半导体二极管及其应用电路
模拟电路二极管及其基本应用
Fundamentals of Analog Electronic
第3章 半导体二极管及其基本应用
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第3章 半导体二极管及其基本应用
§3.1 半导体基础知识 §3.2 半导体二极管 §3.3 稳压二极管 §3.4 发光二极管
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§3.1 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
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五、二极管的基本应用电路
1. 半波整流电路
将交流电压转换成直流电压，称为整流。
ui 2Ui sin t
近似为理想二极管
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五、二极管的基本应用电路
2. 全波整流电路
u 2 2U 2 sin t
RL中的电流方向不变
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3.开关电路（理想模型）
开关电路:利用二极管的单向导电性，接通和断开的电路。 分析这类电路，首先要判断电路中的二极管处于导通还是截 止的状态。 判断方法： 先将二极管断开，确定零电位点，分析二极管两端的电位。 若阳极电位高于阴极电位，二极管导通，否则截止。 如果有多个二极管，则正向电压最大者优先导通，导通后 压降为0，对其他的二极管两端的电压可能产生影响。
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三、PN结的形成及其单向导电性
载流子的漂移与扩散 漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。
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在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N 型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的 结合面上形成如下物理过程:
4、最后与静态值叠加，得到完整的结果。
发光二极管电路
发光二极管电路发光二极管（LED）是一种半导体器件，具有高效、节能、寿命长等优点，因此在现代电子技术中得到了广泛应用。
本文将介绍发光二极管电路的基本原理、常见电路和应用。
一、基本原理发光二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，其结构类似于普通二极管，但在PN结上加入了特殊的材料，使其能够发出光。
当LED正向偏置时，电子从N区向P区流动，与空穴复合时会释放出能量，这些能量以光的形式发射出来，形成发光现象。
二、常见电路1.单个LED电路单个LED电路是最简单的LED电路，只需要将LED连接到电源上即可。
但是，由于LED的电压和电流都比较低，需要使用限流电阻来保护LED，防止过流过压损坏LED。
2.串联LED电路串联LED电路是将多个LED连接在一起，形成串联电路。
由于LED的电压是固定的，因此需要根据串联LED的数量来选择合适的电源电压。
同时，为了保护每个LED，需要在每个LED之间加上限流电阻，以保证电流均匀分配。
3.并联LED电路并联LED电路是将多个LED连接在一起，形成并联电路。
由于LED的电流是固定的，因此需要根据并联LED的数量来选择合适的电源电流。
同时，为了保护每个LED，需要在每个LED之间加上限压电阻，以保证电压均匀分配。
三、应用1.照明LED照明是目前最为广泛的LED应用之一。
由于LED具有高效、节能、寿命长等优点，因此被广泛应用于室内照明、路灯、汽车照明等领域。
2.显示LED显示是另一个重要的LED应用领域。
由于LED具有高亮度、高对比度、高刷新率等优点，因此被广泛应用于数码管、点阵屏、大屏幕等显示设备中。
3.信号指示LED信号指示是LED应用的另一个重要领域。
由于LED具有高亮度、寿命长等优点，因此被广泛应用于电子产品中的指示灯、警示灯等。
发光二极管电路是现代电子技术中不可或缺的一部分，其应用范围广泛，未来还将有更多的应用领域。
二极管及其应用
整理课件
4
• 【PN结】 人们按照物质导电性能，通常将各种材料分为导体、绝缘 体和半导体三大类。导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半 导体，例如硅(Si)、锗(Ge)等都是半导体。纯净的不含任何杂质的半 导体叫做本征半导体，它其中有两种等量的导电粒子（即载流子）： 电子和空穴。本征半导体的导电能力差，为增强导电性，通常在其 中掺入某种微量元素。如果在本征半导体（如硅）中掺入微量三价 元素（如硼），就形成P型半导体。P型半导体中空穴占多数，称为 多数载流子，电子相对少，称为少数载流子。如果在本征半导体 （如硅）中掺入微量五价元素（如磷），就形成N型半导体。N型半 导体中电子占多数，称为多数载流子，空穴相对少，称为少数载流 子。如果通过一定的生产工艺，将一块半导体的P型区和N型区结合 在一起，则在它们的交界处就形成了一个具有单向导电性的薄层， 称为PN结。以PN结为管芯，在P型区和N型区的两侧接上电极引线， 就制成了半导体二极管，简称二极管。
图1-9 二极管伏安特性曲线
整理课件
10
【正向特性】 二极管正极接高电位，负极接低电位，称为二极管 正偏。二极管加正向电压时伏安特性分为正向死区和正向导通区。
（1）正向死区：对应曲线OA段，此时所加正偏电压较小，流过二极管的电流很小，二
极管仍处于截止状态。当加给二极管的正向电压增加到某一值时流过二极管的电流迅速增
在一般的电子产品中，如手机、手电筒、MP3/MP4、小型扩音器 等，通常使用电池供电。但在大量电器设备中，如日常生活中常用的 电视机、手机充电器、家庭影院等，往往利用交流220V电转换成直流 稳压电源来供电，如图1-18所示。
a)电视机
b）手机充电器
c) 家庭影院
图1-18 应用整流电路的常见家用电子设备
《模拟电子技术》(第3版)课件与教案 第1章
第1章 半导体二极管及其应用试确定图（a ）、（b ）所示电路中二极管D 是处于正偏还是反偏状态，并计算A 、B 、C 、D 各点的电位。
设二极管的正向导通压降V D(on) ＝。
解：如图E1.1所示，断开二极管，利用电位计算的方法，计算二极管开始工作前的外加电压，将电路中的二极管用恒压降模型等效，有（a ）V D1＇＝（12－0）V ＝12V ＞0.7V ，D 1正偏导通，)7.02.22.28.17.012(A +⨯+-=VV B ＝V A －V D(on)）V ＝6. 215V（b ）V D2＇＝（0－12）V ＝－12V ＜0.7V ，D 2反偏截止，有V C ＝12V ，V D ＝0V二极管电路如图所示，设二极管的正向导通压降V D(on) ＝，试确定各电路中二极管D 的工作状态，并计算电路的输出电压V O 。
解：如图E1.2所示，将电路中连接的二极管开路，计算二极管的端电压，有 （a ）V D1＇＝[－9－（－12）]V ＝3V ＞0.7V ，D 1正偏导通V O1（b ）V D2＇＝[－3－（－29）]V ＝1.5V ＞0.7V ，D 2正偏导通V O2图E1.2（c）V D3＇＝9V＞0.7V，V D4＇＝[9－（－6）]V＝15V＞0.7V，V D4＇＞V D3＇，D4首先导通。
D4导通后，V D3＇＇＝（0.7－6）V＝－5.3V＜，D3反偏截止，V O3。
二极管电路如图所示，设二极管是理想的，输入信号v i=10sinωt V，试画出输出信号v O的波形。
图E1.3解：如图E1.3所示电路，二极管的工作状态取决于电路中的输入信号v i的变化。
（a）当v i＜0时，D1反偏截止，v O1＝0；当v i＞0时，D1正偏导通，v O1＝v i。
（b）当v i＜0时，D2反偏截止，v O2＝v i；当v i＞0时，D2正偏导通，v O2＝0。
（c）当v i＜0时，D3正偏导通，v O3＝v i；当v i＞0时，D3反偏截止，v O3＝0。
二极管原理及其基本电路
二极管原理及其基本电路二极管是一种最简单的半导体器件，它具有非常重要的功能和应用。
本文将介绍二极管的原理以及其基本电路。
一、二极管的原理二极管是由一种带有p型半导体和n型半导体的材料组成的。
在p-n 结的区域内，因为半导体的材料特性，会形成一个电势垒。
当外加电压的极性与电势垒形成的方向相反时，电势垒将变得更大，称为反向偏置；当外加电压的极性与电势垒形成的方向一致时，电势垒将变得更小，称为正向偏置。
在二极管的工作中，主要有以下几个重要的特性。
1.正向电压特性：当二极管处于正向偏置状态时，在两端加上正向电压时，电势垒逐渐缩小，直到消失。
在这个过程中，二极管的导电性变得很好。
正向电压越大，二极管导通越好。
2.反向电压特性：当二极管处于反向偏置状态时，在两端加上反向电压时，电势垒逐渐增加。
当反向电压超过反向击穿电压时，二极管就会发生击穿，电流急剧增大，此时二极管就会损坏。
3.导通和截止特性：当二极管处于正向偏置状态时，正向电压不超过一定限制时，二极管会导通。
当正向电压超过这个限制时，二极管截止，不导通。
而当二极管处于反向偏置状态时，无论外加电压的大小，其表现都是开路状态，不导通。
二、二极管的基本电路二极管广泛地应用于各种电路中，下面介绍几个常见的二极管基本电路。
1.正向电压特性测试电路：这是一个测试二极管正向电压特性的电路。
它由一个电压源、一个限流电阻和一个二极管组成。
通过改变电压源的电压，可以测量二极管在不同电压下的电流。
当电压逐渐增加时，电流也逐渐增加，直到达到二极管的最大电流。
2.整流电路：整流电路主要用于将交流电转换为直流电。
它由一个二极管和负载组成。
当二极管处于正向偏置状态时，它允许正向电流通过，从而将正半周期的交流信号变为直流信号。
而当二极管处于反向偏置状态时，它阻止反向电流通过。
3.限流电路：限流电路主要用于限制电流的大小。
它由一个电压源、一个电阻和一个二极管组成。
二极管起到了稳压和限流的作用。
发光二极管电路
发光二极管电路发光二极管是一种半导体器件，具有单向导电性和较高的光电转换效率。
在电路中，发光二极管常用于指示灯、数字显示、光电传感器等领域。
本文将介绍发光二极管电路的基本原理、常见接线方式和应用场景。
一、基本原理发光二极管的基本结构是由两种半导体材料P型和N型半导体材料组成。
在这种结构中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的自由电子结合，形成PN结。
当PN结被正向偏置时，电流流过发光二极管，电子和空穴在PN结中复合，释放出能量，产生光辐射；反向偏置时，电流很小，不会产生光辐射。
二、常见接线方式单个发光二极管电路是最简单的电路，可以用于实现指示灯等基本功能。
如图所示，通过正向偏置PN结，使电流流过发光二极管，产生光辐射。
在电路中，发光二极管的正极连接电源的正极，负极连接电源的负极。
2.串联发光二极管电路串联发光二极管电路将多个发光二极管依次连接起来，形成电路。
如图所示，多个发光二极管的正极依次连接起来，负极也依次连接起来。
在电路中，发光二极管的电流相同，但电压会被分配到每个发光二极管上。
3.并联发光二极管电路并联发光二极管电路将多个发光二极管并联起来，形成电路。
如图所示，多个发光二极管的正极连接在一起，负极也连接在一起。
在电路中，发光二极管的电压相同，但电流会分配到每个发光二极管上。
三、应用场景发光二极管广泛应用于指示灯、数字显示、光电传感器等领域。
其中，指示灯是最常见的应用场景。
例如，电子产品中的电源指示灯、充电指示灯、信号指示灯等都是使用发光二极管实现的。
数字显示也是发光二极管的典型应用之一，例如计算器、时钟等。
此外，发光二极管还可以作为光电传感器使用，可以检测光线强度、测量距离等。
发光二极管电路是一种基本的电路，具有简单、可靠、高效的特点，广泛应用于电子产品、自动化设备等领域。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的发光二极管类型和接线方式，以达到最佳的效果。
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。
二极管的原理与应用
二极管的原理与应用1. 二极管的基本原理•二极管是一种最简单的半导体器件，它由一个正偏导电的P型半导体材料和一个负偏导电的N型半导体材料组成。
•P型半导体材料中的空穴是主要载流子，N型半导体材料中的电子是主要载流子。
•当P端施加正电压，N端施加负电压时，形成正向偏置，二极管呈现导通状态，电流通过。
•当P端施加负电压，N端施加正电压时，形成反向偏置，二极管呈现截止状态，电流不通过。
2. 二极管的常见应用1.整流器•在电路中，二极管可以作为整流器使用，将交流电转换为直流电。
•顺向偏置时，二极管处于导通状态，只有正半周通过，负半周被截断，实现了电流的单向传输。
•这种特性使得二极管常用于电源电路和电子设备中，用于转换电源的交流电为所需的直流电。
2.信号检测器•二极管的非线性特性使其可用于信号检测器，用于检测和修正模拟或数字信号。
•当信号的幅度超过二极管的正向电压时，二极管将充当一个开关，使得信号通过。
•这种检测特性使得二极管在无线电接收器、调制解调器和通信系统中得到广泛应用。
3.发光二极管（LED）•发光二极管是一种能够将电能转换为可见光的电子器件，通过电压施加到PN结上，使得电子与空穴复合并发射光子。
•LED可以用于指示灯、数码显示、照明等方面，具有低功耗、高亮度、长寿命的优点。
•随着发光材料和封装技术的不断发展，LED的应用范围不断扩大，已广泛用于电子产品、户外显示屏和照明领域。
4.齐纳二极管•齐纳二极管是一种具有特殊材料的二极管，可以在反向偏置时发生电流穿越现象，被用于高频电路和微波电路中。
•齐纳二极管的特殊材料在反向偏置时形成了一个很小的空穴层，使得电流能够以非常低的电压通过。
•这使得齐纳二极管被广泛应用于射频识别（RFID）、毫米波通信和雷达系统等领域。
3. 小结•二极管是一种基本的半导体器件，根据正向或反向偏置的不同状态，可以实现电流的导通或截止。
•二极管的原理可以应用于整流、信号检测、LED发光和齐纳效应等领域。
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1.1.2 PN结
(1)雪崩击穿
当反向电压足够高时（一般U>6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载 流子加速，与中性原子相碰，使之价电 子受激发产生新的电子空穴对，又被加 速，而形成连锁反应，使载流子剧增， 反向电流骤增。这种形式的击穿称为雪 崩击穿.
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
反偏时由于PN结变厚, 不能导电的区 域增大,因此,PN结呈现出的反向电阻很 大,流过的反向电流很小,基本为0.
因此, PN结反偏截止.
※PN结的单向导电性: 正偏导通,反偏截止
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
三.PN结的反向击穿特性
反向击穿:当PN结的反偏电压增加到某一 数值时，反向电流急剧增大的现象。 PN结的击穿现象有下列两类： (1) 热击穿:不可逆,应避免 (2) 电击穿:可逆,又分为雪崩击穿和齐纳 击穿.
各用一个价电子组成，称为束缚电子。
价电子
＋4
＋
＋
＋
4
4
4
共价键的
两
个价电子
＋
＋
＋
4
4
4
＋
＋
＋
4
4
4
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
（2）本征激发现象
当温度升高或受光照射时，共价键中的价电子获
得足够能量，从共价键中挣脱出来，变成自由电 子；同时在原共价键的相应位置上留下一个空位， 这个空位称为空穴,电子-空穴对就形成了.
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
三、杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性 能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半 导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型 （P型）半导体。
（1） P型半导体--掺入微量的三价元素（如硼）
+
+
+
4
4
4
+
+
+
4
3 硼原子4
+
+
+
1.1.2 PN结
(2)齐纳击穿
当PN结加上正向电压，即P区接电源正极(高电
位)，N区接电源负极(低电位)。此时，称PN结加正
向偏置电压，简称“正偏”.
P
变薄
N
空穴 (多数)
IF
内电场
外电场
电子 (多数)
R
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
正偏时由于PN结变薄,空间电荷区 消失(外加电场足够大),能导电的区域 增大,因此,PN结呈现出的正向电阻小, 流过的正向电流大.
1.1.2 PN结
一．PN结的形成
在一块本征半导体的两边,分别形
成P型和N型半导体,在两种载流子交界
处会出现载流子的相对运动.
扩散运动-多数载流子因浓度上的
差异而形成的运动.
P区
N区
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏， 在交界面靠近P区一侧留下了不能移动的负离子，靠 近N区一侧留下了等量的正离子。P区和N区交界面 两侧形成的正、负离子薄层，称为空间电荷区,其中 无载流子。由于空间电荷区的出现，建立了PN结的 内电场。
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
二、本征半导体
半导体按其是否掺入杂质来划分， 又可分为：本征半导体和杂质半导体。
完全纯净的、结构完整的半导体晶 体称为本征半导体。
在绝对0K（-273oC），本征半导体 基本不导电。
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
（1）本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子
因此, PN结正偏导通.
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
（2）外加反向电压—反偏
当PN结加上反向电压，即P区接电源负极(低电 位)，N区接电源正极(高电位)。此时，称PN结加反 向偏置电压，简称“反偏”.
N
变厚
空穴 (少数) R
内电场 外电场
P 电子 (少数)
IR≈0
半导体二极管及其应用电路
4
4 半导体二4极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
因此,+3价元素原子获得一个电子, 成为一个不能移动的负离子，而半导 体仍然呈现电中性。
➢ P型半导体的特点： • 多数载流子为空穴； • 少数载流子为自由电子。
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
（2） N型半导体--掺入微量的五价元 素(如磷)
＋4
＋4
c
＋4
＋4
b
＋4
＋4
a
共价键的 两个价电 子
自由电子
＋4
＋4
＋4
空穴
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
在外电场或其他能源的作用下，邻近的 价电子和空穴产生相对的填补运动。这样， 电子和空穴就产生了相对移动，它们的运 动方向相反，而形成的电流方向是一致的。
由此可见，本征半导体中存在两种载流 子：自由电子和空穴，而导体中只有一种 载流子：自由电子，这是半导体与导体的 一个本质区别。
＋
＋ N型＋半导体:
4
4
4
多子自由-电自子 由电子
＋ 4
＋ 5
少子＋ 4 -空穴
磷原子
＋
＋
＋
4
4
4
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
注意：
❖杂质半导体中的多数载流子的浓度与 掺杂浓度有关；而少数载流子是因本 征激发产生，因而其浓度与掺杂无关， 只与温度等激发因素有关.
半导体二极管及其应用电路
常见的半导体材料是硅(Si)和锗 (Ge),它们都是+4价元素.
硅的热稳定性比锗好.
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
一、半导体的特点
1.热敏性 2.光敏性 3.掺杂性
温度、光照、是否掺入杂质元素这三 方面对半导体导电性能强弱影响很大。 当半导体温度升高、光照加强、掺入杂 质元素，其导电能力将大大增强。
漂移运动-内电场的作用使载流子发生的运动.
P区
空间电荷区(耗
N区
尽区\势垒区)
半内导电体场二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
当扩散和漂移两种相反作用的运 动达到动态平衡时，形成的稳定空间 电荷区就叫做PN结。
P区N区Biblioteka PN结半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
二．PN结的单向导电性
（1）外加正向电压—正偏
半导体二极管及其应用电路
主要内容： 1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体二极管的应用 1.5 小结
半导体二极管及其应用电路
1.1 半导体基础知识
1.1.1 半导体的导电特性 1.1.2 PN结
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
自然界中的各种物质按其导电性 能的不同可划分为：导体、半导体和 绝缘体。半导体的导电性能介于导体 和绝缘体之间.