pn结二极管
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。
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。
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。
pn结发光二极管(led)的原理
pn结发光二极管(led)的原理一、简介发光二极管（LED）是一种基于半导体工艺的元件，具有体积小、响应时间短、节能环保等优点，被广泛应用于各种电子设备中，如数码相机、手表、显示器、照明设备等。
PN结发光二极管是LED的一种，其基本原理是通过注入电流，激发半导体材料中的电子跃迁至高能级，当它们回到低能级时，释放出能量，以光的形式释放出来。
二、工作原理1.结构：PN结发光二极管主要由半导体材料制成。
通常，它包含一个P区（注入区）和一个N区（发射区），中间由一层薄薄的PN结连接。
在P区，电子被注入并被激发；在N区，这些被激发的电子可以通过释放能量形成光子而发光。
2.注入电流：PN结发光二极管需要注入一定量的电流来激发电子跃迁。
这个电流大小可以通过调整电路中的电阻和电压来控制。
一般来说，注入的电流越大，产生的光越强。
3.发光颜色：PN结发光二极管的颜色取决于其使用的半导体材料。
常见的有红、绿、蓝、白等颜色的LED。
不同的半导体材料可以产生不同波长的光，从而实现颜色的调节。
4.闪烁：PN结发光二极管通常不会出现闪烁现象。
但如果电流过大或电压不稳定，可能会导致闪烁。
因此，在应用LED时，需要注意电流和电压的稳定性。
三、优点与缺点优点：1.节能：LED的能耗低，与传统的白炽灯和荧光灯相比，可以节省大量的能源。
2.长寿命：LED的寿命长，通常在数万小时以上，比传统灯具的寿命要长得多。
3.环保：LED不含汞等有害物质，不会对环境造成污染。
4.快速响应：LED的响应时间短，可以在瞬间内改变亮度或颜色。
缺点：1.成本较高：LED的生产成本相对较高，因此在一些低端应用中，其价格仍然是一个问题。
2.视角较小：LED的视角相对较小，这可能会在一些需要大视角照明的地方有所限制。
四、应用领域PN结发光二极管（LED）广泛应用于各种领域，以下是一些常见的应用领域：1.数码显示：LED被广泛应用于数码产品如手机、平板电脑、电视等的显示屏中。
PN结二极管
8.1 pn结电流 理想电流电压关系
1、边界条件
边界条件的确定
p区内：
np
ni
exp
EFn EFi kT
pp
ni
exp
EFi EFp kT
np
xp
pp
xp
ni 2
exp
eVa kT
ni2 pp0np0 pp xp np0
2Vt
I p0 p0 In0 n0
Ip0为空穴扩散电流的直流成分 In0为电子扩散电流的直流成分
8.2 pn结的小信号模型
等效电路
电中性的p区与 n区内的阻值
扩散电阻
势垒电容
扩散电容
8.2 pn结的小信号模型
8.3产生复合电流
反偏产生电流JR
空间电荷区内：
8.3产生复合电流
正偏复合电流：
n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴 在势垒区内复合了一部分，形成复合电流。
8.3产生复合电流
总正偏电流
8.3产生复合电流
J小时复合主导 J大时扩散主导
一般状况下，二极管 的电流电压关系：
I
Is
exp
eVa nkT
1
n为理想因子。 正偏电压较大：n≈1 正偏电压较小：n≈2 过渡区内：1<n<2
8.4结击穿
齐纳击穿和雪崩击穿
8.4结击穿
电流倍增
Mn为倍增因子
8.4结击穿
低浓度雪崩，高浓度隧穿
8.6隧道二极管
8.6隧道二极管
EFn
EFp
EFn
EFp
EFn EFn EFn
EFp EFp EFp
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。
二极管PN结原理
二极管PN结原理
PN结二极管是一种由外延晶片上的P型半导体和N型半导体组成的二极管。
由于PN结二极管有极具特色的特性，在电子科技和日常电子产品中非常常见。
PN结二极管的电路结构可以简单地理解为由“P”型半导体构成的源极和“N”型半导体构成的漏极分别接到正和负极。
中间有一个由P型半导体和N型半导体接合到一起形成的P-N结，故称为PN结二极管。
PN结二极管有两种作用，导通和阻断。
当电流流过PN结时，在P-N 结上会有一个小型可控形变，从而改变二极管上的晶体能带结构，使得二极管可用作放大器或其他功能。
此外，PN结二极管还具有很强的抗干扰能力，能够在强烈的磁场、电磁场和高频电磁波作用下不易发生失效。
PN结二极管的特性曲线与普通晶体管相比有明显的不同，这是由于PN结本身具有极具特色的特性，就是运行在介质（一般是空气）中的PN 结，在其中构建了两种基态：电子和空穴的正负电荷，因此它可以像一个受控负载一样，当电压在一定范围内变化时，它会自动地改变电流大小，因此对二极管的特性曲线也会有所变化。
PN结二极管可以根据其功能分为两大类，即普通型和反激型。
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电子的扩散电流密度
J P (xn )
eDp
dpn
dx
eDp pn0
eVa
(e kT
1)
x xn
Lp
8.1.2 理想的电流-电压关系
J J (xp ) J (xn )
( eDp pn0
eDn
n
po
)(e
eVa kT
1)
Lp
Ln
eVa
J s (e kT 1)
Js
( eDp pn0 Lp
eDn n po Ln
3.反向偏置：
势垒高度变高，n型一侧几乎 没有电子能越过势垒进入p区， p区一侧有相同数目的电子进 入耗尽层扫入n区，形成少子 漂移流，同理n区的空穴漂移 形成IP，因与少子相关，所以 电流很小，又因为少子的漂移 与势垒高度无关，所以反向电 流与外加电压无关。
反偏时的能带/电路混合图
8.1.2 理想的电流-电压关系
理想p-n结，满足以下条件的p-n结 （1）杂质分布为非简并掺杂的突变结
p=n0 -xp<x<xn （耗尽层近似） (x)= -qNA -xp<x<0
qND 0<x<xn （2）小注入条件：p区：n<<pp0
n区：p<<nn0 （3）pn结内电子电流和空穴电流为连续函数
pn结内的总电流处处相等（稳态）
R
Cn
CnCp Nt (np ni2 ) (n n') Cp ( p
p'
)
对于反偏pn结，耗尽层内存在可移动的电子空穴浓度很少，np 0
R
CnCp Nt Cnn' C
ni2 p p'
为简单起见，假设复合中心能级处于本征 费米能级所在的位置，则：
n'
NC
Ec Et
exp kT
Ec Ei
雪崩击穿
小的反向电压时，载流子穿过耗尽层边加速边碰撞， 但传递给晶格的能量少。大的反向电压碰撞使晶格 原子“电离”，即引起电子从价带跃迁到导带，从 而产生电子空穴对。
雪崩击穿示意图
假设在x=0处，反偏电子 电流In0进入了耗尽区, 由 于雪崩效应的存在，电子 电流In会随距离增大而增 大，如图所示：在x=W处， 电子电流
随反向电压的增加略有增加。
耗尽层中载流子的复合和 产生
8.2.1 反偏产生电流
反偏时，势垒区电场加强，耗尽层中载 流子的 浓度将会下降，低于平衡值，导 致耗尽层中电子-空穴的产生，复合中心 产生的电子、空穴来不及复合就被强电 场扫出势垒区，形成产生电流IG, 因此增 大了反向电流
Figure 8.17
)
分子分母同除以CnCpNt,得：
R
p0 (n
np ni2
n' ) no
(
p
p')
EF n EF i
n nie k T
EFi EFp
p nie kT
EFn EFp eVa
EFn
EFi
EFi
EFp
eVa 2
eVa
n nie 2kT
eVa
p nie 2kT
假设n' p' ni , n0 p0 0
反向偏置下p-n结费米能级
短二极管
n区或p区的宽度远小于 少子的扩散长度的二极 管叫短二极管
P区的扩散方程，边界 条件和求解结果与前面 的完全一致。
n区
扩散方程 边界条件
通解
满足边界条件的特解
0
DP
d 2pn
dx2
pn p
(x
xn )
pn (xn Wn ) 0
eVa
p(xn ) pn0 (e kT 1)
8.1.2 理想的电流-电压关系
(4) 忽略耗尽区内的产生与复合，即认为 电子、 空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与 复合，故通过 势垒区的电子电流和空穴电流
为恒定值。
Figure 8.3
8.1.2 理想的电流-电压关系
方法步骤： （1）边界条件 （2）扩散方程 （3）求解方程得到少子分布函数表达式 （4）由少子分布函数求出流过pn结的电流
pn (xn )
ni2 Nd
eVa
e kT
eVa
pn0e kT
Figure 8.4
8.1.2 理想的电流-电压关系
（1）边界条件：
p区
eVa
np np (xp ) np0 np0 (e kT 1)
n p (x ) 0
n区
eVa
pn pn (xn ) pn0 pn0 (e kT 1)
JG
eniW
2 0
J0
（ qDn n p 0 Ln
qDp pn0 ） LP
总反向电流：IR=I0+IG
势垒区宽度W随反向偏压的增加而变宽，
JG随反向电压增加而增加，所以势垒区产 生的电流是不饱和的，反向总电流IR随反 向偏压增加而缓慢地增加。
反偏产生流JG的推导
由复合理论得到过剩电子与空穴的复合率的表达式为：
0偏
反偏
正偏
8.1 pn 结电流
1.热平衡状态
电子从n区扩散到p区需有足够 的能量克服“势垒”。只有少 数高能量的电子能越过势垒到 达P区，形成扩散流。
P区的电子到达n区不存在势垒， 但是少子，少数电子一旦进入 耗尽层，内建电场就将其扫进n 区，形成漂移流。
热平衡：电子的扩散流=漂移流
空穴的情况与电子类似
J
qVA
J s (e kT
ln( J ) ln( Js )
e kT
Va
(2)反向饱和电流
Js
( eDp Lp
ni2 Nd
Dn Ln
ni2 （) Ge管比硅管的饱和电流大106 倍） Na
Js
q Dp Lp
ni2（p n二极管） Nd
Js
q Dn Ln
ni2（pn二极管） Na
Figure 8.8
eVa
RMAX
ni
2 0
e kT
eVa
e 2kT
1 1
ni
2 0
eVa
e kT
(忽略分子分母中的1）
JRec
W
eRdx
eWni
eVa
e 2kT
0
2 0
eVa
JR0e2kT
总正偏电流
eVa
eVa
J J Re c J Dif J R0e 2kT J se kT
J R0
eWni
2 0
In0)
eI DQ kT
Cd
e 2kT
(I P0 P0
In0 n0 )
In0,Ip0为直流静态时的电子和空穴扩散流
8.4 pn结的击穿
当反向电流超过允许的最大值时对应的 反向电压的绝对值称为击穿电压VBR
形成反偏pn结击穿的物理机制有齐纳击 穿和雪崩击穿
齐纳击穿
隧穿效应：量子力学中，当 势垒比较薄时，粒子能穿过 势垒到达另一边。
Js
( eDp pn0 Lp
eDnnpo ) Ln
ln
J Re c
ln
J R0
eVa 2kT
ln J Dif
ln J S
eVa kT
eVa
J JS (enkT 1)
8.2 pn 结的小信号模型
二极管的小信号响应特性：直流（Va）偏置下， 加一正弦电压va，流过二极管的电流I+i，此 时pn结二极管的小信号特性就会变的非常重要
2.加正偏电压
势垒高度降低， n型一侧有更多的 电子越过势垒进入p区，形成净电 子扩散电流IN，同理可分析空穴形 成扩散电流IP。 流过pn结的总电流I=IN+IP。 因为势垒高度随外加电压线性下降， 而载流子浓度随能级指数变化，所 以定性分析可得出正偏时流过pn 结的电流随外加电压指数增加。
正偏时的能带/电路混合图
pn (x ) 0
P区
扩散方程
0
Dn
d 2np
dx2
np n
(x
xp)
边界条件
np (x ) 0
eVa
np (xp ) np0 (e kT 1)
通解
x
x
np (x) A1e Ln A2e Ln
特解
eVa
xp x
np (x) np0 (e kT 1)e Ln
电子电流
Jn
(x p )
第八章 pn结二极管
第八章pn结二极管
8.1 pn 结二极管的I-V特性 8.2 pn 结的小信号模型 8.3 产生-复合流（与理想I-V特性的偏离） 8.4 pn 结的击穿 8.5 pn结的瞬态特性 8.6 隧道二极管
8.1 pn 结电流
将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数 之间建立定性和定量的关系。 1.定性推导： 分析过程，处理方法 2.定量推导： 建立理想模型-写少子扩散方 程，边界条件-求解 少子分布函数-求扩散电流-结果分析。 3.分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因
eDn
dnp (x)
dx
eDn n p 0
qVa
(e kT
1)
x x p
Ln
n区
扩散方程
0
DP
d 2pn
dx2
pn p
(x
xn )
边界条件
pn (x ) 0
p(xn )
ni2 Nd
eVa
(e kT
1)
通解
x
x
p(x) A1e LP A2e Lp
eVa
xn x
满足边界条件的特解 pn (x) pn0 (e kT 1)e LP