第二讲PN结二极管及其应用
二极管的pn结
二极管的pn结二极管是一种具有两个电极的电子元件，其中一个电极被称为阳极（Anode），另一个电极被称为阴极（Cathode）。
二极管的关键部分是由p型半导体和n型半导体组成的pn结。
本文将详细介绍二极管的pn结的结构、工作原理以及其在电子技术中的应用。
一、pn结的结构pn结由p型半导体和n型半导体通过熔融或扩散等工艺连接而成。
p型半导体中含有杂质原子，如硼（B）或铝（Al），使其电子浓度较低；而n型半导体中含有杂质原子，如磷（P）或砷（As），使其电子浓度较高。
当p型和n型半导体连接在一起时，形成了一个p 区和一个n区，即pn结。
二、pn结的工作原理当二极管处于正向偏置时，即将阳极连接到p区，阴极连接到n区，此时电流可以流过二极管。
在正向偏置下，p区中的空穴将向n区移动，而n区中的电子将向p区移动。
由于空穴和电子在pn结中的重新组合，形成一个正电荷区和一个负电荷区，这被称为耗尽区。
在耗尽区中形成的电场会阻止进一步的电子和空穴移动，形成一个电势垒。
当二极管处于反向偏置时，即将阳极连接到n区，阴极连接到p区，此时电流几乎无法流过二极管。
在反向偏置下，p区中的电子将被吸引到n区，而n区中的空穴将被吸引到p区。
这导致电子和空穴在耗尽区中进一步分离，增加了电势垒的宽度。
因此，反向偏置下的电流非常小，几乎可以忽略不计。
三、pn结的应用1.整流器：由于二极管在正向偏置时允许电流通过，在反向偏置时阻止电流流动，因此它可用作整流器。
在交流电源中，二极管可以将交流电信号转换为直流电信号，实现电能的有效利用。
2.发光二极管（LED）：发光二极管利用pn结的特性，当注入电流时，电子和空穴在pn结中重新组合，产生光。
这种发光现象被应用于各种照明和显示领域。
3.太阳能电池：太阳能电池是利用光照射时光电效应产生的电能。
太阳能电池利用pn结的特性，当光照射到pn结上时，光子会激发电子和空穴，从而产生电流。
4.温度传感器：二极管的电流与温度呈正相关关系。
PN结二极管概述
PN结二极管概述PN结二极管是一种常见的电子器件，它是由P型半导体和N型半导体组成。
PN结二极管具有单向导电性，即在正向电压下通过电流，而在反向电压下几乎不导电。
它是现代电子技术中最基本的器件之一，广泛应用于电路设计、电源管理、通信系统和光电器件等领域。
PN结的形成是通过对P型和N型半导体材料进行特殊处理，使得其中掺入的杂质发生化学反应，形成一个界面区域。
在P型半导体中掺入的杂质称为施主杂质，它提供了额外的电子；在N型半导体中掺入的杂质称为受主杂质，它提供了额外的空穴。
当P型和N型半导体相接触时，施主和受主杂质之间会发生电荷转移，形成一个电势垒。
这个电势垒会阻碍电流的流动，因此PN结二极管在反向电压下具有高阻抗。
当正向电压施加在PN结二极管上时，施主杂质的电子会向电势较低的N型半导体移动，与受主杂质的空穴结合，形成一个导电通道。
这时，PN结二极管的电势垒被削弱，电流可以流经二极管。
由于P型半导体和N 型半导体的材料特性不同，导致二极管的导电特性也有所不同。
在正向电压下，PN结二极管的导电特性可以近似为理想二极管模型，即电流与电压成指数关系。
在反向电压下，当电势较高的一侧施加一个负电压，PN结二极管的电势垒会进一步扩大，电子会被吸入施主一侧，空穴会被吸入受主一侧。
这样，电势垒的高度增加，对电流的阻碍也更强。
只有当反向电压超过一定程度时，电势垒被击穿，电流开始流过二极管。
这种击穿现象称为反向击穿，会损坏二极管，因此在设计电路时需要注意反向电压的大小。
PN结二极管的性能参数主要包括最大正向电流、正向电压降、反向击穿电压和反向电流。
最大正向电流是指在正向电压下，二极管能够稳定工作的最大电流值；正向电压降是正向电流流过二极管时产生的电压降；反向击穿电压是反向电压超过一定程度时，电势垒被击穿的电压值；反向电流是在反向电压下，流经二极管的电流值。
除了基本的PN结二极管，还有其他变种的二极管，如肖特基二极管和光二极管。
二极管及应用—PN结的形成及特性(电子技术课件)
3.PN结的电容效应
耗尽层
所以当PN结两端电压发生改变时，PN结上有一个微弱的电容效应，相当 于在单向导电的PN结上并联了一个很小的电容。
3.PN结的电容效应
耗尽层
这个电容叫PN结的结电容。
2.耗尽层
P型半导体 空穴 自由电子 N型半导体
空间电荷区——在交界面因扩散运动形成的这个特殊的带异性电荷的区域叫 做空间电荷区，也称为耗尽层。
3.内电场
内电场方向
P型半导体 空穴 自由电子 N型半导体
因扩散作用形成的空间电荷区，会产生一个由P区指向N区的内电场。多子 （空穴和自由电子）扩散进入到空间电荷区后，受到的电场力如图所示。
2.N型半导体的形成
加入+5价元素
+5
自由 电子
带正电 的杂质 离子
最外层的5个电子 与周围四个半导体原子 形成共价键时，多出一 个电子，从而会产生一 个自由电子和一个带正 电的杂质离子。
这样的掺杂半导体中，自由电子的数量就会大大高于空穴的数量，使导电 能力增强，这种半导体称为N型半导体。
2.N型半导体的形成
加入+3价元素
+3
带正电 的空穴
杂质原子中的空 位，容易吸引周边原 子最外层电子的填补
带负电杂 ，从而形成一个带负 质离子 电的杂质离子和一个
带正电的空穴。
这样的掺杂半导体中，空穴的数量就会大大高于自由电子的数量，使导电能 力增强，这种半导体称为P型半导体。
1.P型半导体的形成
加入+3价元素
+3
带正电 的空穴
2.PN结的反向连接 空间电荷区在外电场的作用下，会被进一步拉宽（变宽）
2.PN结的反向连接
由于空间电荷区中没有能自由移动的电荷，所以呈现绝缘体的特性，此时 的PN结不导电，回路中电流几乎为零。
二极管工作原理及应用
二极管工作原理及应用一、引言二极管是一种最基本的电子元件，广泛应用于电子电路中。
本文将详细介绍二极管的工作原理及其在电子领域的应用。
二、二极管的工作原理二极管是一种半导体器件，由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的杂质含有三价元素，如硼；N型半导体中的杂质含有五价元素，如磷。
当P型半导体和N型半导体通过PN结连接在一起时，形成了二极管。
二极管的工作原理基于PN结的特性。
PN结中，P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子会发生扩散运动，形成一个电子云。
在扩散过程中，P型半导体中的空穴会向N型半导体扩散，而N型半导体中的自由电子会向P型半导体扩散。
这样，在PN结附近形成了一个空间电荷区域，称为耗尽层。
当二极管处于正向偏置时，即正极连接到P型半导体，负极连接到N型半导体，空穴和自由电子会继续扩散，耗尽层会变窄。
在这种情况下，二极管呈现出低电阻的特性，电流可以流过。
当二极管处于反向偏置时，即正极连接到N型半导体，负极连接到P型半导体，耗尽层会变宽。
在这种情况下，二极管呈现出高电阻的特性，电流无法流过。
这种特性使得二极管可以用作电路中的开关。
三、二极管的应用1. 整流器二极管的最常见应用之一是作为整流器。
在交流电路中，使用二极管将交流信号转换为直流信号。
当交流电压为正向偏置时，二极管导通，电流可以流过；当交流电压为反向偏置时，二极管截止，电流无法流过。
通过这种方式，可以将交流电信号转换为只有正半周或负半周的直流电信号。
2. 信号调制和解调二极管还可以用于信号调制和解调。
在调制过程中，二极管可以将音频信号或视频信号转换为调制信号，以便在无线电通信中传输。
在解调过程中，二极管可以将调制信号还原为原始信号。
3. 电压稳定器二极管可以用作电压稳定器，通过将二极管与电阻和电容器组合在一起，可以稳定输出电压。
这种电路被称为稳压二极管电路，可以用于保护其他电子元件免受电压波动的影响。
4. 光电二极管光电二极管是一种特殊的二极管，可以将光信号转换为电信号。
pn结二极管原理
pn结二极管原理引言：pn结二极管是一种最简单、最基本的半导体器件，在电子学领域有着广泛的应用。
它的工作原理基于pn结的特性，通过调控电子和空穴的流动，实现对电流的控制。
本文将详细介绍pn结二极管的原理及其应用。
一、pn结的形成pn结是由p型半导体和n型半导体的结合而成。
p型半导体是通过在纯硅中掺杂三价元素（如硼）来形成的，它具有多余的空穴。
而n型半导体是通过在纯硅中掺杂五价元素（如磷）来形成的，它具有多余的自由电子。
当p型半导体与n型半导体相接触时，多余的电子和空穴会发生扩散，形成一个空间电荷区，即pn结。
二、pn结的特性1. 正向偏置：当外加电压的正极连接在p型半导体上，负极连接在n型半导体上时，称为正向偏置。
此时，正极电压使空间电荷区变窄，电子和空穴可以穿越pn结，形成电流。
这种电流称为正向电流，pn结处于导通状态。
2. 反向偏置：当外加电压的正极连接在n型半导体上，负极连接在p型半导体上时，称为反向偏置。
此时，正极电压使空间电荷区变宽，阻碍电子和空穴的流动。
只有当外加电压超过一定值，即击穿电压时，才会形成反向击穿电流。
一般情况下，pn结处于截止状态。
三、pn结二极管的原理pn结二极管的工作原理可以根据正向偏置和反向偏置的特性来解释。
1. 正向偏置：当pn结二极管处于正向偏置状态时，正极电压使空间电荷区变窄，形成一个电子流动的通道。
此时，由于p型半导体的多余空穴和n 型半导体的多余电子，电子从n型半导体流向p型半导体，空穴从p型半导体流向n型半导体。
这种电流流动的方向与正向偏置相反，称为正向电流。
正向电流的大小与外加电压成正比。
2. 反向偏置：当pn结二极管处于反向偏置状态时，正极电压使空间电荷区变宽，阻碍电子和空穴的流动。
此时，由于p型半导体的多余空穴和n型半导体的多余电子，形成一个电场，阻止电子和空穴的扩散。
只有当外加电压超过一定值，即击穿电压时，才会形成反向击穿电流。
四、pn结二极管的应用pn结二极管由于其独特的特性，在电子学领域有着广泛的应用。
结与二极管及其基本电路的工程应用
2 二极管及其基本电路
LED照明
LED(发光二极管)是PN结的一个应用实例。当电流通过LED时，PN结发出光， 形成了照明。LED照明具有高效、环保、长寿等特点，是现代照明的主要方式 之一
汽车电子系统
汽车中的许多电子控制系统，如点火系统、燃油喷射系统等， 都利用了PN结和二极管的特性。它们在这些系统中起到了开关、 稳压和信号处理的作用
61 P N 结
3. PN结的电容 效应
当交流信号作用于PN 结时，由于PN结的电 容效应，会产生一个 交变电流。这个交变 电流的大小和方向与 交流信号的频率和幅 度有关
71 P N 结
4. PN结在工程中的应用
PN结在各种电子器件中都有广 泛应用，如晶体管、太阳能电 池、LED等。它们利用PN结的单 向导电性和电容效应来实现信 号放大、光电转换等功能
NEXT
127 二 极 管 及 其 基 本 电 路
总之，PN结与二极管是电子工程中的重要基础，它们在未来的发展中将发挥更加重要的作 用。作为电子工程师，我们需要深入理解它们的原理和应用，不断探索新的技术和方法， 以推动电子工程的发展和进步 五、PN结与二极管的实际应用案例
太阳能逆变器：PN结在太阳能电池中发挥着关键作用，能够将太阳能转化为电 能。而太阳能逆变器利用二极管将直流电转换为交流电，供家庭或商业用途
2- -
1 PN结 2 二极管及其基本电路
1 PN结
41 P N 结
1. PN结的形成
在半导体中，当P型 和N型半导体结合时 ，由于载流子的浓度 差异和扩散作用，在 交界处会形成一个特 殊的区域，称为PN结
51 P N 结
2. PN结的单向 导电性
PN结最显著的特点是 具有单向导电性。在 正向偏置时(P区接正 极，N区接负极)，电 流由P区流向N区；在 反向偏置时，电流极 小，几乎为零。这一 特性使得PN结在电子 器件中有着广泛的应 用
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。
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本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
无杂质 稳定的结构 电子线路
2、本征半导体的结构
共价键 由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
在杂质半导体中，温度变化 时，载流子的数目变化吗？少子 与多子变化的数目相同吗？少子 与多子浓度的变化相同吗？
小结
1. 掺入杂质浓度决定了多子浓度；温度决定了少子的浓度。 2. 杂质半导体多子的数目要远远高于本征半导体，因而 其导电能力大大改善。---------且温度不敏感！ 3. 杂质半导体总体上保持电中性，表示方法如下图所示。
1. N型半导体
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？
杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多，多 子浓度越高，导电性越强，实 现导电性可控。
磷（P）
电子线路
2. P型半导体
3
硼（B） 电子线路
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
产生内电场
漂移运动
扩散运动使靠近 接触面P区的空穴浓 度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度 降低，产生内电场。
扩散和漂移
动态平衡
PN结。
动态平衡条件：IF IR
电子线路
PN结是电中性的。
上节回顾：半导体与PN结
半导体 提纯 本征半导体 掺杂 掺杂半导体
控制 载流子
4晶 价体 元结 素构
导电 性能
正向电压变化，变化载流子积累电荷
量发生变化，相当于电容器充电和放电
过程 —— 扩散电容效应。
当加反向电压时，扩散运动被削弱，
扩散电容的作用可忽略。
电子线路
PN 结
P
nP
2 Q
1 Q
O
x
x = 0 处为 P 与 耗
尽层的交界处
综述
PN 结总的结电容 Cj： Cj Cb Cd
正偏，结电容较大，主要决定于扩散电容，即 Cj Cd； 反偏时，结电容较小，主要决定于势垒电容，即 Cj Cb Cb 和 Cd 很小，常几pF ~ 几十pF， 结面积大达几百pF。
耗尽层变窄，扩散运动加剧，
耗尽层变宽，阻止扩散运动，有
由于外电源的作用，形成扩散电
利于漂移运动，形成漂移电流。由于
流，PN结处于导通状态。
电流很小，故可近似认为其截止。
电子线路
2、PN 结的单向导电性
综上所述： 当 PN 结正向偏臵时，回路中将产生一个较大的 正向电流， PN 结处于 导通状态；
当 PN 结反向偏臵时，回路中反向电流非常小， 几乎等于零， PN 结处于截止状态。
结电容不是常量！在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。 PN结高频小信号时的等效电路：
rd
电子线路
势垒和扩散电 容的综合效应
问题
为什么将自然界导电性能中等的半导体材料
制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 杂，改善导电性能？
弱
本本 征征 激复 发合
成对载流子
自由电子、空穴
导电性能差 温度敏感
PN 型型
多子与少子
自由电子、空穴
导电率人控 导电性提高 温度不敏感
结合
PN结
空间电荷区 阻挡层 耗尽层
浓度差
扩散
多子 运动
内电场
漂移
少子 运动
导电性？
电子线路
2、PN 结的单向导电性*
必要吗？
PN结加正向电压导通：
PN结加反向电压截止：
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电
子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度敏感：温度升高，热运动 加剧，载流子浓度增大，导电 性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
电子线路
二、杂质半导体
可见， PN 结具有单向导电性。
电子线路
思考
PN结耗尽层物理位臵是不是一定沿交界面中心线对称？
P
N
电子线路
5、PN 结的电容效应
当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变
化，使PN结具有电容效应。 势垒电容 扩散电容
1. 势垒电容Cb：由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
空间
第二章 PN结二极管及其应用
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 二极管应用电路
§1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
电子线路
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，原子的最外层电子受原子 核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
P 电荷区 N
空间
P
电荷区
N
I+ V U R
(a) PN 结加正向电压
电子线路
I
V UR
+
（b) PN 结加反向电压
5、PN 结的势垒电容
势垒电容的大小可用下式表示：
Cb
dQ dU
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S l
：半导体材料的介电比系数； S ：结面积；
l ：耗尽层宽度。
Cb
由于 PN 结 宽度 l 随外加电压
(a)N 型半导体
电子线路
(b) P 型半导体
三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有。
P N型半导体
P
N
PN结
P区空穴 浓度远高 于N区。
电子线路
扩散运动
N区自由电 子浓度远高
于P区。
1、PN 结的形成
多子扩散运动 内电场
空间电荷区 漂移运动。
动态平衡 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
电子线路
2、什么是热平衡状态？
在一定温度下，激发和复合会达到一种动态平衡，单位
体积内的两种载流子的数量就不再增长。
3 Eg
带隙能量
ni pi A0T e2 2KT
波尔兹曼常数
绝对温度
与半导体材料相关参数
电子线路
3、本征半导体中的两种载流子
u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一
变容 二极管
个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。
O
u
电子线路
5. 扩散电容 Cd
扩散浓度梯度变化--多子在扩散过程中积累而引起的。
正偏，P 区电子浓度 np( N 区空穴浓
度 pn)分布曲线如图示。
N
当电压加大，np (pn)会升高，反之浓度
会降低。