2-半导体二极管(精)
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02章 半导体二极管及基本电路
一、N 型半导体：
N型
电子为多数载流子
+4 +4 +4
空穴为少数载流子
+4 +5 +4 自由电子
磷原子 施主原子
载流子数 电子数
N型杂质半导体的特点：
1、与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时 并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构 中，不能自由移动，不起导电作用。
2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N
特性 符号及等效模型：
iD
uD
S
S
正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。
正偏导通，uD = 0； 反偏截止， iD = 0 R =
二、二极管的恒压降模型
iD U (BR) URM O IF uD
iD UD(on) uD
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
iD 急剧上升
死区 电压
UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.1 0.3) V 锗管 0.2 V iD = IS < 0.1 A(硅) 几十 A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
U(BR) U 0 U < U(BR)
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。 反向击穿原因： 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) 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 雪崩击穿： 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V)
t
例: ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。 1、 0.7 V < ui < 0.7 V
二极管的分类及参数(精)
二极管的分类及参数一．半导体二极管的分类半导体二极管按其用途可分为：普通二极管和特殊二极管。
普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管等。
二.半导体二极管的主要参数1．反向饱和漏电流IR指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。
在常温下，硅管的IR 为纳安（10-9A）级，锗管的IR为微安（10-6A）级。
2．额定整流电流IF指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。
目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。
3. 最大平均整流电流IO在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。
这是设计时非常重要的值。
4. 最大浪涌电流IFSM允许流过的过量的正向电流。
它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。
5．最大反向峰值电压VRM即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。
这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。
因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。
最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。
目前最高的VRM值可达几千伏。
6. 最大直流反向电压VR上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。
用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的.7．最高工作频率fM由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。
点接触式二极管的fM 值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。
8．反向恢复时间Trr当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。
实际上，一般要延迟一点点时间。
决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。
虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。
也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。
二极管的类型及工作原理
二极管的类型及工作原理二极管（Diode）是一种基本的半导体器件，它通常由P型半导体和N型半导体组成。
二极管有许多类型，包括普通二极管、肖特基二极管、肖特基隧道二极管等。
二极管在电子学领域中有着广泛的应用，包括电源供应、信号整形、无线通信、光电探测等。
本文将从二极管的基本工作原理和各种类型进行详细介绍。
一、二极管的基本工作原理1. PN结的形成二极管是由P型半导体和N型半导体通过扩散或外延生长形成PN结，PN结即正负电荷区域。
当P型半导体和N型半导体相连接时，在PN结处形成空间电荷区，这个区域即为耗尽层。
耗尽层内部形成电场，使得P区电子向N区移动，N区空穴向P区移动，形成内建电场。
2. 正向偏置当二极管正向通电时，P区的P型载流子（空穴）和N区的N型载流子（自由电子）受到外加电压的驱动，穿越耗尽层，导致电流流动。
在正向偏置下，二极管的耗尽层变窄，电阻减小，使得电流可以通过二极管，此时二极管处于导通状态。
3. 反向偏置当二极管反向通电时，P区的正电荷和N区的负电荷受到外加电压的驱动，使得耗尽层变宽，电阻增大，导致极小的反向漏电流。
在反向偏置的情况下，二极管处于截止状态，不导通。
二、普通二极管1. 硅二极管硅二极管是最常见的一种二极管，广泛应用于各种电子电路中。
硅二极管具有正向导通压降约0.7V~0.8V，工作温度范围广，稳定性好等特点。
2. 锗二极管锗二极管是二极管的一种，其正向导通压降约为0.3V~0.4V，工作频率范围相对较宽，但稳定性比硅二极管差。
三、损耗二极管1. 肖特基二极管肖特基二极管是一种具有快速开关特性和低漏电流的二极管。
它是由金属和半导体直接接触形成，具有低正向导通压降和快速恢复时间。
肖特基二极管在高频整流电路和开关电源中有着广泛的应用。
2. 肖特基隧道二极管肖特基隧道二极管是一种具有负差阻特性的器件，其反向漏电流与电压成指数关系。
它具有极低的反向漏电流，适用于超低功耗和高灵敏度的电路应用。
半导体二极管及-PPT课件
_ P
－ － －
内电场被被加强，多 子的扩散受抑制。少 子漂移加强，但少子 数量有限，只能形成 较小的反向电流。
N
+
+
内电场 外电场
R
E
PN结加反向电压的情形
3 PN结的伏安特性 PN结的伏安特性曲线：图2-4
伏安特性曲线（2-4） 对应表:
3.PN结的反向击穿
二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围 内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增 加，这种现象我们就称为反向击穿。
2-13
2-14
2.5.3 .1光电二极管
反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加
2.5.3 .2发光二极管
有正向电流流过
时，发出一定波长
范围的光，目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光，它的电特性与
一般二极管类似。
第二章结束
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反 向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向 电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越 高反向电流越大。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。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用 是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、 限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。
对于二极管其动态电阻为：
du 1 1 u t u u di 1 di Ut Ut Is d ( Is ( 1 )) * e e du du
5. 二极管的极间电容
二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒 电容CB和扩散电容CD。 势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。 扩散电容：为了形成正向电流 （扩散电流），注入P 区的少子 （电子）在P 区有浓度差，越靠 近PN结浓度越大，即在P 区有电 子的积累。同理，在N区有空穴的 积累。正向电流大，积累的电荷 多。这样所产生的电容就是扩散 电容CD。
2 半导体二极管的识别检测与选用(一)
[复习提问]1、鼓励学生说出中学里学习了哪些有关电学方面的知识。
2、鼓励学生说出对半导体的认识。
[导入新课]上节课我们学习了半导体的有关知识，为我们这次课和后面的三极管打下了基础。
二极管是电路中的关键器件，种类繁多，应用十分广泛，识别常用半导体二极管，掌握检测质量及选用方法是学习电子技术必须掌握的一项基本技能，下面我们来学习相关知识。
[讲授新课] 1.1半导体二极管的识别、检测与应用五、半导体二极管的结构、符号及类型1．结构符号1）二极管的结构外形2）二极管的图形符号和文字符号电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。
文字符号有的书中用V，有的用D来表示。
2．类型1）按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。
2）按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型、平面型二极管。
（1）点接触型二极管由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接，形成PN结。
通过的电流小，结电容小，适用于高频电路和开关电路。
如检波二极管。
（2）面接触型二极管是采用合金法工艺制成的。
结面积大，电流大，结电容大，适用于低频整流电路。
（3）平面型二极管是采用扩散法制成的。
结面积较大时可以通过较大电流，适用于大功率整流，结面积较小时，可作为数字电路中的开关管。
3）按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。
4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。
5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。
六、半导体二极管的伏安特性1、二极管的伏安特性曲线半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。
常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。
若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如下图所示（图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性）。
下面对二极管伏安特性曲线加以说明。
2、正向特性二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图OA(OA′)段。
第2讲 半导体二极管原理
课程名称：电工学与电子技术本次课标题：第2讲半导体二极管授课班级上课时间周月日第节上课地点教学目的1、了解半导体二极管的工作原理和主要参数；2、了解稳压管的工作原理和主要参数。
教学目标能力（技能）目标知识目标1、理解半导体的单向导电性；2、掌握半导体二极管的伏安特性和主要参数；3、掌握稳压管的特性。
1、了解半导体二极管的工作原理和主要参数；2、了解稳压管的工作原理和主要参数。
重点难点及解决方法重点：1、PN结的单向导电性；2、二极管的伏伏安特性；3、稳压管的特性。
难点：PN结的单向导电性。
解决办法：例题讲授与学生练习相结合，采用实物讲演法、图文并茂法、概念推演法、循序渐进法等多种教学方法。
参考资料《电工学》、《电工电子学》、《电工电子技术》教学设计课题第2讲半导体二极管教学目的1、了解半导体二极管的工作原理和主要参数；2、了解稳压管的工作原理和主要参数。
教学重点1、PN结的单向导电性；2、二极管的伏伏安特性；3、稳压管的特性。
教学过程及教学内容教学方法引入一、半导体的基础知识课堂提问：物体根据导电能力的强弱可分几类？自然界中的物质，按其导电性能可分为三大类，即导体、绝缘体和半导体。
导体是指导电能力很强的物质，如金、银、铜、铝等金属材料；绝缘体是指那些导电能力极弱，几乎不导电的物质，如塑料、陶瓷、玻璃等；半导体则是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、砷化镓等常用半导体材料。
—由于绝大多数半导体都是晶体，所以用半导体材料制造的二极管和三极管也常称为晶体二极管和晶体三极管。
启发思考法概念分析（一）半导体的导电特性利用半导体材料可以制成各种半导体器件，但其理由并不在于半导体的导电性能介于导钵和绝缘体之间这一性质，而在于半导体具有以下特殊的性质：1、热敏性：半导体的导电能力随外界温度升高而显著增加。
2、光敏性：半导体的导电能力随光照强度而显著变化。
这些特性称之为半导体的光敏特性和热敏特性，利用光敏特性可以制成光敏元件，利用热敏特性可以制成热敏元件。
半导体、二级管和三极管概述
PN结加反向电压
PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。
流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所 以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动Байду номын сангаас成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
稳压管的伏安特性
稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。
（6）其它类型二极管 发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。
图4 本征半导体中 自由电子和空穴
本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。
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杨君玲 junlingyang@
一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
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一、二极管的组成
点接触型：结面积小， 结电容小，故结允许 的电流小，最高工作 频率高。
面接触型：结面积大， 结电容大，故结允许 的电流大，最高工作 频率低。
？
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2. 微变等效电路
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
ui=0时直流电源作用
uD U T 根据电流方程， rd iD ID
小信号作用 Q越高，rd越小。 静态电流
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第一章 半导体二极管和三极管
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第一章 半导体二极管和三极管
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管
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§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
杨君玲 junlingyang@
杨君玲 junlingyang@
七、肖特基二极管
（a）符号
（b）正向V-I特性
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八、光电子器件
1. 光电二极管
• （a）符号
（b）电路模型
（c）特性曲线
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八、光电子器件
2. 发光二极管
符号
光电传输系统
四、二极管的主要参数
• • • • 最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应
第四版——P20
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讨论：解决两个问题
• 如何判断二极管的工作状态？ • 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？
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八、光电子器件
3. 激光二极管
（a）物理结构 （b）符号
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小结
• 二极管的主要特性:单向导电性 • 二极管的伏安特性曲线。 • 二极管的三种等效模型。什么情况下应选用 二极管的什么等效模型？ • 二极管工作状态的判断？
0.5~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
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利用Multisim测试二极管伏安特性
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稳压管的工作特点:
（1）工作在反向击穿状态，即伏安特性曲线中的第三象限。
（2）反向击穿是可逆的，当去掉反向电压时，稳压管恢复正常。 由于制造工艺的不同，其反向击穿电压一般比普通二极管低很多（普通 二极管为数百伏，一般硅稳压管为几伏至几十伏）。 （3）反向击穿特性曲线很陡。
（4）稳压管在使用时要串联适当数值的限流电阻，防止造成热击穿而损坏。
平面型：结面积可小、 可大，小的工作频率 高，大的结允许的电 流大。
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二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26mV)
材料
硅Si 锗Ge
击穿 电压
导通电压
课堂练习： P 67 三
；P69
1.2
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五、稳压二极管
1. 伏安特性
由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，为稳定电 压。
限流电阻
斜率？ 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流
2. 主要参数
稳定电压UZ、稳定电流IZ
最大功耗PZM＝ IZM UZ 动态电阻rz＝ΔUZ /ΔIZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！ 杨君玲 junlingyang@
DZ +20V 【解】: R = 1.6 k
20 12 3 IZ A 5 10 A 5 mA 3 1.6 10
UZ = 12V IZMAX = 18 mA
IZ < IZMAX ，电阻值合适。
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六、变容二极管
（a）符号
（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）
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【练习1】 ：
判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。
判断二极管工作状态的方法？
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【练习2】 ：下图是二极管限幅电路，二极管D的正向压降 可忽略不计，ui = 6 sin t V， E= 3 V，试画出 uo 波形 。
含稳压管电路的分析: （1）施加正向电压，稳压管（PN结）处于导通状态； （2）施加反向电压且小于反向击穿电压，稳压管处于截至状态； （3）施加反向击穿电压，稳压管处于稳压状态。
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【练习3】 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻， 其值是否合适？ IZ IZ
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
杨君玲 junlingyang@
三、二极管的等效电路
1. 将伏安特性折线化
理想 二极管
导通时△i与△u 成线性关系
理想开关 导通时 UD＝0 截止时IS＝0
近似分析 中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
应根据不同情况选择不同的等效电路！
100V？5V？1V？
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性 u UT i I ( e 1) 正向特性为 S
指数曲线
若正向电压 u UT，则i ISe
u UT
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
R +
ui + D E 3V uo
3 0 –6 6 3 0
ui / V
uo /V
2
t
【解】 在ui正半周,且ui > E时， D导通，uo =E = 3 V； 在ui正半周，但ui < E 及 ui
Байду номын сангаас
2
t
负半周时，D 均截止， uo = ui 。
杨君玲 junlingyang@