体中掺入百分之一的杂质，可使载流子浓度增加近一万倍。
在杂质半导体中，多子的浓度主要取决于杂质的含量；少子的浓度主要与本征激发有关，如前所述，他对温度的变化非常敏感，因此，温度是影响半导体器件性能的一个重要因素。
1.1.2 PN结的形成若在一种类型杂质半导体的基片上，用特定的掺杂工艺加入另一种类型杂质元素，这样在所形成的P型半导体和N 型半导体的交界两侧，P区的空穴（多子）和N区的电子（多子）浓度远大于另一区的同类少子浓度，因而多子通过交界处扩散各自向对方运动，这种由于浓度差而引起的载流子运动成为扩散运动。
载流子扩散运动的结果是使电子和空穴复合载流子消失，在交界面N区一侧失去电子而留下正离子，P区一侧失去空穴而留下负离子。
半导体二极管及其应用
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
反
向 击 穿
死区 电压
U > Uth iD 急剧上升 UD(on) = (0.6 ∼ 0.8) V 硅管 0.7 V
(0.1 ∼ 0.3) V 锗管 0.2 V
U(BR) < U < 0 U < U(BR)
iD = IS < 0.1 µA(硅) 几十 µA (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
2、杂质半导体
（1）N 型半导体
N型
+4
+4
+4
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 ≈ 电子数
空穴 — 多子
电子 — 少子 受主
施主 离原子
载流子数 ≈ 空穴数离原子
（2）P 型半导体
P型
+4
+4
+4
+4
+3
硼原子
+4 空穴
电子为多数载流子
空穴 — 多子
空穴为少数载流子 载流子数 ≈ 电子数
2、反向击穿电压 齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V，负温度系数)
雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V，正温度系数)
击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。
IR
P区
N区
内电场 外电场
−+
半导体二极管的基本原理及应用
半导体二极管的基本原理及应用半导体二极管是一种最简单的电子器件，它在现代电子技术中起着至关重要的作用。
本文将介绍半导体二极管的基本原理、工作方式以及常见的应用。
1. 基本原理半导体二极管由N型半导体和P型半导体组成，其中N型半导体富含自由电子，而P型半导体则富含空穴。
当两种半导体材料通过P-N结（P-N Junction）连接时，便形成了一个二极管。
P-N结的形成是通过掺杂过程实现的，也即将掺杂少量的杂质元素（如硼、磷等）加入到纯净的半导体材料中。
半导体二极管正常工作时，其中的P区域称为“阳极”或“正极”，而N区域则称为“阴极”或“负极”。
在正向偏置情况下，即阳极电压高于阴极，电子从N区域进入P区域，而空穴从P区域进入N区域。
这使得电流流过二极管，形成正向导通。
相反，在反向偏置情况下，即阳极电压低于阴极，由于P-N结的电子云和空穴云相互吸引，电流被阻止，二极管呈现高阻抗状态，称为反向截止。
2. 工作方式半导体二极管具有直流和交流两种工作方式。
在直流工作中，二极管起到整流器的作用，将交流信号转化为直流信号。
在正向偏置时，直流电流通过二极管，而在反向偏置时，几乎没有电流通过。
这一特性使得二极管非常适合用于电源电路的整流器。
在交流工作中，二极管被用作开关或者调制器件。
通过正向偏置或反向偏置，可以实现二极管的导通和截止。
当二极管处于导通状态时，信号可以流过，而在截止状态时，信号被阻断。
这使得二极管在数字与模拟信号处理系统中发挥重要作用，例如在计算机中的逻辑门电路和通信系统中的调制解调器。
3. 应用领域半导体二极管广泛应用于各种电子设备和领域，下面是几个典型的应用示例：3.1 整流器我们在家庭中常用的电源适配器和电池充电器中常会见到二极管的身影。
在这些设备中，二极管被用作整流器，将交流电转换为直流电，以供电子器件正常工作。
由于二极管具有单向导通特性，可以保证电流仅在一个方向上流动，从而实现直流电的获取。
3.2 发光二极管（LED）发光二极管（LED）是一种将电能转换为光能的电子器件。
1章半导体二极管及应用
4．最高工作频率fM
保证二极管具有单向导电作用时允许的最高工作频率。fM主要决定于 PN结电容的大小，结电容越小，fM越大。点接触型二极管的最高工作 频率可达数百兆赫，而面接触型二极管（如整流二极管）最高工作频 率只有3kHz左右。
1.2.4 二极管的等效电路
能在一定条件下近似模拟二极管特性的线性电路称为 二极管的等效电路（或等效模型）。 i
VD IO + UI R 2k UO _ UI R 2k
UD(ON) =0 IO
+ UO _
UD(ON) =0.7V IO _ +
UI R 2k
+ UO _
（ a）
（ b）
（c）
图1-19
例1.2图
解：将二极管用理想模型和恒压降模型分别代入计算式中。 (1) 当UI = 2 V时，由图1-19（b）可得UO =2V，IO=UO/R=1mA 由图1-19（c）可得：UO =UI - UD(ON) =1.3V，IO=UO /R=0.65mA (2) 当UI =20 V时，由图1-19（b）可得UO=20V，IO= UI/R=10mA 由图1-19（c）可得：UO= UI - UD(ON) =19.3V，IO=UO/R=9.65mA
1.1.1 本征半导体
1. 本征半导体 2. 本征激发与复合 3. 本征浓度
4. 本征半导体的导电特性
1.1.1 本征半导体
1.本征半导体
纯净的、晶体结构、 排列整齐的半导体叫 做本征半导体。 将硅或锗材料提纯便 形成单晶体，它的原 子结构为共价键结构。
+4
共 价 键
+4
+4
价 电 子
+4
+4
半导体二极管及其应用电路
面接触型
硅平面型
阳极
阴极
金属支架
正极引线
负极引线
金锑合金
P型硅
铝合金小球
N型硅片
阳极引线
阴极引线
N型锗片
金属触丝
管壳
二氧化硅保护层
负极引线
阳极引线
N型硅
P型硅
二极管外形示意图
阳极
阴极
面接触型二极管特点：结面积大、结电容大，允许通过较大的电流，适用于低频整流。
硅平面型二极管特点：结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。
u
u<0时
整流电路
uo(io）
0
π
2π
3π
ωt
0
π
2π
3π
ωt
u
uo
io
D4
D1
D2
D3
u
+ -
uo
+
-
RL
io
0
π
2π
3π
ωt
iD
iD1 ,iD3
iD2 ,iD4
整流电路
uo(io）
0
П
2П
3П
ωt
uo
io
桥式全波整流输出电压uO的平均值UO为:
U为交流电源u的有效值
负载电阻RL中流过的电流iO的平均值IO为:
其中IDZ=(5~25)mA IL=UZ/RL=6/600=10mA
本节知识要点
1. 伏安特性方程：
A
D
C
B
iD
uD
o
UBR
一、二极管的伏安特性
2. 伏安特性曲线
半导体二极管及其应用典型例题
第一章半导体二极管及其应用典型例题(总14页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第一章半导体二极管及其应用二极管伏安特性例1-1例1-2例1-3二极管电路分析例1-4例1-5 例1-6例1-7例1-8稳压管电路及其分析例1-9例1-10例1-11【例1-1】分析图所示电路的工作情况，图中I为电流源，I=2mA。
设20℃时二极管的正向电压降U D=660mV，求在50℃时二极管的正向电压降。
该电路有何用途电路中为什么要使用电流源【相关知识】二极管的伏安特性、温度特性，恒流源。
【解题思路】推导二极管的正向电压降，说明影响正压降的因素及该电路的用途。
【解题过程】该电路利用二极管的负温度系数，可以用于温度的测量。
其温度系数–2mV/℃。
20℃时二极管的正向电压降U D=660mV50℃时二极管的正向电压降U D=660 –（2´30）=600 mV因为二极管的正向电压降U D是温度和正向电流的函数，所以应使用电流源以稳定电流，使二极管的正向电压降U D仅仅是温度一个变量的函数。
【例1-2】电路如图(a)所示，已知，二极管导通电压。
试画出u I与u O的波形，并标出幅值。
图(a)【相关知识】二极管的伏安特性及其工作状态的判定。
【解题思路】首先根据电路中直流电源与交流信号的幅值关系判断二极管工作状态；当二极管的截止时，u O=u I；当二极管的导通时，。
【解题过程】由已知条件可知二极管的伏安特性如图所示，即开启电压U on和导通电压均为。
由于二极管D1的阴极电位为＋3V，而输入动态电压u I作用于D1的阳极，故只有当u I高于＋时D1才导通，且一旦D1导通，其阳极电位为，输出电压u O=＋。
由于D2的阳极电位为－3V，而u I作用于二极管D2的阴极，故只有当u I低于－时D2才导通，且一旦D2导通，其阴极电位即为－，输出电压u O=－。
当u I在－到＋之间时，两只管子均截止，故u O=u I。
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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