半导体二极管的结构
半导体二极管(Diode)
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模拟电子技术基础
[解] 理想 恒压
VDD = 10 V IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA) UO = 10 0.7 = 9.3 (V) IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)
折线 IO = (VDD-Vth)/ (R+rd) = (10-0.5 )/ (2+0.2) = 4.318 (mA)
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2.4
二极管基本电路及其分析方法
二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路
分析方法。主要介绍模型分析法。 2.4.1 2.4.2 二极管V-I特性的建模 模型分析法应用举例
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2.4.1 二极管V-I特性的建模
1. 理想模型(ideal model)
模拟电子技术基础
2.3 半导体二极管（Diode）
二极管 ：一个PN结就是一个二极管。
半导体二极管的类型与结构
二极管的V-I特性
★二极管的参数
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2.3.1 半导体二极管的类型与结构
硅管
(1) 按使用的半导体材料不同分为
锗管 面结型(junction type) 点接触型(point contact type)
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模拟电子技术基础
2
限幅电路
用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。
例3：理想二极管电路中 vi= Vm sinωt V，求输出波形v0。
vi
Vm
VR
解： Vi> VR时，二极管导通，vo=vi。
第1章 半导体二极管和晶体管
型求出 IO 和 UO 的值。
+ UD -
解:
1、理想模型
UO = V = 6 V
E
IO = E / R = 6 / 6 = 1 (mA)
+
2 V ID
R UR
6KΩ
-
2、恒压降模型
UO = E – UD = 6 0.7 = 5.3 (V) IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)
反向击穿电压 I/mA 反向饱和电流
硅几 A
锗几十~几百 A UBR
硅管的温度稳
IS
O
U/V
定性比锗管好 反向 饱和电流
36
（二）极间电容
第三节、半导体二极管
C
1、PN结存在等效结电容
PN结中可存放电荷,相 当一个电容。
PN
+ ui –
R
– 2、对电路的影响：外加交流电源
+
时，当频率高时，容抗小，对PN
14
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
多一个 价电子
4
+5
4
掺杂
4
4
4
15
本征激发
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
4
+5
4
掺杂
正离子
电子
4
4
4
多子-------电子 少子-------空穴
N型半导体示意1图6
第一节、半导体的导电特性
P型半导体
多一个 空穴
4
+3
4
掺杂
4
4
4
17
本征激发
第一节、半导体的导电特性
半导体二极管工作原理
半导体二极管工作原理
半导体二极管是一种基本的电子器件，其工作原理基于真空二极管的热阴极和阳极间的电子流动现象。
半导体二极管由P
型和N型半导体材料构成，形成一个PN结。
在PN结中，由于P型半导体内含有多余的空穴（正电荷载体），而N型半导体内含有多余的自由电子（负电荷载体）。
当N型半导体接触到P型半导体时，多余的自由电子和空穴
会进行扩散。
由于自由电子迁移到P区，形成负离子，而空
穴迁移到N区，形成正离子。
这就导致PN结的两侧形成了一个带有固定电荷的区域，称为耗尽层。
当外加一个电压到二极管时，如果正电压加在P区，而负电
压加在N区，这就称为正向偏置。
在正向偏置下，正电压将
加速电子和空穴的运动。
自由电子将迁移到P区，而空穴将
迁移到N区，这样当电流通过二极管时，电子就会在PN结处再次重组，产生电子空穴对，并且继续流动到外部电路。
因此，二极管在正向偏置下成为导电状态，也被称为ON（导通）状态。
相反地，如果负电压加在P区，而正电压加在N区，这称为
反向偏置。
在反向偏置下，负电压阻止了电子和空穴的运动，这使得电流无法通过PN结。
因此，二极管在反向偏置下处于
非导电状态，也被称为OFF（截止）状态。
总之，半导体二极管的工作原理基于PN结的形成和正反向偏
置下电子和空穴的运动。
这使得二极管可以用作整流、变压、开关和放大等许多电子电路中的基本组件。
半导体二极管
(1-4)
1. 4 二极管的主要参数
1. 最大整流电流 IFM
在规定的环境温度和散热条件下，二极管长 期使用时，所允许流过二极管的最大正向平 均电流。
2. 最高反向工作电压URM
通常称耐压值或额定工作电压，是指保证二 极管截止的条件下，允许加在二极管两端的 最大反向电压。手册上给出的最高反向工作 电压URM一般是击穿电压UBR的一半。
(1-5)
3. 反向电流 IR
指二极管未击穿时的反向电流。反向电流 越小越好。通常反向电流数值很小，但受 温度影响很大，温度越高反向电流越大， 一般温度每升高10o,反向电流约增大一倍。 硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要 比硅管大几十到几百倍。
4. 最最高工作频率fM
指保证二极管导向导电作用的最高工作频 率。当工作频率超过fM时，二极管将失去导 向导电性。
模拟电子技术
半导体二极管
1. 1 半导体二极管的结构和符号
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
点接触型
触丝线
PN结
引线 外壳线
基片
面接触型
二极管的ห้องสมุดไป่ตู้路符号： 阳极
阴极
(1-2)
二极管的主要特性---单向导电
1、二极管的偏置：二极管单向导电的特性，只有外加一定极 性的电压（称为偏置）才能表现出来。阳极电位高于阴极 电位称为二极管的正向偏置，反之称为反向偏置。
2、二极管的主要特性：单向导电，即正向导通，反向截止。 或曰：只能一个方向导电，另一个方向不导电，即由阳极 向阴极可以顺利的流电流，反方向不流电流。
只能一个方向 电，
(1-3)
1. 3 二极管的伏安特性
I
反向击穿 电压UBR
1.2 半导体二极管
面接触型管子的特点是，PN 结的结面积大，能通过较大电流，但结电容也大，适用于低频较低整流电路。
半导体二极管半导体二极管是由一个PN 结构成的二端元件。
其端钮有确定的命名，即一端叫阳极a ，一端叫阴极k 。
1.2 半导体二极管1.2.1 半导体二极管结构和类型（1）点接触型二极管（2）面接触型二极管（3）平面型二极管点接触型管子的特点是，PN 结的结面积小，因而结电容小，主要用于高频检波和开关电路。
既不能通过较大电流，也不能承受高的反向电压。
平面型管子的特点是，PN 结的结面积大时，能通过较大电流，适用于大功率整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。
1.结构2. 分类普通二极管特殊二极管变容二极管发光二极管光电二极管激光二极管二极管稳压二极管稳压光电转换调谐按材料的不同，常用的二极管有硅管和锗管两种；按其用途二极管分为普通二极管和特殊二极管两大类：整流、滤波、限幅、钳位、检波及开关等。
忽略正向导通压降和电阻，二极管相当短路；二极管反向截止时忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大，二极管相当开路路。
I S uiU R 二极管是一种非线性元件，其特性就是PN 结的特性，而电流i D 与两端的电压u D 的关系近似为：1.2.2 二极管的伏安特性普通二极管是应用PN 结的饱和区、死区和导通区的特性制成的二端元件。
电路符号为：（1）伏安关系（2）理想二极管）（1-=T D V u S D e I i I S —反向饱和电流；V T —温度的电压当量，当常温（T=300K ）时，V T =26mV 。
在正常工作范围内，当电源电压远大于二极管正向导通压降时，可将二极管当作理想二极管处理，其伏安特性如图示。
k a D最大整流电流又称为额定正向平均电流，是指二极管长时间使用时，允许通过的最大正向平均电流。
此值取决于PN 结的面积、材料和散热情况。
1.2.3 二极管的主要电参数1）最大整流电流I F2）最高反向工作电压U R3）最大反向电流I RM I F I RM ui U R 最大反向电流是指二极管加上最高反向工作电压时的反向电流值。
半导体发光二极管
一、导言
二、基本结构 三、主要参数 四、工艺简介
一、导言
• 最早在60年代初期出现GaAsP红色发光器件， 进而出现GaP掺锌氧对的红色器件，GaP掺氮 的黄绿器件等等。十年后这些器件实现大批量 生产。到了80年代中期出现了GaAlAs发光二极 管，其发光亮度有了大幅度提高。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。
发光二极管的基本结构（续）
• 树脂分为主剂和硬化剂两部分，有的 树脂在主剂中加入了颜料，因此得到了 各种颜色的主剂，而大多数树脂主剂出 厂时是一种淡蓝色的液体，封装时根据 需要加入不同颜料，硬化剂是一种无色 透明的液体。在树脂中加入适量的散射 剂可以提高发光的均匀性，增大散射角， 但同时法向发光强度降低。
2.1 管芯 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。
表<1> 不同颜色的发光二极管所使用的发光材料
发光颜色 发光材料 发光颜色 发光材料
Emission Area 0.254×0.254
P Electrode GaP P Epi Layer GaP N Epi Layer GaP N Substrate
N Electrode
图<2> LED芯片图形
发光二极管的基本结构（续）
• 当有电流通过PN结时产生发光，发光颜色 取决于芯片材料，而发光强度除了和材料 有关外，还和通过PN结电流的大小以及封 装形式有关。电流越大，发光强度越高， 但当电流达到一定程度时出现光的饱和， 这时电流再增加，光强不再增加。封装时 芯片到出光面距离越远，发光强度越高， 但角度也越小。
半导体二极管ppt课件
快 恢 复 二 极 管
形形色色的二极管
肖 特 基 二 极 管
二极管的封装 资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值
用于电视机、收音机、电源装置等电子产品中
的各种不同外形的二极管如下图所示。二极管
通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，
五、二极管的检测 资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值
用万用表检测普通二极管的好坏 测试图如图所示
1、万用表置于R×1k挡。测量正向电阻时，万用表的黑表
笔接二极管的正极，红表笔接二极管的负极。
2、万用表置于R×1k挡。测量反向电阻时，万用表的红表
稳压管在电路中主要 功能是起稳压作用。
击穿 特性
稳压管的伏安特性曲线
正向 特性
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
形形色色的二极管
高频二极管
阻尼二极管
金属封装整流二极管
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
发光二极管
形形色色的二极管
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
高，主要用于信号检测、取样、小电流整流等
整流二极管（2CZ、2DZ等系列）的IFM较大，fM很
半导体分立元件--二极管
半导体分立元件半导体二极管半导体二极管是用半导体材料（主要是硅或锗的单晶）而制成，故又称为晶体二极管（俗称二极管）。
二极管的主要电性能是“单向导电性”，是一种有极性的二端元件（一种典型的非线性元件）。
二极管在电路中主要用作整流、限幅箱位、检波等，在数字电路中用作开关器件。
基本知识1、二极管。
自然界的物质按其导电能力的大小分为导体、半导体、绝缘体。
导体具有良好的导电性能，其电阻率一般小于10-6Ω·m，如铜和银；绝缘体导电能力很差或不导电，其电阻率往往在108Ω·m以上，如橡胶、陶瓷等；而半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，如纯净的硅在常温下的电阻率为2×103Ω·m。
半导体材料（如硅和锗）都是4价元素，其最外层的4个价电子与其相邻的原子核组成“共介键”结构，所以在温度极低时（如绝对零度时）半导体不导电，在常温下，纯净的半导体的导电能力也很弱。
2、半导体的主要特点。
半导体与导体和绝缘体相比有两个显著特点：一是其“热敏性”与“光敏性”。
例如当环境温度每升高8℃时，纯净硅的电阻率会降低一半左右（即导电能力提高一倍），且光线的照射也会明显地影响半导体的导电性能，人们利用半导体的这一性能，就可以制成各种热敏元件（如热敏电阻）、光敏元件（如光敏电阻、光电管）等；其二是半导体的“掺杂性”。
指在纯净的半导体内掺入微量的杂质，半导体的导电能力就急剧增强。
例如在单晶硅中掺入百分之一的某种杂质，其导电能力将增加一百万倍。
人们正是利用半导体的这一独特性质。
做成“杂质半导体”，从而制造出各种不同性质、不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管、场效应管和集成电路等。
3、杂质半导体。
（1）N型半导体（电子型半导体）。
在纯净的半导体中掺入5价元素就得到N型半导体。
5价杂质其最外层的5个价电子除与半导体组成共价键外就多余一个电子（自由电子）。
所以N型半导体中自由电子为“多子”，空穴为“少子”。
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自然界中的物质按导电能力强弱的不同，可分为导体、绝缘 体和半导体3大类。
半导体定义及分类 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料 有锗（Ge）、硅（Si）和砷（As）等。完全纯净的、不含杂质的半导体叫 做本征半导体。如果在本征半导体中掺入其他元素，则称为杂质半导体。
(2) 二极管的主要参数
1、最大整流电流IF 表示允许通过二极管的最大的正向平均电流，超过此电流，将因管子超
过限度而烧坏PN结。 一般点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下，面结合型二极管
的最大整流电流可达数百安培以上，有的甚至可达几千安培以上。 2、最大反向电压URM
最大反向电压是指保证二极管不被击穿而给出的最高反向工作电压，通 常是反向击穿电压的一半或三分之一 。 3、最大反向电流IRM
第六章 晶体管及其应用电路
（2）稳压二极管的主要参数
① 稳定电压UZ 稳定电压UZ就是稳压二极管在正常工作时管子两端的电压。
② 稳定电流IZ 稳压管正常使用起码的工作电流 。
③ 最大允许耗散功率PM 稳压管所允许的最大功耗，超过此值，管子将会过热击穿损坏。
第六章 晶体管及其应用电路
2. 发光二极管
最大反向电流是指二极管加最大反向电压时的反向电流值。
第六章 晶体管及其应用电路
6.1.2 特殊二极管
1. 稳压二极管 （1）稳压二极管及其伏安特性
给稳压二极管加反向电 压，使它工作在电击穿区域， 反向电流虽然在很大范围内 变化。但稳压二极管两端的 电压变化很小，利用这一性 质稳压二极管在电路中可以 实现稳压作用 。
流iL等于零，负载电压uL等于零。
第六章 晶体管及其应用电路
① 电压的平均值为： 电压的平均值是指一个周期内脉动电压的平均值，即：
U L
1 2
0
2U 2 sin td(t)
2 U2
0.45U 2
② 电流的平均值
ID
IL
0.45 U 2 RL
③ 最高反向电压
U RM U 2M 2U 2
点接触型二极管结构如图（a）所示。其特点是PN结的面积小、 允许通过的电流小，但结电容小，因此，一般用作高频信号的检波和 小电流的整流，也可用作脉冲电路的开关管。
面接触型二极管结构如图（b）所示。其特点是PN结的面积大、 能承受较大的电流，但结电容大，主要用于低频电路和大功率的整流 电路。
第六章 晶体管及其应用电路
P
N
P 空间电荷区 N
空穴
自由电子
空穴 内电场方向
自由电子
第六章 晶体管及其应用电路
6.1 二极管及其应用 二极管工作原理
6.1.1 二极管的单向导电性
在PN结两端分别引出一个电极，外加管壳即构成晶体二极管， 又称为半导体二极管。 1．半导体二极管的结构
按照内部结构的不同，半导体二极管可分为点接触型二极管和面 接触型二极管两类。
第六章 晶体管及其应用电路
(2) 单相桥式整流电路
+
Tr + a
VD4
u1
u2
-
-
VD3
b
VD1 VD2
+ uL RL _
u2
π
2π
uL
3π
4π wt
(a)
π
2π
3π
4π wt
(b)
第六章 晶体管及其应用电路
当u2为正半周时，由于u2＞0，u2的瞬时极性为a 正b负，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电路形成回
半导体二极管的结构类型 二极管的电路符号
第六章 晶体管及其应用电路
2 ．二极管的伏安特性
下图为伏安特性测试电路
VD1 mA
V Rp
E
R
VD1 mA
V Rp
E
R
(a) 二极管正向导通
(b) 二极管反向截止
第六章 晶体管及其应用电路
(1) 二极管正向、反向偏置特性
二极管伏安特性
锗二极管的伏安特性
第六章 晶体管及其应用电路
第六章 晶体管及其应用电路
本征半导体有两种导电的粒子，一种是带负电荷的自由电子 ，另一种是相当于带正电荷的粒子—空穴。自由电子和空穴在外 电场的作用下都会定向移动而形成电流，所以人们把它们统称为 载流子。在本征半导体中，每产生一个自由电子，必然会有一个 空穴出现，自由电子和空穴成对出现，这种物理现象称为本征激 发。由于常温下本征激发产生的自由电子和空穴的数目很少，所 以本征半导体的导电性能比较差。但当温度升高或光照增强时， 本征半导体内的自由电子运动加剧，载流子数目增多，导电性能 提高，这就是半导体的热敏特性和光敏特性。在本征半导体中掺 入微量元素后，导电性能会大幅提高，这就是半导体的掺杂特性 。在本征半导体中掺入不同的微量元素，就会得到导电性质不同 的半导体材料。根据半导体掺杂特性的不同，可制成两大类型的 杂质半导体，即P型半导体和N型半导体。
PN结具单向导电特性。
PN I
PN
第六章 晶体管及其应用电路
PN结形成 P型和N型半导体结合面两侧同类型的载流子存在浓度差 ，
N型区的多子自由电子向P型区扩散，并与P型区的空穴复合如 图 ，这样N型区由于失去电子而出现带正电的杂质层，P型区 由于得到电子而出现带负电的杂质层，因此在交界面两侧形成 一个带异性电荷的薄层，称为空间电荷区，即PN结。
VD
+
u1
u2
UL
_
iL
-
b-
u2
π 2π uL
3π 4π wt (a)
π 2π 3π 4π wt (b)
当u2为正半周时，由于u2＞0， u2的瞬时极性为a正b负，二极管
VD承受正向电压而导通，iL= id ，
uL=u2 。
当u2为负半周时，由于u2＞0，u2的 瞬时极性为a负b正，二极管VD承受 反向电压而截止，负载上流过的电
第六章 晶体管及其应用电路
si
si
si
多余的
电子
si
P
si
磷+5
si
si
si
N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入 少量的五价元素，例如磷（P）
si
si
si
少一个 电子
形成 空穴
si
B
si
硼+3
si
si
si
P型半导体 在本征半导体中掺入管及其应用电路
PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管、可控硅和半 导体集成电路等多种半导体器件的基础。
发光二极管简称为LED管，是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P） 等化合物制成的，用这些材料制成的PN结，加上正偏电压，将电能 转化成光能而发光，
第六章 晶体管及其应用电路
6.1.3 整流、滤波及稳压二极管稳压电路
1. 常用整流电路
(1) 单相半波整流电路
u2 2U 2 sin wt
+ Tr a +