PN结和二极管
PN结和二极管的工作原理
PN结和二极管的工作原理PN结是半导体器件中常见的结构之一，也是二极管的基本组成部分。
它具有特殊的工作原理，能够实现电流的单向导通，从而实现电子器件的正常工作。
在这篇文章中，我将详细介绍PN结和二极管的工作原理。
一、PN结的构成和形成PN结由两种不同类型的半导体材料P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的杂质掺杂物主要是三价元素，如硼(B)，而N型半导体中的杂质掺杂物主要是五价元素，如磷(P)。
当P型半导体和N型半导体接触时，发生电子的扩散过程。
当两种半导体相接触时，P型半导体中的电子会向N型半导体中扩散，而N型半导体中的空穴会向P型半导体中扩散。
这样，在相接触区域形成一个带有正电荷的区域，称为P区，和一个带有负电荷的区域，称为N区。
P区和N区之间的边界称为PN结。
二、PN结的正向偏置当在PN结上施加正向电压时，使P区的正电荷与N区的负电荷相吸引，减小了PN结的势垒，电子和空穴能够更容易地通过PN结区域。
在正向电压作用下，P区中的空穴朝着N区移动，N区中的电子朝着P区移动，形成空穴电流和电子电流的流动。
空穴和电子在PN结区域相互复合，产生的正负离子消失。
这样，PN结就能够导通，电流可以顺利通过。
三、PN结的反向偏置当在PN结上施加反向电压时，使P区的负电荷与N区的正电荷相吸引，增加了PN结的势垒，形成一个更大的阻碍电流流动的势垒。
在反向电压作用下，PN结的势垒增大，电子和空穴被阻止穿越PN 结区域，电流无法通过PN结。
只有当反向电压超过PN结的击穿电压时，才会发生击穿现象，电流才能够通过PN结。
四、二极管的工作原理二极管是一种基于PN结构的电子器件，它具有单向导电特性。
当二极管的正极施加正向电压，负极施加反向电压时，二极管处于正向偏置状态；当二极管的正极施加反向电压，负极施加正向电压时，二极管处于反向偏置状态。
在正向偏置状态下，二极管导通，电流可以从P区流向N区，实现低阻抗。
在反向偏置状态下，二极管截止，电流无法通过，形成高阻抗。
2-1PN结及二极管
2020/1/20
2
2.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)空穴的移动 (3)电子空穴对
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
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② PN结反偏时 ——截止
外在加一的定反的向温电度压条有件一下部，分由降本落征在激P发N结决区定，的方少向子与浓 P度N结是内一电定场的方，向故相少同子，形加成强的了漂内移电电场流是。恒内定电的场，对基多子 扩本散上运与动所的加阻反碍向增电强压，的扩大散小电无流关大，大这减个小电。流此也时称P为N结 区反的向少饱子和在电内流电。场的作用下形成的漂移电流大于扩散 电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层
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两种载流子的运动 动态平衡时
PN结 总电流I=0
空间电荷区宽度稳定
两种运动：
扩散（浓度差）
两种电流：
扩散电流
漂移（电场力） 漂移电流
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(2) PN结的单向导电性
在PN结两端外加电压通常叫做偏置。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压 ，简称正偏；
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（1）本征半导体的共价键结构
硅(锗)的原子结构
简化模型
价电子 (束缚电子)
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
PN结和二极管
旧符号
2015年9月21日星期一
标记 Diode
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种类 1、普通二极管 2、稳压二极管 3、光电二极管 将光信号转换为电信号的器件，
常用于光的测量，或做光电池。
4、发电二极管
（LED）
5、激光二极管
将电信号转换为光信号的器件， 常用于显示，或做光纤传输中 的光发射端。
发射相干单色光的特殊发光二 极管。主要用于小功率光电设 备，如光驱、激光打印头等。
2.1.1 本征半导体 2.1.2 P型和N型半导体
2
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2.1.1 本征(intrinsic)半导体
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动 (4) 能带结构
2015年9月21日星期一 发光管
触敏屏
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二极管是一种非线性器件，需应用线性化 模型分析法对其应用电路进行分析。
33
2015年9月21日星期一
型号命名规则
2AP9 2DW7B 1N4001 1N4007 1N4148 1N5819 2DW7B
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2015年9月21日星期一
2.4.2 整流电路
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注意：
稳压二极管在工作时应反接，并 串入一只电阻。
电阻的作用： 限流保护 误差调节
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二、电路原理
(1) 输入电压变化时
VI↑→VO↑ →VZ↑ →IZ↑ →IR↑ →VR↑ →VO↓
(2) 负载电流变化时
IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
什么是PN结和二极管
什么是PN结和二极管PN结是半导体物理学中的一个基本概念，它是由P型半导体和N型半导体接触在一起形成的结构。
在P型半导体中，空穴是多数载流子，而在N型半导体中，电子是多数载流子。
当P型和N型半导体接触时，N型半导体中的电子会向P型半导体中的空穴移动，形成大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对称为载流子。
由于载流子的数量大大超过了原来的数量，所以形成了电荷不平衡，产生了电场，这个电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，最终达到了一种电荷分布的平衡状态，形成了PN结。
二极管是一种基于PN结的半导体器件，它具有单向导电性。
当二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位时，PN结处于正向偏置状态，此时电子和空穴会大量移动，形成电流，二极管导通。
而当正极连接到低电位，负极连接到高电位时，PN结处于反向偏置状态，此时电场会阻止电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
二极管广泛应用于电子电路中，如整流、调制、稳压、信号检测等。
它们是现代电子技术中不可或缺的基本元件之一。
习题及方法：1.习题：PN结的形成过程中，为什么会产生电场？解题方法：回顾PN结的形成过程，分析P型和N型半导体接触时电荷不平衡的原因，以及电场的作用。
答案：PN结形成过程中，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子大量移动，形成了电子-空穴对。
这些电子-空穴对使得PN结区域内的电荷分布不平衡，产生了电场。
电场的作用是阻止电子和空穴的进一步扩散，最终达到电荷分布的平衡状态。
2.习题：二极管在正向偏置和反向偏置状态下，分别会发生什么现象？解题方法：分析二极管的正向偏置和反向偏置过程，以及对应的电荷分布和电流情况。
答案：在正向偏置状态下，二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位。
此时，PN结中的电场减弱，电子和空穴大量移动，形成电流，二极管导通。
在反向偏置状态下，二极管的正极连接到低电位，负极连接到高电位。
此时，PN结中的电场增强，阻止了电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
半导体基础PN结与二极管的应用
半导体基础PN结与二极管的应用半导体技术是当代电子领域中最为重要的基础技术之一。
其中，PN 结和二极管作为半导体器件中的重要组成部分，发挥着至关重要的作用。
本文将介绍半导体基础PN结的原理及其在二极管中的应用。
一、半导体基础PN结原理PN结是由n型和p型半导体材料的结合而形成的。
其中，n型半导体与p型半导体的性质有着明显的区别。
1. n型半导体：在n型半导体中，材料中的杂质原子掺入了导电能力较强的杂原子，如磷（P）或砷（As）。
这些杂原子具有多余的电子，因此在外加电场的作用下，这些电子能够自由地移动，形成电流。
2. p型半导体：与n型半导体相反，p型半导体中的杂原子通常是掺入了硼（B）或铝（Al）等元素。
这些杂原子缺少电子，因此在外加电场的作用下，它们会吸引材料中的电子，形成称为“空穴”的空缺。
当n型半导体和p型半导体相互接触时，形成PN结。
由于电子流动的方向与空穴流动的方向相反，PN结会产生一个电场，这个电场阻碍电子和空穴的再次扩散。
由于这个电场，PN结具有单向导电性，即在正向偏置时能够导电，而在反向偏置时则不能导电。
二、二极管基于PN结的特性，可以制造出一种叫做二极管的器件。
二极管是半导体电子学中最简单也是最常用的器件之一。
它由一个PN结构成，具有两个引线（即正极和负极）。
1. 正向偏置二极管：在正向偏置情况下，即将正极连接到p区，负极连接到n区时，PN结处的电场会减小，从而使电子和空穴越过PN 结。
电流可以自由地流动，因此二极管可以导电。
2. 反向偏置二极管：在反向偏置情况下，即将正极连接到n区，负极连接到p区时，PN结处的电场会增大，从而阻碍电子和空穴的扩散。
此时，几乎没有电流通过二极管，因此二极管处于截止状态。
三、二极管的应用二极管由于其独特的特性，在电子领域中有广泛的应用。
1. 整流器：二极管可以用作整流器，即将交流信号转换为直流信号。
通过适当连接多个二极管，可以制造出多级整流电路，用于变压器和电源的设计。
二极管pn结原理
二极管pn结原理1 什么是二极管？二极管是一种最简单的半导体器件，由两种不同材料的半导体材料P型半导体和N型半导体组成。
PN结是二极管的核心部件，也就是p型半导体和n型半导体之间的结。
2 PN结的形成原理PN结的形成需要有参与原子的扩散过程。
首先将p型半导体和n型半导体的晶体材料分别注入一种外加杂质。
在p型半导体中加入的杂质叫做施主杂质，通常是将硼元素注入。
硼元素的价带少一个电子，它可以填充一些未被占据的价带和恰好和晶体中的价电子匹配。
在n型半导体中加入的杂质叫做受主杂质，通常是将磷元素注入。
磷元素的价带多一个电子，与主杂质配对后，会形成一个电子的过剩，也成为自由电子。
当把这两种材料放在一起时，施主杂质和受主杂质将互相扩散，形成一个p型区和一个n型区。
电荷载流子同时向两个相反的区域移动，并最终与另一方的载流子相遇。
n区的自由电子会在接近p区界面时遇到施主杂质，使电子与施主杂质原子结合，空出空穴。
空穴会转移到p区，可以在那里与受主杂质结合。
施主杂质和受主杂质在互相扩散时经过重复的迁移，最终n型区和p型区交织在一起，在p区和n区之间就形成了PN结。
PN结在没有外加电压时处于平衡状态，在PN结附近会形成电场。
电子在带负电的n型区中移动时，越靠近PN结就越难以通过电场而通过，最终聚集在PN结周围的接缝区域。
3 PN结的作用PN结具有单向导电性，当它被正向偏置时，内部的电场会减弱，水平移动的电荷会进入PN结，导致电流通过，形成电路。
当它被反向偏置时，内部的电场会加强，电荷运动将被阻止，不允许电流通过。
利用二极管的单向导电性，可以使电流在电路中向一个规定的方向流动，为许多电气设备的正常运作提供了保障。
二极管 pn结
二极管 pn结二极管是一种半导体元件，是现代电子技术中最重要的器件之一。
它可以实现将电能转化为光能，也可以将电流进行整流和开关控制。
它的工作原理是基于二极管中 pn 结的正向导通和反向封锁。
一、PN结PN 结是指由 n 型和 p 型半导体连接而成的 p-n 转移层，它是二极管的基础结构。
在 p-n 转移层内，由于在 p 区中具有过多的空穴，而在 n 区中具有过多的自由电子，因此电子与空穴在这里发生复合，难以向前方向穿过。
当我们加上一个外加电压时，正向偏压会增大 p 区空穴数，减少 n 区自由电子数；反向偏压时 p 区空穴数减小，n 区自由电子数也同样减小。
这些效应导致 p-n 结行为不同，区分出正向和反向两种电压状态。
二、正向导通当在 pn 结加上一个正向电压时，使得 p 区的正电荷与 n 区的负电荷相互吸引，越来越多的电子跨越 pn 结向 p 区运动，与空穴相遇，形成电流。
此时，pn 结的电场被削弱，并且导电物质不断向 p区流动，最终达到有稳态电流的电路。
三、反向封锁当在 pn 结加上反向电压时，n 区的自由电子会向正极方向流动，p 区的空穴会向负极方向移动，这都会降低电流导通的可能性。
此时，n 区电子与 p 区空穴相互吸引，二极管处于反向封锁状态。
在这种情况下，pn 结的电场被加强，电子和空穴受到强的耗散作用而降低其能量水平，无法流过 pn 结。
四、应用二极管广泛应用于电子电路中的矩形电源、模拟电路、逻辑电路、功率电路、无线电波整形、调制解调、触发器等领域。
在直流电路中，二极管用于整流或保护电路，可以将交流电转换为直流电并使电路中的电器得到适当的供电。
总之，二极管 pn 结是一种非常关键的半导体元件，其正向导通和反向封锁的原理对电子电路至关重要。
了解 pn 结的工作原理可以帮助我们更好地设计、使用和维护电路，同时也有助于我们更好地了解现代电子技术的基础理论。
半导体物理中的PN结和二极管的特性
半导体物理中的PN结和二极管的特性半导体器件是现代电子技术中不可或缺的基础组成部分。
其中，PN 结和二极管是最为基础和重要的两个概念，对于理解半导体的物理特性和应用具有重要意义。
本文旨在深入探讨PN结和二极管的特性，并分析其在电子器件中的应用。
一、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散形成的结构。
P型半导体的主要成分是掺杂了三价元素（如硼）的硅（Si）材料，而N型半导体则是掺杂了五价元素（如磷）的硅材料。
当这两种半导体材料接触在一起时，两侧材料发生扩散作用，其中P型半导体的空穴扩散到N型半导体中，而N型半导体的电子扩散到P型半导体中，形成了PN结。
二、PN结的特性1. 能带结构PN结的形成导致了能带结构的改变。
在PN结的形成过程中，P型材料中的导带与N型材料中的导带发生连接，形成了一个共用的导带。
在PN结的结区（即P型和N型材料接触处），形成了势垒，阻止电子和空穴自由通过。
2. 势垒PN结中的势垒是由于P型材料与N型材料之间的电荷分布不平衡引起的。
在PN结形成后，P型材料中的电子向N型材料中的空穴扩散，形成了势垒。
势垒的存在导致了PN结两侧的电荷分布差异，形成了电场。
3. 正向偏置和反向偏置当外加电压（正向偏置）施加在PN结上时，势垒会减小，电子可以克服势垒而通过PN结，形成导电通路。
这时，PN结呈现出低电阻状态，使电流通过。
当外加电压的方向相反（反向偏置）时，势垒会增大，阻碍电流通过。
这时，PN结呈现出高电阻状态，几乎没有电流通过。
三、二极管的特性和应用二极管是由PN结构成的半导体器件，具有正向导通和反向截止的特性。
1. 正向特性当二极管处于正向偏置时，电流可以从P端注入到N端，形成导电通路。
此时，二极管呈现出低电阻状态，称为正向导通。
正向导通时的电压和电流关系遵循二极管正向特性方程。
2. 反向特性当二极管处于反向偏置时，电流几乎无法通过PN结。
由于势垒的存在，只有当外加电压超过正向导通时的阈值电压，才会发生击穿现象，电流急剧增大。
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2.4.3 检波电路
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2.4.4 箝位电路
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2.4.5 限幅电路
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2.4.6 稳压电路
一、稳压二极管
应用在反向击穿区 （雪崩击穿和齐纳击穿）
2.1 半导体基础 2.2 PN结和二极管 2.3 二极管模型 2.4 二极管的应用
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2.1 半导体基础
半导体 定义:电阻率 10－5Ω ·m导体，107Ω ·m绝缘体， 之间的为半导体。 特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等
导带与价带之间是禁带。
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2.1.2 P型和N型半导体
杂质半导体 本征半导体的缺点？
1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
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(1）N型半导体（电子型半导体） 施主杂质
电子(- ) 空穴(+)
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!
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(3) 空穴的移动(导电）
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填 补空穴来实现的
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(4) 能带结构
自由电子的能量较大，其能级位 置处于导带之中；
价电子的能量较低，能级位置在 价带之中；
基本要求
1.正确理解PN结。 2.熟练掌握器件（二极管）的外特性、主 要参数。 3.会查阅电子器件手册。
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作业 题2－18，题2－21，题2－25
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注意：
稳压二极管在工作时应反接，并 串入一只电阻。
电阻的作用： 限流保护 误差调节
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二、电路原理
(1) 输入电压变化时
VI↑→VO↑ →VZ↑ →IZ↑ →IR↑ →VR↑ →VO↓
(2) 负载电流变化时
IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
（一）符号、伏安特性 和典型应用电路
(b) (b) 伏安特性
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（二）主要参数
(1) VZ —— 稳定电压 (2) IZ ——稳定工作电流
IZmin ~IZmax (3)PZM ——最大耗散功率
取决于PN结的面积和散热等条件，超过则热击穿 PZM = VZ IZmax
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以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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在硅和锗的能带图中，磷的能级位置在禁带 之中而又靠近导带，只要很小的激发能便可使多 余的电子挣脱原子核的束缚变成自由电子；而硼 的能级只比价带顶高0.045eV，只要很小的激发 能，价电子就会挣脱共价键的束缚，从价带跳到 这个能级上，在价带上留下一个空穴。
外加的反向电压增强了内电场 PN结呈现高阻性
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反向饱和电流 （IS= IR ） (Saturation)
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2.2.2 PN结的伏－安特性
定性 ——单向导电性
一、二极管方程（定量）
理想二极管(PN结）方程：
V
I IS (e VT 1)
IS :反向饱和电流 VT =kT/q :温度的电压当量 室温（T=300 K）下，
PN结的形成过程
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PN结的形成小结：
浓度差
多子扩散空间电荷区(杂质离子)
内电场
促使少子漂移 阻止多子扩散
当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结
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实质
PN结，空间电荷区，耗尽层，内电场，电阻
电位壁垒：硅材料0.6～0.8V
锗材料0.2～0.3V
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二、小信号模型
即系统模型
势垒电容
Cj
C j0
/1
Vp
0
m
Ψ0内建势
扩散电容 Cd aID a为常数
微变电阻
rd
dVD dI D
Vt ID
kT eI D
rd
正偏 反偏
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2.4 二极管的应用
2.4.1 简介
2.4.2 整流电路
2.4.3 检波电路
2.4.4 2.4.5
2015年9月21日星期一 发光管
触敏屏
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二极管是一种非线性器件，需应用线性化 模型分析法对其应用电路进行分析。
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型号命名规则
2AP9 2DW7B 1N4001 1N4007 1N4148 1N5819 2DW7B
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2015年9月21极管 2、稳压二极管 3、光电二极管 将光信号转换为电信号的器件，
常用于光的测量，或做光电池。
4、发电二极管
（LED）
5、激光二极管
将电信号转换为光信号的器件， 常用于显示，或做光纤传输中 的光发射端。
发射相干单色光的特殊发光二 极管。主要用于小功率光电设 备，如光驱、激光打印头等。
三、二极管的主要参数
(1) IF——最大整流电流
长期连续工作时，允许通 过的最大正向平均电流
(2) VBR——反向击穿电压
(3) IR（IS）—— 反向饱和电流
硅 (nA)级；锗 (A)级
(4) rd ——动态电阻 rd =VF /IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数
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2.2.3 PN结的击穿
正离子
特 点：
多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成） 掺 杂：少量掺入五价杂质元素（如：磷5个价电子）
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(2）P型半导体（空穴型半导体） 特 点：
多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形成） 掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼B、镓Ga和铟In等3个价电子）
VT=26 mV
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理想二极管的伏安特性曲线
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二、实际二极管的伏安特性
理想D伏安特性：
V
I IS (e VT 1)
实际二极管的伏安特性 两点区别： 1)正向特性(V>0)
存在死区电压
硅：Vth=0.5 V 锗：Vth=0.1 V
2)反向特性(V<0) 存在击穿电压
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受主杂质 负离子
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(3) 杂质对半导体 导电性的影响
影响很大。载流子数目剧增
典型数据如下: 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
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2.2 PN结和二极管
2.2.1 平衡态PN结中的载流子分布 2.2.2 PN结的伏－安特性 2.2.3 PN结的击穿
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2015年9月21日星期一
2.2.1 平衡态PN结中的载流子分布 形成
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结 两种运动：
扩散（浓度差） 漂移（电场力）
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2.3 二极管模型
一、大信号模型
V
I IS(e nVT 1)
IS :反向饱和电流 n :与工艺有关的常数
理想模型
0
ID
恒压模型
0
ID
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VD 0 VD 0
VD Vr VD Vr
Vr为开启电压
硅：0.5~0.7V 锗：0.1~0.3V
2.1.1 本征半导体 2.1.2 P型和N型半导体
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2015年9月21日星期一
2.1.1 本征(intrinsic)半导体
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动 (4) 能带结构
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三、稳压电阻的计算
稳压性能与动态电阻、稳压电阻R有关
稳压管的动态电阻越小，稳压电阻R越大， 稳压性能越好。
稳压电阻R 的作用
电压调节、限流
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稳压电阻的 计算如下：
(1) Izmin：当输入电压最小，
负载电流最大时
VImin VZ Rmax
击穿有两种机制：
一是齐纳击穿：重掺杂， 空间电荷区很窄不太大的反偏 压就会产生很强的电场，把电 子从共价键上拉出来，形成电 子空穴对。电子被反向电场扫 到N区，空穴被扫到P区，成 为反向电流。
一是雪崩击穿：轻掺杂，耗尽区较宽，穿越耗尽区 的少子受到电场加速，获得足够的动能，把共价键上的 电子碰下来，产生电子空穴对。这些电子被电场加速， 又会产生新的电子空穴对，如同雪崩一样，导致反向电 流随着反向偏压增大而迅速增大。
二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。 类型：点接触型、面接触型和平面型 (1) 点接触型—