PN结与二极管
二极管的工作原理和参数
二极管的工作原理和参数一、工作原理二极管是由一片P型半导体和一片N型半导体构成的，它们通过PN结相连接。
在PN结的连接处，P型半导体的空穴和N型半导体的电子发生复合，形成一个带有正电荷的区域，称为耗尽区。
当在二极管的两端施加正向电压时，正电压将使PN结的耗尽区变窄，电子和空穴可以穿过PN结，电流得以通过，此时二极管处于导通状态；而当施加反向电压时，反向电压将使PN结的耗尽区变宽，阻止电子和空穴的穿越，电流无法通过，此时二极管处于截止状态。
二、主要参数1. 正向电压：当二极管处于导通状态时，施加在二极管两端的电压称为正向电压。
正向电压的大小决定了二极管导通时的电流大小。
2. 反向电压：当二极管处于截止状态时，施加在二极管两端的电压称为反向电压。
反向电压的大小决定了二极管截断时的电流大小。
3. 饱和电流：在正向电压作用下，当二极管导通时的电流称为饱和电流。
饱和电流的大小与二极管的材料和结构有关。
4. 截断电压：在反向电压作用下，当二极管截断时的电压称为截断电压。
截断电压的大小与二极管的材料和结构有关。
5. 正向压降：在正向电压作用下，二极管两端产生的电压降称为正向压降。
正向压降的大小与二极管的材料和结构有关。
三、应用由于二极管具有单向导电性质，所以在电子电路中有着广泛的应用。
以下是二极管在电子电路中的几个常见应用场景：1. 整流器：二极管的单向导电特性使其成为整流电路的关键元件。
通过将交流电信号输入到二极管的正向电压端，就可以实现将交流信号转换为直流信号的功能。
2. 信号检测器：二极管可以用作信号检测器，将输入的模拟信号转换为数字信号。
当输入的模拟信号超过二极管的正向压降时，二极管导通，输出数字信号为高电平；当输入的模拟信号低于二极管的正向压降时，二极管截止，输出数字信号为低电平。
3. 稳压器：二极管可以用作稳压器，通过将二极管连接在电路中，可以在一定程度上稳定电压。
例如，Zener二极管可以在反向击穿状态下，将超过其额定电压的电压转化为稳定的输出电压。
PN结与二极管性质
课题：PN结/二极管特性
科目：应用电子技术
教学对象：职业高中学生
课时：1个课时
一、教学内容分析
PN结与二极管性质是模拟电子技术中最最基础的内容。
模拟电子技术以三极管为主。
而三极管的本质就是PN结。
所以学好PN结与二极管他特性才能为以后的学习打好基础。
二、教学目标
知识与技能：理解PN结的基本原理与性质，理解二级管的工作原理与性质、熟练使用二极管
过程与方法：在初中的时候初步接触过发光二级管，发光二级管非常特殊的性质（例如：单项导电性）让人十分费解。
本次课程可以先着手对发光二级管进行研究，然后学习PN结的性质。
最后再引出其他类型的二极管（例如：稳压二极管）和二级管的其他性质。
三、学习者特征分析
学习者是从初中刚升到高中，从基础宽泛的课程升到专业紧凑的课程，可能有诸多不适应，一定要衔接好过渡过程，多引用初中简单易懂的内容。
四、教学策略选择与设计
本课程为基础原理内容，能练习的范围比较少，主要是以理解牢记为主。
可以不停的对内容的反复记忆加深同学的理解。
五、教学重点及难点
重点：PN结的基本性质与特点难点：PN结的基本性质与特点。
pn结工作原理
pn结工作原理
PN结是由P型半导体和N型半导体材料结合而成的一种二极
管结构。
其工作原理主要涉及了P型半导体的空穴（正电荷
载流子）和N型半导体的自由电子（负电荷载流子）之间的
扩散和漂移过程。
当PN结处于正向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，
而N型半导体的自由电子向结区域漂移。
扩散过程中，空穴
和自由电子发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。
这样，在结区域的一侧积累了正离子，而在另一侧积累了负离子，形成了电场。
这个电场阻碍了进一步的电荷扩散，称为势垒。
势垒形成后，电流可以通过PN结，这就是二极管正向导通的原理。
当PN结处于反向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，
N型半导体的自由电子向结区域漂移。
扩散过程中，空穴和自由电子快速发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。
由于没有形成有效的电场，电流几乎不能通过PN结，这就是二极管
反向截止的原理。
PN结的工作原理可用以下过程概括：
1. 正向偏置：空穴和自由电子在结区域发生复合消失，形成电场势垒，电流通过。
2. 反向偏置：快速复合消失形成电荷中性，电流几乎不能通过。
最后的原理可以用言简意赅的句子来总结：PN结的工作原理
是通过正向偏置形成势垒，阻碍电荷扩散，使电流通过；而反向偏置时，电荷快速复合消失，电流几乎不能通过。
2-1PN结及二极管
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2
2.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)空穴的移动 (3)电子空穴对
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
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② PN结反偏时 ——截止
外在加一的定反的向温电度压条有件一下部，分由降本落征在激P发N结决区定，的方少向子与浓 P度N结是内一电定场的方，向故相少同子，形加成强的了漂内移电电场流是。恒内定电的场，对基多子 扩本散上运与动所的加阻反碍向增电强压，的扩大散小电无流关大，大这减个小电。流此也时称P为N结 区反的向少饱子和在电内流电。场的作用下形成的漂移电流大于扩散 电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层
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两种载流子的运动 动态平衡时
PN结 总电流I=0
空间电荷区宽度稳定
两种运动：
扩散（浓度差）
两种电流：
扩散电流
漂移（电场力） 漂移电流
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(2) PN结的单向导电性
在PN结两端外加电压通常叫做偏置。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压 ，简称正偏；
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3
（1）本征半导体的共价键结构
硅(锗)的原子结构
简化模型
价电子 (束缚电子)
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
二极管pn结电容
二极管pn结电容二极管是一种常见的电子元器件，它由PN结组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体直接接触形成的结构。
在PN结的空间区域，由于P型半导体和N型半导体之间的杂质浓度不同，形成了内建电场。
这个内建电场会导致PN结具有一些特殊的电性质，其中之一就是二极管的PN结电容。
PN结电容是指在二极管的PN结中存在的电容效应。
当二极管处于正向偏置状态时，PN结电容存在，而当二极管处于反向偏置状态时，PN结电容几乎可以忽略不计。
正向偏置是指将P型半导体端连接至正电压，而将N型半导体端连接至负电压的情况。
在这种情况下，由于P型半导体的空穴浓度较高，N型半导体的电子浓度较高，电子和空穴会向PN结区域扩散。
这样，PN结中的空间区域将被电子和空穴填满，电子和空穴会形成互相扩散的电流。
这个现象被称为正向偏置电流。
当二极管处于正向偏置状态时，PN结电容会起到一个重要的作用。
由于PN结的电场会阻碍电子和空穴的扩散，因此会形成一个电势垒。
这个电势垒会对电流的流动产生一定的阻碍，从而形成二极管的正向压降。
而PN结电容则会储存一部分电荷，这些电荷会随着电流的变化而发生变化，从而形成PN结电容。
反向偏置是指将P型半导体端连接至负电压，而将N型半导体端连接至正电压的情况。
在这种情况下，由于P型半导体的空穴浓度较高，N型半导体的电子浓度较高，空穴会向N型半导体端扩散，而电子会向P型半导体端扩散。
这样，PN结中的空间区域将被电子和空穴排斥，形成一个很宽的耗尽区。
在这个耗尽区中，由于电子和空穴没有互相扩散，因此几乎不会有电流流过。
这个现象被称为反向偏置。
当二极管处于反向偏置状态时，PN结电容几乎可以忽略不计。
由于PN结中没有电流流过，因此PN结电容不会储存电荷，也不会发生电荷的变化。
二极管的PN结电容是由于PN结中的内建电场而产生的。
当二极管处于正向偏置状态时，PN结电容会储存电荷，发生电荷的变化；而当二极管处于反向偏置状态时，PN结电容几乎可以忽略不计。
第2章_2_PN结
2.反向偏压作用 2.反向偏压作用
外加偏压几乎全落在空 间电荷区上. 间电荷区上.方向与空间 电荷区内建电场一致, 电荷区内建电场一致,使 空间电荷区变宽，相应 势垒高度也由qV 势垒高度也由qVD增至 q(VD+V)。 +V)。 由于电场增强，加强了 载流子的漂移运动，打 破了原先已达成的扩散 电流和漂移运动之间的 平衡。
2.3.4 pn结电容 pn结电容
PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN 结的高频应用。
1. pn结势垒电容 pn结势垒电容
（1）pn结势垒电容定性分析 pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒 区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充 放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容， 记为C 记为CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关， 是一个可变电容。 dQ CT = dV
由于少子浓度很低，扩散长度为一定值， 所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度 较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少 子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度 梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 外加电压的增加电流趋于饱和。
I = A(
qDnnp0 Ln
qDPP 0 kT n + )(e −1) = IS (ek pn结饱和电流 Np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和 分别为P区和N 少子空穴浓度。 Ln 和 Lp分别为电子和空穴的扩散长度。
Ln = Dnτ n
PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子， PN结在平衡状态下，在N 空穴是少子，在P 空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子 是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩 散，N型区的电子向P型区扩散。P 散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区 边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带 正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动， 它们就在P 它们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空 间电荷区。
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
常用二极管型号及参数大全
常用二极管型号及参数大全
二极管是一种最常用的电子器件之一，它具有方便、可靠、低成本等优点，在电子领域被广泛应用。
常用的二极管型号和参数有很多，下面我将介绍一些常见的二极管型号及其参数。
1.PN结二极管：
型号:1N4148
参数:正向电压降：0.7V，反向最大电压：75V，最大连续电流：
300mA
2.快恢复二极管：
型号:1N4937
参数:正向电压降：1.2V，反向最大电压：600V，最大连续电流：1A 3.高速二极管：
型号:BAT54
参数:正向电压降：0.55V，反向最大电压：30V，最大连续电流：350mA
4.整流二极管：
型号:1N4007
参数:正向电压降：1V，反向最大电压：1000V，最大连续电流：1A 5.功率二极管：
型号:1N5408
参数:正向电压降：1.2V，反向最大电压：1000V，最大连续电流：3A 6.双向导通二极管：
型号:BAT54S
参数:正向电压降：0.55V，反向最大电压：30V，最大连续电流：650mA
7. Zenner二极管：
型号:1N4742A
参数:正向电压降：1.2V，反向最大电压：12V，最大电流：1W
8.稳压二极管：
型号:1N5231B
参数:正向电压降：0.7V，反向最大电压：4.7V，最大连续电流：0.5W
9.光电耦合二极管：
型号:PC817
参数:正向电压降：1.2V，反向最大电压：80V，最大连续电流：50mA 10.电容二极管：
型号:BB001
参数:正向电压降：1.2V，反向最大电压：6V，最大连续电流：50mA。
pn结光电二极管工作原理
pn结光电二极管工作原理一、介绍光电二极管是一种将光能转化为电能的器件，是半导体材料的一种应用。
其中，pn 结光电二极管是应用最为广泛的一种光电二极管。
该器件结构简单，性能可靠，因此在许多领域中都得到了广泛的应用。
本文将深入探讨pn结光电二极管的工作原理。
二、pn结的形成1. 半导体材料介绍光电二极管是由半导体材料制成的，而半导体材料是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
它的导电性介于金属和非金属之间，具有较高电阻率的特点。
常见的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）等。
2. pn结的形成原理pn结是通过掺杂半导体材料形成的。
掺杂是在半导体材料中引入杂质，使其导电性发生变化的过程。
对于pn结，我们需要在一个半导体材料中掺入两种不同导电性质的杂质。
掺入五价元素（如磷）的区域称为n型区域，具有自由电子；掺入三价元素（如硼）的区域称为p型区域，具有空穴。
当n型和p型区域相互接触时，形成了pn结。
三、pn结的基本特性1. 内建电场pn结形成后，由于n型区域和p型区域的电荷分布不均匀，会形成内建电场。
内建电场的存在导致n型区域中的自由电子向p型区域运动，而p型区域中的空穴则向n型区域运动，最终形成一个电子亏损区和空穴亏损区。
能带图是描述半导体材料中电子能量分布的图表。
在pn结中，n型区域的导带和p 型区域的价带会有重叠，导带中的电子可以向价带中的空穴复合。
在内建电场作用下，电子会从n型区域向p型区域运动，而空穴则从p型区域向n型区域运动，从而减小了重叠的程度。
四、pn结光电二极管的工作原理1. 光的能量转换光线射到pn结的表面时，部分光子会穿过表面并进入光敏区域。
光子激发了光敏区域内的电子，使其跃迁到导带中，形成自由电子和空穴对。
在内建电场的作用下，自由电子会被推向n型区域，而空穴则被推向p型区域。
这导致了在pn结两侧产生了一个正负电荷的信号。
2. 电流的生成当光子入射光敏区域时，会导致pn结两端产生电势差。
这个电势差可以驱动自由电子在n型区域和空穴在p型区域中运动。
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V（V）
I（mA）
0.1006
0.0506
0.0206
0.0106
3、Pn结正向压降随温度的变化
实验室起始温度：TS=℃
工作电流：IF=μA
起始温度时的正向压降VF=mv
△V/mv
T/℃
△V/mv
T/℃
六、数据处理：
1、用坐标纸或计算机分别作出晶体二极管的伏安特性曲线图[正向，反向]；
3、坐标纸或计算机作出Pn结正向压降随温度变化的曲线图。
七、实验结论与讨论：
八：问答题
1、为什么测量反向伏安特性曲线要进行电流修正?
2、在上述实验中,为何要将电压表内接,若将电流表内接有何不便?已知电流表内阻约为98 。
3、在正向特性曲线中，为何要将电压表的最后二位调为零？能否将反向特性曲线实验中的电压表最后一位读数都调为零？（结合实验数据回答）
指导教师批阅意见：
成绩评定：
预习（20）
操作及记录（40）
报告（40）
总分
数据处理20
结果与讨论10
回答问题10
指导教师签字：
年月日
备注：
注：1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充。
2、教师批改学生实验报告时间应在学生提交实验报告时间后10日内。
已知电流表内阻约为983在正向特性曲线中为何要将电压表的最后二位调为零
得分
教师签名
批改日期
深圳大学实验报告
课程名称：大学物理实验B(1)
实验项目名称：Pn结与二极管
学院：
专业：
组号：指导教师：
报告人：学号：班级：
实验时间：
实验报告提交时间：
教务处制
实验目的
实验原理：
三、实验仪器：
四、实验内容和步骤：.
1、测定正向特性曲线
2、测定反向特性曲线
3、测绘Pn结正向压降随温度变化的曲线。
五、数据记录：
1、二极管的正向特性
V（V）
I（mA）
1.9999
V（V）
I（mA）
2、二极管的反向特性
V（6
1.6006
1.4006
1.2006
1.0006
0.8006
0.6006
0.4006