3二極管及其基本電路3.1半導體的基本知識3.3二極管3.4二極管的基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結的形成及特性13.1半導體的基本知識

3.1.1半導體材料

3.1.2半導體的共價鍵結構

3.1.3本征半導體

3.1.4雜質半導體2

3.1.1半導體材料根據物質導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs和一些硫化物、氧化物等。半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。半導體材料多以晶體的形式存在。3

3.1.2半導體的共價鍵結構晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子（束縛電子）。+4+4+4+4價電子4

3.1.3本征半導體本征半導體——完全純凈的、具有晶體結構的半導體。在絕對0度和沒有外界激發(fā)時，價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。+4+4+4+4價電子5

3.1.3本征半導體當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。但常溫下，通過本征激發(fā)產生的載流子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。+4+4+4+4價電子6價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。價電子自由電子+4+4+4+4空穴7+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。8本征半導體的導電機理當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流(1)自由電子作定向運動電子電流(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。

自由電子和空穴都是載流子。

自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。9半導體的導電特性（本征半導體的導電能力很差）摻雜性:

往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯增強。(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性:

當受到光照時，導電能力明顯變化

。(可做成各種光敏元件)熱敏性:

當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強。（可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)10

3.1.4雜質半導體

N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。在常溫下，本征半導體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導電能力相當?shù)?。在本征半導體中摻入微量的雜質元素，形成雜質半導體。雜質半導體的導電能力將大大提高。11

1.N型半導體（摻入五價元素）在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,

由本征激發(fā)形成。

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為N型半導體（電子半導體）。施主雜質122.P型半導體（摻入三價元素）在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由本征激發(fā)形成。摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為P型半導體(空穴半導體)。

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴雜質半導體對外是否顯電性？受主雜質13摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.45×1010/cm32本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

1以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

3摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質對半導體導電性的影響本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；摻入雜質后，導電能力大大增強。141.在雜質半導體中多子的數(shù)量主要與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質半導體中少子的數(shù)量主要與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：153.2PN結的形成及特性

3.2.1

PN結的形成

3.2.2

PN結的單向導電性

3.2.3

PN結的反向擊穿

3.2.4

PN結的電容效應16不論是P型半導體還是N型半導體，都只能看做是一般的導電材料，不具有半導體器件的任何特點。半導體器件的核心是PN結，是采取一定的工藝措施在一塊半導體基片的兩側分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結。各種各樣的半導體器件都是以PN結為核心而制成的，正確認識PN結是了解和運用各種半導體器件的關鍵所在。PN結17載流子的漂移與擴散漂移運動：

在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：

由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。18

3.2.1PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)即PN結19

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少載流子，所以也稱耗盡層。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)20PN結21

3.2.2

PN結的單向導電性PN結加正向電壓，即：P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，又稱為PN結正向偏置。PN結加反向電壓，即：P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極，又稱為PN結反向偏置。22

3.2.2

PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向擴散電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–232.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+24PN結變寬外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向漂移電流。IR–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向漂移電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.PN結加反向電壓（反向偏置）P接負、N接正反向漂移電流的大小是否與溫度有關？25PN結的伏安特性PN結具有單向導電性，即正向導通、反向截止。263.PN結V-I特性表達式其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）PN結的伏安特性27

3.2.3

PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆28

3.2.4

PN結的電容效應

1.勢壘電容CB勢壘電容示意圖292.擴散電容CD擴散電容示意圖303.3半導體二極管

3.3.1半導體二極管的結構

3.3.2二極管的伏安特性

3.3.3二極管的參數(shù)31

3.3.1半導體二極管的結構將PN結加上引線和封裝，就成為一個二極管。表示符號：P區(qū)引出的線稱為陽極（正極），用“a”表示；N區(qū)引出的線稱為陰極（負極），用“k”表示。k陰極陽極aD按結構分點接觸型面接觸型按材料分硅管鍺管按用途分普通管整流管…321.點接觸型二極管PN結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(a)點接觸型332.面接觸型二極管鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(b)面接觸型PN結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。343.平面型二極管陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(c)平面型往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。35硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓VBR正向壓降VF外加電壓大于死區(qū)電壓，二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓，二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.7V鍺0.2VvDiD死區(qū)電壓VthPN+–PN–+常溫下，反向電流很小

3.3.2二極管的伏安特性36硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性在工程實踐中，為什么硅二極管應用得較普遍？硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管的反向電流一般在微安(uA)級。37二極管的單向導電性

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。38

3.3.3二極管的參數(shù)1.最大整流電流IF2.反向擊穿電壓VBR二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。最高反向工作電壓VRM二極管反向擊穿時的電壓值。是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓VBR的一半或三分之二。鍺二極管2AP15的V-I特性——選擇二極管的依據393.正向壓降VF鍺二極管2AP15的V-I特性門坎電壓：

硅管0.5V，鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.7V,鍺管0.2V。門坎電壓Vth溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF大約減小2mV，即二極管具有負溫度系數(shù)。404.反向電流IR指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差。5.極間電容CJCJ=CD+

CB溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加。硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。413.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法423.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。43例：電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。

解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q點稱為電路的工作點，Q的坐標值（VD，ID）即為所求。44將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管V-I特性的簡化模型。

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.理想模型正向偏置時的電路模型反向偏置時的電路模型電源電壓遠大于二極管正向壓降45定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止如何利用二極管理想模型分析電路？分析方法：

將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低。若V陽>V陰(正向偏置)，二極管導通若V陽<V陰(反向偏置)，二極管截止

理想狀況下，正向導通時，二極管可視作短路；

反向截止時，二極管可視作斷路。46例：電路如圖(a)所示，輸入電壓vs=18sintV,二極管是理想的，試畫出輸出電壓vO的波形。vs18V在這里，二極管起整流作用。470V0V5V0VVCC5VRD1vI1vI2vOD25V5V0V0V5V例：電路如圖，利用理想模型求解，當vI1和vI2為0V或5

V時，求vI1和vI2的值各種組合情況下，輸出電壓vO的值。在這里，二極管用作開關元件。482.恒壓降模型正向管壓降硅管0.7V鍺管0.2ViD≈1mA或iD>1mA493.折線模型死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V50理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設例：電路如圖，R=10kΩ，二極管為硅二極管。分別用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解，當(1)VDD=10V，(2)VDD=1V時，ID和VD的值。

51恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設理想模型（R=10k）（2）VDD=1V時52例：限幅電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vi=6sintV時，繪出相應的輸出電壓vo的波形。

理想模型uO-+DVREFuI-+RuO-+VREFuI-+R53恒壓模型uO-+VFVREFuI-+RuO-+DVREFuI-+RuO-+VFVREFuI-+R544.小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內的V-I特性線性化，即以Q點為切點作一條直線，得到小信號模型。55二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）特別注意：

小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。

56如何利用二極管小信號模型分析電路？1、判斷二極管是否工作于正向導通狀態(tài)；2、分析電路的靜態(tài)工作情況，求得靜態(tài)工作點Q；3、根據靜態(tài)工作點Q計算出微變電阻rd；4、根據小信號模型的交流通路，計算出交流小信號作用下電路的交流電壓、電流；5、將交流量與靜態(tài)直流量疊加，得到電壓、電流總量。57小信號工作情況分析例：圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。5859

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。二極管的用途：整流、限幅、開關、低電壓穩(wěn)壓、檢波、鉗位、隔離、元件保護、溫度補償?shù)取?03.5特殊二極管

3.5.1穩(wěn)壓二極管

3.5.2光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管613.5.1穩(wěn)壓二極管表示符號：穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的作用。+-陰極陽極DZ621.伏安特性-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO1）正向特性：同普通二極管2）反向擊穿特性：a、反向擊穿特性曲線比普通二極管更陡一些，即較大的I較小的Vb、在一定的范圍內，反向擊穿具有可逆性穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，利用其反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。擊穿區(qū)-VZ0-IZT63-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQ2.簡化模型64(1)穩(wěn)定電壓VZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZT下，所對應的反向工作電壓。(2)最大穩(wěn)定工作電流IZ(max)3.主要參數(shù)最小穩(wěn)定工作電流IZ(min)-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZT若I<Iz(min)，則不能穩(wěn)壓若I>Iz(max)，則穩(wěn)壓管會過熱損壞65(3)動態(tài)電阻rZrZ=VZ/IZ(4)最大耗散功率

PZM(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ3.主要參數(shù)保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM=VZIZmax-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQrZ越小，說明穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性越好664.穩(wěn)壓電路并聯(lián)式穩(wěn)壓電路當電源波動或負載電流的變化引起Vo變化時：VOVZVO

=VI-VRIZIR=(IZ+IO)VR

=IRR正常穩(wěn)壓時：

VO=VZ穩(wěn)壓條