第一章 半导体二极管及其应用电路

1、 第一章第一章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 半导体基础知识半导体基础知识 PN结结 半导体二极管半导体二极管 教学要求教学要求：1 1、了解半导体基础知识、了解半导体基础知识 2 2、掌握、掌握 教学重点：教学重点：1 1、PNPN结的形成及特性。结的形成及特性。 2 2、二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主、二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主 要参数；要参数； 3 3、二极管基本电路及其分析方法与应用。、二极管基本电路及其分析方法与应用。 教学难点教学难点：半导体二极管的基本特性半导体二极管的基本特性 第一章第一章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用

2、电路 第一章第一章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 关键词：关键词：“管为路用管为路用” 在这一章将着重阐述一些基本在这一章将着重阐述一些基本 概念。概念。 对于半导体器件，必须本着对于半导体器件，必须本着“管为路用管为路用” 的原的原 则，重点阐述器件的外部特性，以便我们在研究则，重点阐述器件的外部特性，以便我们在研究 电路工作原理时能正确使用和合理选择这些器件。电路工作原理时能正确使用和合理选择这些器件。 “管管”即：即：二极管二极管、 、晶体管晶体管等半导体器等半导体器 件件 “路路”即：即：电路电路 1-1 1-1 半导体基础知识半导体基础知识 半导体及其特性半导体及

3、其特性 半导体半导体的的结构结构 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 1. 导体：导体：电阻率电阻率 109 cm 物质。如橡胶、物质。如橡胶、 塑料等。塑料等。 3. 半导体：半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物导电性能介于导体和半导体之间的物 质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅( (Si) )和锗和锗 ( (Ge) )。 半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。 1-1 1-1 半导体基础知识半导体基础知识 半导体的特性半导体的特性 本征半导体：本征半导体： 纯净的具有晶体结构的纯净的具有晶体结构的鍺鍺

4、、硅、硒、硅、硒 下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回 半导体的导电特性：半导体的导电特性： ( (可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻) )。 掺杂性掺杂性：纯净的半导体中掺入微量某些杂质，导电纯净的半导体中掺入微量某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变( (可做成各种不同用途的半导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）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。 光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 ( (可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光

5、敏三极管等管、光敏三极管等) )。 热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 本征半导体本征半导体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个(4 价元素价元素)。 Ge Si 硅原子硅原子 锗原子锗原子 +4+4 硅和锗最外层轨道上硅和锗最外层轨道上 的四个电子称为的四个电子称为价电子价电子。 硅原子结构硅原子结构 图图 硅原子结构硅原子结构 ( (a) )硅的原子结构图硅的原子结构图 最外层电子

6、称最外层电子称价电子价电子 价电子价电子 锗原子也是锗原子也是 4 价元素价元素 4 价元素的原子常常用价元素的原子常常用 + 4 电荷的正离子和周围电荷的正离子和周围 4 个价电子表示。个价电子表示。 +4 ( (b) )简化模型简化模型 硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四 面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间 形成形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电

7、子。 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构 共价键共共价键共 用电子对用电子对 +4+4 +4 +4 +4+4表示除表示除 去价电子去价电子 后的原子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价 键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难 脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体 中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电 能力很弱。能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成化学上的稳定结构。子是八个，构成化

8、学上的稳定结构。 共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 多硅晶块多硅晶块 硅原料硅原料 高温下加工提炼、分离高温下加工提炼、分离 、冷却、冷却 单晶炉单晶炉单晶棒单晶棒 高温、提拉、冷却高温、提拉、冷却 晶片晶片 通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成 晶体晶体。 化学成分完全纯净的化学成分完全纯净的,具有晶体结构的半导体，具有晶体结构的半导体， 称为称为本征半导体本征半导体。（。（制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.999

9、9999%99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”9”）。）。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 束缚电子束缚电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4+4 在绝对温度在绝对温度T=0K时，时， 所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不 会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本 征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。，接近绝缘体。 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.99

10、99999%， 常称为常称为“九个九个9”。 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到光的当温度升高或受到光的 照射时，束缚电子能量增照射时，束缚电子能量增 高，有的电子可以挣脱原高，有的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参与导电子核的束缚，而参与导电 ，成为，成为自由电子自由电子。 自由电子自由电子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空穴 自由电子产生的同自由电子产生的同 时，在其原来的共价键时，在其原来的共价键 中就出现了一个空位，中就出现了一个空位， 称为称为空穴空穴。 可见本征激发同

11、时产生电子可见本征激发同时产生电子 空穴对。空穴对。外加能量越高外加能量越高（温度温度 越高），产生的电子空穴对越越高），产生的电子空穴对越 多。多。 与本征激发相反的现象与本征激发相反的现象复合复合 在一定温度下，本征激发和复在一定温度下，本征激发和复 合同时进行，达到动态平衡。合同时进行，达到动态平衡。 电子空穴对的浓度一定。电子空穴对的浓度一定。 常温常温300K时：时： 电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度 硅：硅： 3 10 cm 104 . 1 锗：锗： 3 13 cm 105 . 2 自由电子自由电子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空穴 电子空穴对电子空穴对

12、1.当半导体处于热力学温度当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自时，半导体中没有自 由电子由电子,所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 ，不会成为，不会成为自由电子自由电子，因此本征半导体的导电能力很因此本征半导体的导电能力很 弱，接近绝缘体。弱，接近绝缘体。 2.当当温度升高或受到光的照射温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，时，价电子能量增高， 有极少数的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导有极少数的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导 电，成为电，成为自由电子自由电子。 3.自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现自由电子产生的同

13、时，在其原来的共价键中就出现 了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性， 其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为的这个空位为空穴空穴。空穴运动相当于正电荷的运动。空穴运动相当于正电荷的运动 这一现象称为这一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发 。 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 +4+4 +4 +4 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 自由电子自由电子 空穴空穴 束缚电子束缚电子 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴

14、是 同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部。游离的部 分自由电子也可能回到空穴中去，称为分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，复合， 如图所示。如图所示。 激发 复合 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程 本征激发与复合 本本 征征 半半 导导 体体 的的 导导 电电 机机 理理 自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流 载流子载流子 空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流 空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动 自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4+4 自由电子自由电子 E 总电流总电流载

15、流子载流子 空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 导电机制：导电机制： 在半导体中，同时存在着电子导电和空穴在半导体中，同时存在着电子导电和空穴 导电，这是导电，这是半导体导电方式的最大特点半导体导电方式的最大特点，也是，也是 半导体和金属在导电原理上的本质差别。半导体和金属在导电原理上的本质差别。 当半导体两端加上外电压时当半导体两端加上外电压时,半导体中将半导体中将 出现两部分电流出现两部分电流: 1、自由电子作定向运动所形成的

16、、自由电子作定向运动所形成的电子电流电子电流, 2、应被原子核束缚的价电子、应被原子核束缚的价电子(注意注意,不是自由不是自由 电子）递补空穴所形成的电子）递补空穴所形成的空穴电流空穴电流。 自由电子和空穴都成为载流子。自由电子和空穴都成为载流子。 本征半导体中的自由电子和空穴总是本征半导体中的自由电子和空穴总是 成对出现的，同时又不断地复合。在一成对出现的，同时又不断地复合。在一 定温度下，载流子的产生和复合达到动定温度下，载流子的产生和复合达到动 态平衡，于是半导体中的载流子（自由态平衡，于是半导体中的载流子（自由 电子和空穴）边维持一定数目。温度越电子和空穴）边维持一定数目。温度越 高，

17、载流子数目越多，导电性能也就越高，载流子数目越多，导电性能也就越 好。所以，好。所以，温度对半导体器件性能的影温度对半导体器件性能的影 响很大。响很大。 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 Si Si Si Si p+ 多多 余余 电电 子子 磷原子磷原子 在常温下即可在常温下即可 变为自由电子变为自由电子 失去一个失去一个 电子变为电子变为 正离子正离子 Si Si Si Si B 硼原子硼原子 空穴空穴 杂质半导体：杂质半导体： 掺入少量杂质的半导体掺入少量杂质的半导体 下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回 多余电子多余电子 磷原子磷原子 硅原子硅原子 +4 +4 +4+4

18、 +4 +4 +4 +4 +5 多数载流子多数载流子自由电子自由电子 少数载流子少数载流子 空穴空穴 + + + + + + + + + + + + N N型半导体型半导体 施主离子施主离子 自由电子自由电子 电子空穴对电子空穴对 1.N1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 空穴空穴 硼原子硼原子 硅原子硅原子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 多数载流子多数载流子 空穴空穴 少数载流子少数载流子自由电子自由电子 P型半导体 受主离子受主离子 空穴空穴 电子空穴对电子空穴对 2.P2.P型半导体型半

19、导体 杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图 + + + + + + + + + + + + N N型半导体型半导体 多子多子电子电子 少子少子空穴空穴 P P型半导体型半导体 多子多子空穴空穴 少子少子电子电子 少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关 多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关 总总 结结 1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提 供的电子，本征半导体中受激发产生的电子只占供的电子，本征半导体中受激发产生的电子只占 少数。少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的移动也型半导体中空穴是少子，少子的移动也 能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的

20、主能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主 要是多子。要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。 2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。 下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回 N 型半导体（电子型半导体）型半导体（电子型半导体） 形成：向本征半导体中掺入少量的形成：向本征半导体中掺入少量的 5 价元素价元素 特点：特点：（a）含有）含有大量的电子大量的电子多多数载流数载流子子 （b）含有）含有少量的空穴少量的空穴少少数载流数载流子子 无论无论N型或型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。

21、P 型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体） 形成：向本征半导体中掺入少量的形成：向本征半导体中掺入少量的 3 价元素价元素 特点：特点：（a）含有）含有大量的空穴大量的空穴多多数载流数载流子子 （b）含有）含有少量的电子少量的电子少少数载流数载流子子 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在 电场的作用下产生的运动。其运动产生的电场的作用下产生的运动。其运动产生的 电流方向一致。电流方向一致。 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形 成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产 生扩散运动。

22、生扩散运动。 载流子的运动载流子的运动 内电场E 因多子浓度差因多子浓度差 形成内电场形成内电场 多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。 PNPN结合结合 + + + + + + + P型半导体 + + N型半导体 + + 空间电荷区空间电荷区 多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流 耗尽层耗尽层 1 . PN结的形成结的形成 1-2 PN 1-2 PN 结结 少子飘移少子飘移 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E P型半导体

23、+ + N型半导体 + + + + + + + 内电场E 多子扩散电流多子扩散电流 少子漂移电流少子漂移电流 耗尽层耗尽层 动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0 势垒势垒 UO 硅硅 0.5V 锗锗 0.1V 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 PN结的形成过程结的形成过程 当漂移运动与扩散运动达到动态平衡时，空间电当漂移运动与扩散运动达到动态平衡时，空间电 荷区便稳定下来，荷区便稳定

24、下来，PN结形成。结形成。 1、空间电荷区中没有载流子，、空间电荷区中没有载流子， 所以电阻率很高。所以电阻率很高。“耗尽层耗尽层” 2、空间电荷区中内电场、空间电荷区中内电场阻碍阻碍P中的空穴、中的空穴、 N中的电子（都是中的电子（都是多子多子）向对方运动）向对方运动 （扩散运动扩散运动）。）。“阻挡层阻挡层” 3、空间电荷区中内电场、空间电荷区中内电场推动推动P中的电子和中的电子和 N中的空穴（都是中的空穴（都是少子少子）向对方运动）向对方运动 （漂移运动漂移运动） 。 请注意请注意 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 (1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P

25、区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动 多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F + + + + + + + P型半导体 + + N型半导体 + + W E R 空间电荷区 内电场E 正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动 少子漂移形成反

26、向电流少子漂移形成反向电流I I R R + + 内电场 + + + + E + EW + 空 间 电 荷 区 + R + + I R PN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本 征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是 一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外 加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以 称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR 与温度有关。与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流

27、，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导 电性。电性。 3. PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图 正偏正偏 IF（多子扩散）（多子扩散） IR（少子漂移）（少子漂移） 反偏反偏 反向饱和电流反向饱和电流 反向击穿电压反向击穿电压 反向击穿反向击穿 热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结 电击穿电击穿可逆可逆 )1(e T S - U u Ii 根据理论分析：根据理论分析： u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降 i 为流过为

28、流过PN结的电流结的电流 IS 为反向饱和电流为反向饱和电流 UT =kT/q ，称为温度的电压，称为温度的电压 当量当量 其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.3810 23 q 为电子电荷量为电子电荷量1.610 9 T 为热力学温度，对于室温为热力学温度，对于室温 （相当（相当T=300 K） 则有则有UT=26 mV。 当当 u0 uUT时时 1e T U u T e S U u Ii 当当 u|U T |时时 1e T - U u S Ii- 4. PN结的电容效应结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应 地随之改变，即地随

29、之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化结中存储的电荷量要随之变化 ，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容势垒电容CB 空空间间电电荷荷区区 W + + + R + E + + P N (2) 扩散电容扩散电容CD 当外加正向电压不当外加正向电压不 同时，同时，PN结两侧堆结两侧堆 积的少子的数量及浓积的少子的数量及浓 度梯度也不同，这就度梯度也不同，这就 相当电容的充放电过相当电容的充放电过 程程。 + N P pL x 浓浓度度分分布布 耗耗尽尽层层NP 区区 区区中中空空穴穴 区区中中电电子子 区区 浓浓度度分分布布 nL 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来

30、电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容（结电容）极间电容（结电容） 5 5、PNPN结的形成过程、主要特性、主要特性的描述方式结的形成过程、主要特性、主要特性的描述方式 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线 NP 结构结构 符号符号 阳极阳极 + 阴极阴极 - 1-3 1-3 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = 一个一个PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线 NP 结构结构 符号符号 阳极阳极 + 阴极阴极 - 半导体二极管半导体二极管 的几种常用结构的几种常用结构 二极管的一般符号二极管的一般符号 二极管的符号二极管的符号 发光二极管发光二极管 稳压二极管

31、稳压二极管 光电二极管光电二极管 变容二极管变容二极管 隧道二极管隧道二极管 温度效应温度效应 二极管二极管 t 双向击穿二极管双向击穿二极管 磁敏二极管磁敏二极管 体效应二极管体效应二极管 双向二极管双向二极管 交流开关二极管交流开关二极管 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类： (1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。 N型 锗 正 极 引 线 负 极 引 线 外 壳 金 属 触 丝 (3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，

32、用结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。 (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于结面积大，用于 工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。 SiO2 正极引线 负极引线 N型硅 P型硅 负 极 引 线 正 极 引 线 N型 硅 P型 硅 铝 合 金 小 球 底 座 半导体二极管的型号半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2AP9 用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管

33、。 代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型G， C为为N型型Si， D为为P型型Si。 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 半导体二极管图片半导体二极管图片 二极管的命名二极管的命名 我国国产半导体器件的命名方法采用国家 GB249-74标准。 二极管的命名二极管的命名 二极管的检测与判别二极管的检测与判别 一、判别方法： 识别法：通过二极管管壳上的符号、标 志来识别.例如有标记的一端一般为N极. 检测法：用万用表的欧姆档，量程为 R100或R1k档测量其正反向电阻 （一般不用R1档，因为电流太大；而 R10k档的电压太高，管子有被击穿 的危险）. 二

34、极管的检测与判别二极管的检测与判别 二极管的检测与判别二极管的检测与判别 二、检测法判别步骤 （1）二极管好坏的判别 若测得的反向电阻很大（几百千欧以上 ），正向电阻很小（几千欧以下），表 明二极管性能良好。 若测得的反向电阻和正向电阻都很小， 表明二极管短路，已损坏。 若测得的反向电阻和正向电阻都很大， 表明二极管断路，已损坏。 二极管的检测与判别二极管的检测与判别 （2）二极管正、负极性的判断 将万用表红、黑表笔分别接二极 管的两个电极，若测得的电阻值很小 （几千欧以下），则黑表笔所接电极 为二极管正极，红表笔所接电极为二 极管的负极；若测得的阻值很大（几 百千欧以上），则黑表笔所接电极为

35、 二极管负极，红表笔所接电极为二极 管的正极。 半导体二极管的半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V (1) 正向特性正向特性 导通压降导通压降 反向饱和电流反向饱和电流 (2) 反向特性反向特性 死区死区 电压电压 i u 0 击穿电压击穿电压UBR 实验曲线：实验曲线： u E i V mA u E i V uA 锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V 伏安特性伏安特性(与与PN结一样，具有单向导电性结一样，具有单向导电性) U I 死区（开启死区（开启U UON ON）电压 ）电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。 导通电压降导通电压降: :

36、 硅管硅管0.60.8V, 锗管锗管0.10.3V 。 反向击穿电反向击穿电 压压U(BR) 死区死区 电压电压 正向正向 反向反向 外电场不足以克服外电场不足以克服 内电场内电场,电流很小电流很小 外电场不足以克服外电场不足以克服 内电场内电场,电流很小电流很小 (1) 正向特性正向特性 u E i V mA (2) 反向特性反向特性 u E i V uA P N + P N + U I 死区电压死区电压 硅管硅管 0.5V,锗管锗管0.1V 。 导通压降导通压降: : 硅硅 管管0.60.7V,锗锗 管管0.10.3V。 反向击穿电反向击穿电 压压U(BR) 死区死区 电压电压 正向正向

37、反向反向 当外加电压大于死区当外加电压大于死区 电压内电场被大大减电压内电场被大大减 削弱削弱,电流增加很快电流增加很快 。 U I 死区电压死区电压 硅管硅管 0.5V,锗管锗管0.1V 。 导通压降导通压降: : 硅硅 管管0.60.7V,锗锗 管管0.20.3V。 反向击穿电反向击穿电 压压U(BR) 死区死区 电压电压 反向反向 由于少子的漂移运动形成很由于少子的漂移运动形成很 小的反向电流小的反向电流,且且U U(BR)时时,其反向电其反向电 流突然增大流突然增大,反向击穿。反向击穿。 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响 在环境温度

38、升高时，二极管的正向特性将在环境温度升高时，二极管的正向特性将 ？移？移 ，反向特性将？移。，反向特性将？移。 二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 温度增加温度增加 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF 二极管长期连续工作时，二极管长期连续工作时， 允许通过二极管的最大允许通过二极管的最大 整流电流的平均值。整流电流的平均值。 (2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流 急剧增加时对应的反向急剧

39、增加时对应的反向 电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿 电压电压UBR。 (3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在级；锗二极管在 微安微安( A)级。级。 主要参数主要参数 1）最大整流电流）最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，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）最高反向工作电压UR 3）反向电流）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

40、流大，说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 向电流要大几十到几百倍。向电流要大几十到几百倍。 4)最高工作频率最高工作频率fM 在实际应用中，应根据管子所用的场合，按在实际应用中，应根据管子所用的场合，按 其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、 工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二工作频率、

41、环境温度等条件，选择满足要求的二 极管。极管。 P N + P N + 总总 结结 二极管的等效电路二极管的等效电路 1. 将伏安特性折线化将伏安特性折线化 理想理想 二极管二极管 近似分析近似分析 中最常用中最常用 理想开关理想开关 导通时导通时 UD0 截止时截止时IS0 导通时导通时UDUon 截止时截止时IS0 导通时导通时i与与u成成 线性关系线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！ 理想理想 模型模型 恒压降模型恒压降模型 折线模型折线模型 D T D D d I U i u r 根据电流方程， Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基

42、础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。 ui=0时直流电源作用时直流电源作用 小信号作用小信号作用 静态电流静态电流 2. 微变等效电路微变等效电路( (低频交流小信号作用下的等效电路低频交流小信号作用下的等效电路) ) 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态 导通截导通截 止止 若二极管是理想的，若二极管是理想的， 例例1：D 6V 12V 3k B A UAB + 二极管的钳位作用是指利用二极管正向导通压降相对稳定，且

43、二极管的钳位作用是指利用二极管正向导通压降相对稳定，且 数值较小数值较小(有时可近似为零有时可近似为零)的特点，来限制电路中某点的电位。的特点，来限制电路中某点的电位。 2、 ? 例例2: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + kR6V VDD 6 uDiD 解：解： 理想模型理想模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在，加在二极管阳极的电位高于加在 二极管阴极的电位，二极管导通。二极管阴极的电位，二极管导通。 V VDD 6 V uD 0 mAR Vi DDD 166 10 3 例例3 电路如图所示，电路如图所示， ， 。试分别用理。试分别用理 想模型

44、和恒压降模型，求解电路的想模型和恒压降模型，求解电路的 和和 的值的值 。 V VDD 6 V uD 7 . 0 mAR Vi DDD 88. 0 10 67 . 067 . 0 3 - ，加在二极管阳极的电位高于加在二 极管阴极的电位，二极管导通。 解：恒压降模型 ： 例例4 电路如图所示，假设图中的二极管是理想的电路如图所示，假设图中的二极管是理想的 ，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电 压。压。 解：二极管解：二极管D导通，输导通，输 出电压出电压 。V U 3 O1 二极管二极管D截止，输出截止，输出 电压电压 。 V U 5 O2 b.

45、V5V时，判断出二极管时，判断出二极管D导通导通,直流电直流电 流为流为 mA8 . 8A) 500 0.65 ( D D - - R UV I c.V=10V时时 ， mA8 .18A) 500 0.6-10 ( D - R UV I D 1. V2V、5V、10V时二极管中的直流时二极管中的直流 电流各为多少？电流各为多少？ mA8 . 2A) 500 0.62 ( D D - - R UV I a.V2V时，判断出二极管时，判断出二极管D导通导通,直流电流直流电流 为为 二极管导通电压UD 为0.6V, UT=26mV 二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算 例：例： I

46、R 10V E 1k ) 1(e T S - U u Ii D非线性器件非线性器件 i u 0 i u RLC线性器件线性器件 Riu 二极管的模型二极管的模型i u D U + - u i D U D U 串联电压源模型串联电压源模型 D Uu D Uu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。 理想二极管模型理想二极管模型 u i 正偏正偏反偏反偏 - + iu 导通压降导通压降 二极管的二极管的VA特性特性 - + iu i u 0 二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算 I R 10V E 1k I R 10V E 1k 例：例：串联电压

47、源模型串联电压源模型 mA3 . 9 K1 V)7 . 010( - I 测量值测量值 9.32mA 相对误差相对误差 0 0 0 0 2 . 0100 32. 9 9.332. 9 - 理想二极管模型理想二极管模型 R I 10V E 1k mA10 K1 V10 I 相对误差相对误差 0 0 0 0 7100 32. 9 32. 910 - 0.7V 例：例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V， 输入信号为输入信号为ui。 (1) 若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想 二极管串联电

48、压源模型计算电流二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo + - - + U I u REF R i uO 解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。 mA2 k1 2VV4 REFi - - R Uu I V2 REFo Uu mA31 k1 V702VV4 DREFi . . R UUu I - - 2.7V0.7VV2 DREFo UUu （2 如果如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所示，）所示， 分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分别采用理

49、想二极管模型和理想二极管串联电压源模型 分析电路并画出相应的输出电压波形。分析电路并画出相应的输出电压波形。 + - - + U I u REF R i uO 解：解：采用理想二极管采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。 0 -4V 4V ui t 2V 2V uo t 0 2.7V uo t 0 -4V 4V ui t 2.7V 采用理想二极管串联采用理想二极管串联 电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形 如图所示。如图所示。 + - - + U I u REF R i uO 若输入电压的有效值为若输入电压的有效值为20mV，f=1kHz的正弦波，则上述各种的正弦

50、波，则上述各种 情况下二极管中的交流电流的有效值各为多少？情况下二极管中的交流电流的有效值各为多少？ d i d D T D D d r U I I U i u r ， a.V2V，ID2.8mA 2.15mAmA) 3 . 9 20 (3 . 9) 8 . 2 26 ( dd Ir， b.V5V，ID 8.8mA 6.77mAmA) 95. 2 20 (95. 2) 8 . 8 26 ( dd Ir， c.V10V，ID 18.8mA 14.5mAmA) 38. 1 20 (38. 1) 8 .18 26 ( dd Ir， 在伏安特性上，在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！点越高，

51、二极管的动态电阻越小！ 二极管基本应用电路二极管基本应用电路 二极管在低频和高频以及数字电路均有广泛的应二极管在低频和高频以及数字电路均有广泛的应 用。用。 以下主要介绍二极管在低频电路的几种应用。以下主要介绍二极管在低频电路的几种应用。 二极管几种基本应用 整流电路整流电路 限幅电路限幅电路 电平选择电路电平选择电路 （1）工作原理）工作原理 u2的正半周，的正半周，D导通，导通， ADRLB，uO= u2 。 2 u - - - 2 u u2的负半周，的负半周，D截止，承受反向电压，为截止，承受反向电压，为u2； ； uO=0。 。 基本应用电路基本应用电路 1、整流电路、整流电路 整流电

52、路是利用二极管的单向导电整流电路是利用二极管的单向导电 作用，将交流电变成直流电的电路作用，将交流电变成直流电的电路 。 半波整流电路半波整流电路 改变电路及二极管的接入方式改变电路及二极管的接入方式,可得不同波形。可得不同波形。 基本应用电路基本应用电路 全波整流电路全波整流电路 牢记牢记全波整流全波整流电路下列电路下列2个电路特征：个电路特征： （1）一组全波整流电路中使用两只整流二极管；）一组全波整流电路中使用两只整流二极管； （2）电源变压器次级线圈必须有中心抽头）电源变压器次级线圈必须有中心抽头。 二极管限幅电路二极管限幅电路 又称为：又称为：“削波电路削波电路”, 能够把输入电压变

53、化范围加以限制，常能够把输入电压变化范围加以限制，常 用于波形变换和整形。用于波形变换和整形。 例：例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k， UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、 理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo + - - + U I u REF R i uO 解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。 mA2 k1 2V

54、V4 REFi - - R Uu I V2 REFo Uu mA31 k1 V702VV4 DREFi . . R UUu I - - 2.7V0.7VV2 DREFo UUu （2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所 示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模 型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。 + - - + U I u REF R i uO 解：解：采用理想二极管采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。 0 -4V

55、4V ui t 2V 2V uo t 0 2.7V uo t 0 -4V 4V ui t 2.7V 采用理想二极管串联采用理想二极管串联 电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形 如图所示。如图所示。 + - - + U I u REF R i uO V sin18 i tu t 二极管限幅电路及波形（图）二极管限幅电路及波形（图） 2.7V 二极管电平选择电路 能够从多路输入信号中选出最低电平或 最高电平的电路称为电平选择电路。 二极管电平选择电路（图） 1、输入、输入u1、u2，加入方波信号，加入方波信号,二二 极管的导通电压极管的导通电压UON=0.7v 2、 E为电源，为为电源，为5V

56、电压。电压。 3、看输出看输出u0的变化情况的变化情况 以上为低电平选择电路以上为低电平选择电路 。 特殊二极管特殊二极管 硅稳压二极管 光电二极管和光电池 发光二极管 100 稳压管是特殊的稳压管是特殊的面接触型面接触型半导体半导体硅二极管硅二极管, 其其反向击穿是可逆的反向击穿是可逆的,且反向电压较稳定。且反向电压较稳定。 稳压二极管及其应用电路稳压二极管及其应用电路 稳压二极管正是利用稳压二极管正是利用PN结的结的“反向击穿特性反向击穿特性” 。 稳压二极管可用于限幅和稳压稳压二极管可用于限幅和稳压 。 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是一种特殊工艺制造的结面 型硅二极管,通常工作在反向

57、击穿状态. V-I特性和符号 当稳压二极管工作在反当稳压二极管工作在反 向击穿状态下向击穿状态下,工作电流工作电流 IZ在在Izmax和和Izmin之间变化之间变化 时时,其两端电压近似为常其两端电压近似为常 数数 稳定稳定 电压电压 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管 + - D Z i u U Z I U I zmin I zmax 正向同二正向同二 极管极管 反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿 UZ 限流电阻限流电阻 103 稳压二极管符号及其稳压二极管符号及其伏安特性曲线伏安特性曲线 稳压误差稳压误差 曲线越曲线越

58、 陡，电陡，电 压越稳压越稳 定。定。 - + - - IZmin iZ /mA uZ/V O - -UZ - - IZmax UZ IZ - - IZ 稳压二极管的特性稳压二极管的特性 工作条件：反向击穿工作条件：反向击穿 正向同正向同 二极管二极管 稳定稳定 电压电压 双向稳压管符号（图） - + 当稳压二极管工作在反向击穿状当稳压二极管工作在反向击穿状 态下态下,工作电流工作电流IZ在在Izmax和和Izmin之之 间变化时间变化时,其两端电压近似为常数其两端电压近似为常数. L Rv稳压管应与负载电阻稳压管应与负载电阻并联并联 。 v应采取限流措施，以防热击穿。应采取限流措施，以防热击

59、穿。 v外加电源正极接外加电源正极接N区，负极接区，负极接P区区。 稳压二极管稳压二极管 稳压管的主要参数 （1）稳定电压UZ （2）最小稳定电流IZmin （3）最大稳定电流IZmax （4）额定功耗PZ （5）动态电阻rZ （6）温度系数z 稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压）稳定电压 UZ （2）电压温度系数）电压温度系数 （%/） 稳压值受温度变化影响的系数。稳压值受温度变化影响的系数。 （3）动态电阻）动态电阻 Z Z I U Z r （4）稳定电流）稳定电流IZ （5）最大允许功耗）最大允许功耗 maxZZZM IUP 稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数

60、 (1) 稳定电压稳定电压UZ (2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。 i u U Z I U I zmin I