1-1 半导体基础知识——二极管
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晶体二极管及其基本电路
14
1-1 半导体物理基础知识
1-1-3 半导体中的电流
在导体中，载流子只有一种：自由电子。 一种类型的电流：在电场作用下，产生定向的漂 移运动形成漂移电流。 在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。 电场作用下的漂移电流 两种类型的电流 浓度差导致的扩散电流
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1-1 半导体物理基础知识
1-1-3 半导体中的电流 漂移电流
１-１-１ 本征半导体
本征载流子浓度： • 载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越 多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电 子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状 态，使本征半导体中载流子的浓度一定。
6
1-1 半导体物理基础知识
１-１-１ 本征半导体
本征载流子浓度： 式中： ni、pi ——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）； T——为热力学温度（K）； EG0为T= 0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为 1.21eV，锗为0.78eV）； k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）； A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016 3 3 -3 16 -3 2 ㎝ · K ， 锗为1.76×10 ㎝ · K 2 ）。
8
1-1 半导体物理基础知识
１-１-１ 本征半导体
结论： • 本征半导体的导电能力是很弱的； • 本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大， 所以其导电性能对温度的变化很敏感。
9
1-1 半导体物理基础知识
1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体 Impurity
Semiconductor ）
• 在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质）， 会使其导电性能发生显著变化——杂质半导体。 • 根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为 N型半导体和P型半导体。 在杂质半导体中： 浓度占优势的载流子称为：多数载流子，简称多 子；反之称为少数载流子，简称少子。
1.1半导体基础知识
无外电场力作用时，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷 区具有一定宽度，形成PN结。有电位差Uho、无电流。
P、N两区杂质浓度相等——对称结 P、N两区杂质浓度不相等——不对称结 高掺杂浓度区域 用N+表示
离子密 度小
P
_ _ _ _ _ _
空间电荷 层较厚
+ + + + + +
N+
离子密 度大
空间电荷 层较薄
导电。
半导体－－导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。
半导体的几个重要特性： （1） 热敏特性
（2）光敏特性 （3）掺杂特性 半导体导电性能是由其原子结构决定的。
最常用的半导体材料
硅
锗
硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子
受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
二、 PN 结的单向导电性
PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半导体的一
端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置， 简称正偏。 PN结反向偏置—— 当外加直流电压使PN结N型半导体的一 端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，
简称反偏。 正向偏置——PN结外加正向电压（P＋，N－）
杂质半导体有两种 N (Negative)型半导体 P (Positive)型半导体
一、 N 型半导体
掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
+4
+4
+4
+4
+4
+4
P、N两区杂质浓度相等——对称结 P、N两区杂质浓度不相等——不对称结 高掺杂浓度区域 用N+表示
离子密 度小
P
_ _ _ _ _ _
空间电荷 层较厚
+ + + + + +
N+
离子密 度大
空间电荷 层较薄
导电。
半导体－－导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。
半导体的几个重要特性： （1） 热敏特性
（2）光敏特性 （3）掺杂特性 半导体导电性能是由其原子结构决定的。
最常用的半导体材料
硅
锗
硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子
受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
二、 PN 结的单向导电性
PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半导体的一
端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置， 简称正偏。 PN结反向偏置—— 当外加直流电压使PN结N型半导体的一 端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，
简称反偏。 正向偏置——PN结外加正向电压（P＋，N－）
杂质半导体有两种 N (Negative)型半导体 P (Positive)型半导体
一、 N 型半导体
掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
+4
+4
+4
+4
+4
+4
半导体基础知识.
超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。
【例1-1】在图中，已知稳压二极管的
U Z 6.3V ，已知
稳压二极管的正向导通压降 U F =0.7V 。当U = 20V ，R=1kΩ I 时,求Uo
解 当 U I =+20V ， 反向击穿稳压
U F2 = 0.7V U Z =6.3V VDZ2 正向导通， ，
U = +7V； 同理， U I = 20V
O
U = 7V
O
稳压电路
1.4.2 发光二极管
发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半 导体器件。 发光二极管的符号如图所示。 发光二极管常用于作为显示器件， 可单个使用，也可作成7段式或矩 阵式，工作时加正向电压，并接入 相应的限流电阻，工作电流一般为 几毫安到几十毫安，正向导通时的 管压降为1.8～2.2V。
缘体。
束缚电子
+4
+4
+4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
+4
+4
电子。 自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
可见本征激发同时产生
正向电流
－
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 动画演示 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I
半导体二极管—半导体的基本知识(电工电子课件)
空穴越多，半导体中的载流子数目就越多， 因此形成的电流越大
半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空 穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度
ni=pi 下标i表示为本征半导体
载流子的产生与复合
价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。
本征激发
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
E
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
空穴移动产生电流 代表束缚电子移动产生电流
结论：
由此可见,在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产 生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可以将空 穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可 以自由的移动， 移动的方向和电流的方向相同。所以 空穴也是一种载流子
受主原子
空穴
由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子。 P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数 载流子。
P型半导体特点 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形 成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
半导体仍呈电中性
4.载流子的漂移与扩散 1）漂移
由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移
本征半导体中掺入某种微量元 素（杂质）后，它的导电能力 增强，利用该特性可形成杂质 半导体
半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空 穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度
ni=pi 下标i表示为本征半导体
载流子的产生与复合
价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。
本征激发
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
E
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
空穴移动产生电流 代表束缚电子移动产生电流
结论：
由此可见,在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产 生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可以将空 穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可 以自由的移动， 移动的方向和电流的方向相同。所以 空穴也是一种载流子
受主原子
空穴
由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子。 P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数 载流子。
P型半导体特点 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形 成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
半导体仍呈电中性
4.载流子的漂移与扩散 1）漂移
由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移
本征半导体中掺入某种微量元 素（杂质）后，它的导电能力 增强，利用该特性可形成杂质 半导体
第1章-半导体器件基础
3. 反向电流 IR
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。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
ui
ui
RL
uo
t
uo t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR RL
uR
t
uo t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
-
曲线越陡， I
电压越稳
定。
+
UZ
稳压
动态电阻： 误差
r U Z
Z
I Z
rz越小，稳 压性能越好。
UZ
IZ
U IZ IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ
（2）电压温度系数U（%/℃）
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少入部P分区与R的基B 电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
第1章半导体器件
外电场
形成的电流，故反向电流
非常小，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无 关，这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电 情况
图01.07 PN结加正向电压 时的导电情况
因五价杂质原子中四 个价电子与周围四个 半导体原子中的价电 子形成共价键，多余 的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形 成自由电子。
热激发产生 的自由电子
掺杂磷产生 的自由电子
Si
SPi
Si
Si
Si
Si
•掺杂磷产生的自由电子数 〉〉热激发产生的自由电子数
•N型半导体中自由电子数 〉〉空穴数
•自由电子为 N型半导体的多数载流子（简称多）， 空穴为N型半导体的少数载流子（简称少子）
N型半导体简化图
多 子
Si
P
Si
Si
Si
Si
空
间
电
荷
l P型半导体：
往本征半导体中掺杂三价杂质硼形成的杂质半导体, P 型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电 子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电 子，使杂质原子成为负离子。因而也称为受主杂质。
Si
B
Si
Si
Si
Si
热激发产生 的空穴
T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n= 5×1016/cm3
本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3
第一章二极管-PPT课件
本征半导体：
四价元素
外层四个电子
原子实或惯性核 为原子核和内层电子组成
价电子为相邻两原子所共有
3.本征激发：
本征激发 电子空穴 成对产生
自由电子（带负电-e)
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
4.载流子 ：自由 +4 运动的带电粒子：
电子带负电： +4 －e=-1.6×10-19c,
空穴带正电:
e=1.6×10-19c.
锗管UD(ｏn)=0.2V。
（2）反向特性： 二极管两端加上反向 电压时，反向饱和电流IS很小（室温下， 小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1μA。 （3）反向击穿特性 二极管两端反向电压 超过U(BR)时，反向电流IR随反向电压的增大 而急剧增大， U(BR) 称为反向击穿电压。
（5）齐纳击穿：由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电
压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出 来产生电子-空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。
§1 .2 二极管的特性及主要参数 一、 半导体二极管的结构和类型
构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号：阳极（正极） 阴极（负极） 分类： 1.根据材料 硅二极管、锗二极管 2.根据结构 点接触型、面接触型、平面型 1．二极管的结构和符号
空穴（带正电+e)
5.复 合： 自由电子和空穴在运动 中相遇重新结合成对消 失的过程。 电子电流:IN
空穴电流:IP 共有电子 递补运动
+4
+4
二极管基础必学知识点
二极管基础必学知识点以下是学习二极管基础知识时必须了解的几个重要概念和知识点：1. 二极管的结构：二极管是一种由P型半导体和N型半导体组成的器件。
P型半导体具有正电荷载流子（空穴），N型半导体具有负电荷载流子（电子）。
2. PN结：当P型半导体与N型半导体通过直接接触形成结构时，形成的结构称为PN结。
在PN结中，P型半导体的载流子与N型半导体的载流子会发生扩散，形成一个电场区域，使得P型区域形成一个正电荷区（P区），N型区域形成一个负电荷区（N区）。
3. 二极管的正向偏置和反向偏置：当二极管的P区连接正电压而N区连接负电压时，电场区域会扩大，电子会从N区向P区运动，形成电流。
这种情况下，二极管处于正向偏置状态。
反之，当P区连接负电压而N区连接正电压时，电子会从P区向N区运动，不会形成电流。
这种情况下，二极管处于反向偏置状态。
4. 二极管的导通和截止状态：在正向偏置下，二极管的P区和N区之间的电场有效扩展，形成了一个导电通道。
此时二极管处于导通状态，可以通过电流。
在反向偏置下，电场区域不会扩大，电流无法通过二极管，此时二极管处于截止状态。
5. 二极管的正向电压降和反向电流：在正向偏置状态下，二极管上会出现一个正向电压降（一般约为0.7V），称为正向压降。
反向偏置状态下，只有很小的漏电流（反向漏电流）能够通过二极管。
6. 二极管的应用：由于二极管具有只允许电流单向通过的特性，因此可以用于整流电路，将交流电信号转换为直流电信号。
此外，还可以用于电压稳压器、开关、逻辑门等电路中。
以上是学习二极管基础知识时必须了解的几个重要概念和知识点。
在深入学习二极管原理和应用时，还需要了解二极管的特性曲线、温度对二极管的影响、二极管的灵敏度等内容。
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发光二极管
发光二极管有许多外形、尺寸、亮度、颜色（红、黄、 绿、蓝、紫、白、橙等）选择，发光二极管是有正极和负极 之分的，透过外壳可看到发光二极管内部的两片导体。 符号
D ?
实验4——充放电LED指示灯电路
+5V
470Ω K1
R1 LED1 C 1000µ F
＋
K2
R2 470Ω
LED2
1
元器件领取及检测
uZ / V
I Z
I ZM
稳压二极管
3) 最大耗散功率PZM ： 稳压管允许的最大功耗。 由该参数可以求最大稳定电流
iZ / mA
IZmax。
U Z
UZ
I Zmin
O
PZM I ZM U Z
4） 动态电阻Rz： 工作在稳压区时，端电压 变化量与其电流变化量之比。 其值越小，稳压性能越好。
uZ / V
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等) 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 改变。 (可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管 、三极管和晶闸管等）
半导体的结构——本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。
3、最大反向电流IR： 指二极管加UR时的反向电流。反 向电流大，说明管子的单向导电性差， IR受温度的影响， 温度越高反向电流越大。
4、最高工作频率fM：指二极管允许工作的最高频率，当 外加信号频率高于此值时，二极管将失去单向导电性。
19
特殊二极管
稳压二极管
（1）稳压管结构及工作特性
符号 伏安特性
反向电流在 一定电压范围 内保持常数 （很小，A级）
P
–
+N
反向特性
死区电压
硅管0.5V 锗管0.2V
外加电压大于反向击穿 电压，二极管被击穿， 失去单向导电性。
外加电压大于死区电压， 二极管才能导通。 14
二极管模型 伏安特性的实际，近似与理想情况对比：
I
0
B 硅 A
I 0
UD
I 0
U
伏安特性
p+ Si
Si
失去一个电子 变为正离子
磷原子
6
半导体的结构——杂质半导体
2）P型半导体
Si
Si
空穴
掺入三价元素
掺杂后空穴数目大量增 加，空穴导电成为这种半导 体的主要导电方式，称为空 穴半导体或 P型半导体。
– Si B
Si
接受一个电子 变为负离子
硼原子
7
PN结的特性
形成空间电荷区
8
1）PN结外加正向电压（正向偏置）
U
U
理想特性
近似特性
正向： OA段（死区）：硅管约0.5V
正向导通： 硅管约0.7V
锗管约0.2V
锗管约0.3V
反向：OB段（截止区）：I近似为0 击穿区：管子被击穿
15
二极管模型
实例1-1 一个简单的二极管电路如图所示，R=10kΩ， VDD=5V，分别用理想模型、恒压降模型，求电路的ID和 VD的值。 解：①使用理想模型
• 原子结构及共价键
价电子 Si Si
Si
共价健 晶体中原子的排列方式
Si
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
5
半导体的结构——杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导 体。
在常温下 即可变为 自由电子
1）N型半导体
Si
Si
多余 电子
掺入五价元素
掺杂后自由电子数目大 量增加，自由电子导电成 为主要的导电方式，称为 电子半导体或N型半导体。
I Z
I ZM
Rz UZ I Z
光电二极管
电路符号：在普通二极管电路符号的边 上加两个朝向管子的箭头。
a
k
光电二极管
特性：无光照时与普通二极管一样具有单
向导电性。使用时，光电二极管的PN结应 工作在反向偏置状态，在光信号的照射下， 反向电流随光照强度的增加而上升。
a
k
用途：用于测量光照强度、做光电池。
LED2灯状态 （亮/灭）
ID
a
解：Ua 12V Ub 16V VD导通
VD1
VD
b 2K
R
12V
VD2
UO
16V
二极管限幅电路
R
＋
ui
VD 2V
＋
VPP=8V，f=100HZ
ui
－
uo
－
t
R
＋
ui
－
VD 3V
＋
uo
－
R
＋ VD1 2V VD2 3V ＋
ui
－
uo
－
二极管的主要参数
以下各参数是选择二极管的依据 1、额定正向平均电流IF :长期使用允许流过二极管的最大 正向平均电流。 2、最高反向工作电压URM :是保证二极管不被击穿而给出 的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半 或三分之二。
LED灯状态 （亮/灭） LED两端电压 UL（V）
半导体基础
导体：一般为低价元素，如铜、 铁、铝 绝缘体：一般为高价元素（如 惰性气体）或高分子物质（如 塑料和橡胶）。 半导体：其导电性介于导体和 绝缘体之间（如硅和锗以及砷 化镓）
半导体的导电特性
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)
电阻 470Ω 发光二极管 电容
表1-1 发光二极管检测数据
正向压降 反向压降
LED1 LED2
颜色
质量判断
2 任务问题
+5V 470Ω K1 R1 LED1 C 1000µ F
＋
K2 R2 470Ω LED2
开关状态 K1闭合，K2断开 K1断开，K2闭合
电容C两端电压 LED1灯状态 UC（V） （亮/灭）
PN 结变窄
P接正、N接负
IF
外电场
+
–
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向 电阻较小，PN结处于导通状态。
9
2）PN结外加反向电压（反向偏置）
PN 结变宽
P接负、N接正
外电场
–
+
IR
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流极小，反向 电阻较大，PN结处于截止状态。
10Hale Waihona Puke 半导体二极管VD
二极管的伏安特性
实验3 二极管的伏安特性曲线测试
V A
电压（V） 0 0.05 0.75 1 3 5 8 20 80
正向 偏置
反向 偏置
电流 电压
电流
电压
二极管的伏安特性
限流电阻
伏安特性
A
V
二极管的伏安特性
特点：非线性 反向击穿电压U(BR)
I
P
+
–
N 正向特性
硅0.7V
导通压降 锗0.3V U
I + UZ
O
_
稳压管反向击穿后，电 流变化很大，但其两端 电压变化很小，利用此 特性，在电路中可起稳 压作用。
U
IZmin UZ IZ IZma
x
21
稳压二极管
（2）稳压管的主要参数
1) 稳定电压U Z: 稳压管反向击穿后的稳 定电压值。 U Z
iZ / mA
UZ
I Zmin
O
2) 稳定电流I Z： 稳压管正常工作时的 参考电流。电流高于此值 时，管子才能起到稳压作 用。IZmin实际就取IZ。
VD 0V I D VDD / R
5V/10K 0.5mA
VDD
R
＋
VD
－
iD
②使用恒压降模型
VD 0.7V V VD 5V - 0.7V I D DD 0.43mA R 10K
二极管模型
实例1-2 硅二极管电路如图所示，试分别用二极管的理 想模型、恒压降模型计算电路中的电流ID和输出电压UD。
项目0 半导体基础知识
实验2——二极管的单向导电性
结论：当二极管两端电压为正向电压时，二极管将 a a 1K 1K 当二极管两端电压为反向电压是，二极管将
故二极管具有 L 电压降约为 V。b 5V
直流稳压电源 二极管两端电压 输出电压 Uab（V） 5V -5V
；
；
性，且正向导通时，导通 5V L b