9微波半导体二极管负阻器件讲解
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)
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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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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。
半导体器件物理-负阻器件、功率器件、光电器件
11
1
f x 2 LSC j ( RC j )2
偏 置 在 Rmin处 ， 则 电 阻 截 止 频 率
fr0
1 2RminC j
Rmin 1 RS
fr
f
r
为
0
电
阻
为
零
的
最
高
频
率
换 言 之 ， 有 负 阻 时 频 率低 于fr0
偏 置 在Rmin处 ， 则 电 抗 截 止 频 率
11
1
f x0 2 LSC j ( RminC j )2 f x
1
exp
2ES E
dE
其 中 E 2qξ ； π mEg
经验公式
E
S为E1与E
中
2
较
小
者
。
Ip
It
Ip
V Vp
exp
1
V Vp
IV
V
Vp VV
E1
13
It
Ip
V Vp
exp
1
V Vp
Vp ?
当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值 对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压
电子浓度分布
23
三、MIS隧道二极管（ MIS Tunnel Diode ）
1、基本结构
tox 7nm tox 5nm 1nm tox 3nm
2、基本原理
EFm
EFm
EFm
tox 7 nm : 隧 穿 可 略 ； tox 1nm : 作 用 可 略 ； 1nm tox 7 nm : 隧 穿 效 应 。
直接带隙 能量、动量守恒 E2
E1
声子与初始电子能量之 和等于隧穿后能量
二极管的工作原理图解
二极管的工作原理图解
二极管是一种电子器件，具有两个电极，即（正）P端和（负）N端。
工作原理如下：
1. 构造方式：二极管由两种不同类型的半导体材料（N型和P 型）组成。
在P型半导体材料中，正向掺杂一些杂质，使之
成为P端；在N型半导体材料中，负向掺杂一些杂质，使之
成为N端。
2. 能带结构：在二极管中，P端的材料上边缘能带（价带）处
于低能量状态，而N端的材料上边缘能带处于高能量状态。
P
端与N端之间的交界处称为P-N结，形成了一个禁带。
3. 正向偏置：当给二极管的P端施加正电压，N端施加负电压时，电流只能从P端流入N端，这称为正向偏置。
在正向偏
置下，禁带变窄并允许电流流动。
4. 反向偏置：当给二极管的P端施加负电压，N端施加正电压时，电流几乎不会流过二极管，这称为反向偏置。
在反向偏置下，禁带变宽，电流流动极小。
5. 效应：正向偏置下，当电压施加到足够高时，电流呈指数形态增长。
当电压施加到饱和点后，电流将近似恒定。
反向偏置下，电压增大，电流基本不变直到达到临界击穿电压。
总之，二极管的主要作用是允许电流单向流动，这依赖于P-N 结内部电势能差异所产生的独特能带结构。
这使得二极管成为许多电子电路中重要的基础组件。
半导体二极管在电子电路中的基本作用
半导体二极管在电子电路中的基本作用半导体二极管是一种重要的电子器件，广泛应用于各种电子电路中。
它具有诸多独特的性质和功能，可以起到多种作用。
本文将从基本原理、特点和应用领域等方面，详细介绍半导体二极管在电子电路中的基本作用。
半导体二极管是一种两端具有PN结的二极管，由p型和n型半导体材料组成。
它有一个主要的特点，即只能从p端流向n端的方向导通电流，而反向时截止电流。
这种非线性特性使得二极管在电子电路中具有独特的应用价值。
首先，半导体二极管常用作整流器。
整流器是将交流信号转换为直流信号的重要电子元件。
半导体二极管具有只能单向传导电流的特性，可以有效地将交流信号中的负半周去除，只保留正半周，从而实现整流的功能。
这在电源、通信和音频等领域的电路中经常需要。
其次，半导体二极管广泛应用于电路的保护功能。
例如，在电路中加入一个二极管，可以实现过压保护。
当电路中出现过高的电压时，二极管会在达到其击穿电压时变为导通状态，将超出范围的电压引到地或其他处，从而保护其他电子元件不受损坏。
类似地，二极管还可以用于过流保护、过温保护和反向电压保护等，保障电路的安全运行。
此外，半导体二极管还可用作电压参考源。
例如，锂电池充电、开关电源和运算放大器等电子电路中，通常需要一个稳定的参考电压。
半导体二极管的正向电压降通常比较稳定，因此可以将其作为稳定的参考电压源使用。
通过合理设计与连接，可以在电路中产生精确的参考电压，确保其他电子元件的工作稳定和准确。
同时，半导体二极管在信号混频中具有重要的作用。
信号混频是将两个频率不同的信号混合在一起，得到频率和幅度均不同于原信号的新信号。
在混频电路中，半导体二极管常常作为非线性元件被使用。
通过合理选择和连接二极管，可以实现不同种类的混频电路，从而实现频率合成、调制解调等功能，广泛应用于无线通信和广播电视等领域。
此外，半导体二极管还可用作电路中的开关元件。
在数字电路中，常常需要将信号进行开关控制。
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”。
二极管详解
二极管二极管的特性与应用二极管的工作原理二极管的类型二极管的导电特性二极管的主要参数半导体二极管参数符号及其意义二极管的识别二极管型号命名方法二极管和半导体的关系测试二极管的好坏二极管的特性与应用二极管的工作原理二极管的类型二极管的导电特性二极管的主要参数半导体二极管参数符号及其意义二极管的识别二极管型号命名方法二极管和半导体的关系测试二极管的好坏半导体二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode);它只往一个方向传送电流的电子零件。
它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。
二极管的特性与应用几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。
二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。
二极管的应用1、整流二极管利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。
2、开关元件二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。
利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。
3、限幅元件二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。
利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。
4、继流二极管在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。
5、检波二极管在收音机中起检波作用。
6、变容二极管使用于电视机的高频头中。
7、显示元件用于电视机显示器上。
二极管的工作原理晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
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”。
(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工程。
知识教学目标了解半导体根底知识，掌握PN结的单向导电特性；熟悉二极管的根本结构、伏安特性和主要参数；掌握二极管电路的分析方法；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。
二极管电路的分析与应用。
本章难点半导体二极管的伏安特性，主要参数，单向导电性。
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：电子技术根底是我们这学期新开的一门专业课，它包含各个根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根底。
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)。
1图半导体例如本征半导体了解：纯洁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。
共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。
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6. 外腔稳频
25
外腔稳频振荡器
一、直接耦合式 结构
÷Ð µ ³
等效电路
Q0Q1
Q0
¸ ß Q È Æ Î µ Ç » º Ô ¸ Ø ÷Ç Ö » Ì å
Q1
f0
f1
GL
- Gd
jBd
Gunn
26
二、频带反射式
¸ ß Q È Æ Î µ Ç » Æ Å ¥ ä Õ ¶ Ö Ë
l l g ± l
10
两个调谐电路
÷Å µ ä Æ ÷ « Ö Æ Ã Ò ý È ë º × ¸ è Æ ÷¼ þ º Ô ¸ Ø ¨µ ² ¼ Ð ³ Õ ñ Ç » Ì Â ¶ ·» î È û
ZL
Z (w )
• 波导腔是一个谐振电路，调 配螺钉又等效于1个电路。
L C
• 逐点可画出Y(w)的变化轨迹。
L' Y(w)
18
变容管调谐
lg / 2
lg / 4
并联调谐
等效电路
lg / 4
Rs
Cj
lg / 2
RL
串联调谐
D1 D2
lg / 4
等效电路
Rs C j RL
YIG调谐负载振荡器
H0
扫描电源
RL
o
x
y
扫描电路
振荡器的频率稳定问题
频率稳定性
频率稳定度定义：
w 1 M w0 T
单位：1/0C或 ppm/
导纳：
Y (w ) 1 1 r j (wL ) wC
jB
w 0
w ¥
0
Y (w )
1 r
G
P1
P2 w w 0
Yd (V )
• 由w=0 w=w0 w=¥构成圆 • 交点有两个：P1 和P2 • 由Yd 顺时针转向Y(w)的夹角 <180时是稳定点。P1稳定， P2不稳定 • 所谓稳定是指出现小扰动时，频率偏移，电路能牵引回来。
23
X+Xd=0
• 稳定时有：
( X X d ) ( X X d ) w 0 w
• 电路：
w ( X X d ) m 2 w Q
R R
-- R 为负载阻抗 -- m为电抗变化斜率
( X X d ) 2 RQ w w
1 X 1 L 对于LC电路： X wL 2 w C w wc ìw 1 w Q í L R L L / R wL R 2 Cw 2 î2
-R
2 ZS Z ZW
Z
2 ZS Zd
• Gunn与IMPATT输出阻抗很低，功率输不出来： –采用圆盘形径向腔。由腔四周向波导视去阻抗是 ZW 。 设计腔高 h 使盘半径长度构成相当于 l g/4 阻抗变换器， 使之阻抗匹配。 • 90GHz以上用径向腔较多
17
负阻振荡器的频率调谐
所谓频率调谐就是采取一定的措施改变振荡器的振荡频率。 调 谐 方 式
机械调谐
通过改变谐振腔的尺寸来改变振荡频率
通过改变负阻器件的偏置来改 偏置调谐 变振荡器的振荡频率，体效应 管采用偏压调谐，雪崩管采用 偏流调谐，但是频率变化的同 时输出功率也在发射变化，甚 至出现停振 变容管调谐
电 调 谐
YIG调谐
微波半导体二极管振荡器
负阻振荡器的一般理论 负阻振荡器电路 振荡器的频率稳定问题
1
负阻振荡器的一般理论
负阻振荡起振与平衡
µ ÷Å ä Æ ÷ « Ö Æ Ã Ò ý È ë
波导型负阻振荡器结构：
º × ¸ è Æ ÷¼ þ º Ô ¸ Ø ¨µ ² ¼ Ð ³ Õ ñ Ç » Ì Â ¶ ·» î È û
1 RL Rd (0) 3
Ropt Rd (0) 3
Pout
R(w)
7
负阻振荡器的调谐特性
• 负阻振荡器频率取决于外电路谐振频率。具有一个外电路 时，振荡频率是固定的。如果外电路有两个相互耦合，就 可能有两个振荡频率。调节频率过程中有时振荡在某一个， 有时振荡在另一个。 • 振荡特性用阻抗轨迹图或导纳轨迹图。导纳轨迹图优点是 概括了全部导纳点。 * 阻抗(导纳) 轨迹图是指从器件端口向外电路看去总的 阻抗 ( 导纳 ) 随振荡频率而变化的曲线。阻抗 ( 导纳 ) 轨 迹图因谐振回路情况而异，进行调谐时会变化。
0C
-Rd Gunn jXd
稳定时 R-Rd=0
R ¸ º jX Ô Ø
一般为M=10-3~10-4/0C 温度变化，频率漂移 • 温度变化 电抗变化 X
( X X d ) 频率变 w ( X X d ) • 频率变化 w 电抗变化 X ' w w
R0
ä ³ Ê ö è ¿ × ¹ ± ä » ¶ Î
A
L0
B
jBd
Z0
C0
Yin
- Gd
GL
A'
l g ± l
B'
27
--- 负阻二极管阻抗，I是振荡电流幅度
2
一、起振条件 • 刚起振时，振荡处于“小信号”状态，负载电流 I0 若存在自由振荡，回路电流 i 满足
• 能振荡条件: 即要求负阻器件的小信号负阻的绝对值大于外电路的电阻。
3
4
二、平衡条件 随振荡增强，器件阻抗Zd变化，负阻Rd值下降。当器件负阻
Rd(I)等于外电路正阻时，振荡不再增强，达到稳态平衡。
8
• 单个谐振电路：
jX
C L r
Z(w)
w ¥
Z(w)
-Zd (I)
Zd (I )
Pw w r
0
0
R
w 0
1 ) 阻抗： Z (w ) r j (wL wC
Z(w) --- 垂直线，外电路阻抗线
Zd(I) --- 器件阻抗线 Z(w)- Zd(I) =0，交点P 是振荡频率点。
9
¤× ¹ ÷Ç ø ÷Ð µ ³ · ½ Ï ò
• 当调谐元件在某一范围内沿某方向调节和沿相反方向调节时， 振荡器的工作频率沿不同曲线跳变，这种现象叫调谐的滞后 特性。
• 在 fa < f < fc 范围内得不到稳定振荡。
14
• 频率跳变伴随有功率跳变
P
c
a
d
b
÷³ µ Ð · ½ Ï ò
15
负阻振荡器电路
ZL
Z (w )
负阻器件，谐振腔，调配器 (波导、微带、鳍线)
Z (w ) R(w ) jX (w )
i(t)
ZL
Í ø Â ç
vL (t )
vd (t )
Z (w )
- Zd (I )
--- 外电路阻抗(包括活塞腔， 调配螺钉，外负载)
- Z d ( I ) -Rd ( I ) jX d ( I )
11
r
C'
-Yd (V)
jB
w ¥ Y jw C ' Y (w )
n
1 r
G
Y (w ) j (wC '
P3 w w 0
Yd (V )
1 ) wL' 1
w 0
P1 m
P2
1 Y -j wL'
1 r j (wL ) wC
• Yd(V)和Y(w)的交点可能有3个， 其中P1 和P2 是稳定的 • 如果调谐由 m( 低频 ) 向高频调，将稳定在 P1 ；如果调谐由 n(高频)向低频调，将稳定在P2 。 • 改变L、C或L、C任意一个调谐电路时，曲线导纳轨迹图 上下移动，交点P1 、P2和P3也在变动，从而形成调谐曲线。
12
外电路几种调谐状态
jB
Y (w ) 1 r
jB G
w w0
Y (w )
G
Yd (V )
c' d' (b)
G
Yd (V )
d
c
(a)
G
jB b a
jB
Yd (V )
Yd (V )
Y (w )
Y (w )
(c)
(d)
13
• 实际振荡器调谐曲线(两个回路谐振频率同时变化)
f
fc
c c'
b
fa
a d d'
• 18GHz以上广 Æ Ã Ò ý È ë Í Í µ ¨Ë  ² ¨÷ Æ
Lp
ZW
lg d 2 4
ZS
ì ï Zd í ï î
÷³ µ Ð Ã ± ÷³ µ Ð » î È û º × ¸ è Æ ÷þ ¼ d ð Ê ½ ô ¸ Ë ä ³ ö h Ê
5
6
三、最佳负载
• Zd的虚部变化相对小些，实部变化大些。随着I的变化， 实部下降。 • 用物理概念判断输出功率： * R(w)---负载阻抗很大，I 很小，获得振荡稳定功率也 很小。(勉强刚起振，不易给出功率)。 * R(w)~Rd(I)~0---负载接近短路，显然获得功率也小。 * 中间必有一个最佳负载值，可获得最大输出功率。 最佳负载：
24
• 频率相对变化：
X d X w w 2QR
• R不变情况下提高频率稳定度措施： 1. 减小 ：恒温、稳压 2. 减小 X/：低膨胀材料、温度补偿 3. 提高腔体Q值：抛光，镀银或金(导电性不好，稳定性好) 4. 注入锁定(已很少用) 5. 锁相环
• 波导腔振荡 器
¨µ ² ¼ ¶ Ë ¿ é ý È Ò ë Æ « Ñ ¹ ø Ô ¾ µ Ä ¤ ÷Ð µ ³ Â Ý ¶ ¤
¦ Â ¹ Ê Ê ä ³ ö
lg/4
¢ ¶ ¹ þ ¼ « ¹ Ü