第2章放大器基本原理第1节晶体二极管

《电子电路学》参考书：1、模拟电子技术基础(第4版)，童诗白,华成英主编出版社:高等教育出版社ISBN:97870401892232、数字电子技术基础（第5版），阎石

主编出版社:高等教育出版社ISBN:9787302152019第二章放大器基本原理1、半导体基础知识及导电性2、PN结的形成及单向导电性3、半导体二极管的电压电流特性4、半导体二极管的应用5、稳压二极管第一节半导体二极管一、半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。导体:可在电场作用下流动自由电荷的物体。金属和合金一般都是导体，如金、银、铜、铁、铝、钨、镍铬等。绝缘体:不容易导电的物体叫绝缘体。如惰性气体、橡胶、陶瓷等。半导体:导电特性处于导体和绝缘体之间的物体。

半导体在室温下电阻率约在10-5～107•m之间。氖铝硅1.1导体、绝缘体和半导体表述：纯净的具有晶体结构的半导体称为

本征半导体。化学成分纯净的半导体；物理结构上呈单晶体结构。1.2本征半导体1.3.本征半导体导电方式

锗和硅的原子结构硅单晶中的共价键结构现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子数都是四个。把硅或锗材料制成单晶体时，原子组成金刚石晶体结构，每个原子周围有四个最邻近的原子。这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为这两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。硅晶体结构共价键共用电子对(1)

自由电子和空穴的形成当本征半导体受热或光照时，使其共价键中的价电子获得足够的能量后，电子脱离共价键的束缚，成为自由电子(带负电)，共价键中留下一个空位，称为“空穴”。这种现象称为本征激发(热“激发”)。空穴共价键共用电子对束缚电子自由电子自由电子与空穴成对出现，二者数目相等。(2)本征半导体中电流的形成电子电流：自由电子作定向运动所形成的电流；空穴电流：由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动。空穴自由电子本征半导体结构示意图空穴空穴本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。本征半导体的载流子

自由电子空穴导体的载流子：自由电子载流子：运载电荷的粒子自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，这种现象称为复合。在一定温度下，本征激发产生的载流子和复合的载流子，最终会达到动态平衡，使本征半导体内载流子浓度处于某一热平衡值。温度升高→热运动加剧→载流子浓度升高→导电性增强温度下降→导电性减弱1.4杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件。根据掺入的杂质元素的种类，可以分为N型半导体和P型半导体。控制掺入的杂质元素的浓度，可以控制杂质半导体的导电性能在硅(或锗)的晶体中掺入少量的五价元素(如磷元素)，原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，使得半导体中的自由电子数目大量增加，于是有：

自由电子数＞＞空穴数多数载流子少数载流子1.4.1

N型半导体磷原子的结构硅晶体掺磷后出现自由电子磷原子成为不能移动的带正电的离子。表述：以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子半导体或N型半导体。N型半导体杂质原子（磷原子）中的空位由于释放出了电子，成为不能移动的带正电的离子。自由电子施主原子在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素(如硼元素)，原来晶体中的某些硅原子被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电子，与相邻硅原子形成共价键时，将产生一个空位（空位为电中性）。硅原子的外层电子填补空位时，共价键中产生空穴。于是在半导体中就形成了大量空穴。自由电子数＜＜空穴数少数载流子多数载流子1.4.2P型半导体

硼原子的结构硅晶体掺硼后出现空穴空位硼原子成为不能移动的带负电的离子。P型半导体表述：以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体或

P型半导体。杂质原子（硼原子）中的空位由于接受了电子，成为不能移动的带负电的离子。空穴受主原子多子的浓度取决于掺入的杂质元素的浓度，受温度影响很小；少子的浓度取决于温度(热“激发”)。N型半导体多数载流子：自由电子少数载流子：空穴P型半导体多数载流子：空穴少数载流子：自由电子二、

PN结的形成PN结的形成过程

空间电荷区++++++++++++++++NP内电场U0PN结平衡状态下的电位分布综上可简述为：多子扩散形成PN结产生内电场

U0减少多子扩散运动加大少子漂移运动漂移及扩散运动达到动态平衡形成稳定的PN结PN结的形成过程PN结加正向电压空间电荷区变窄多子扩散运动↑少子漂移运动↓形成正向电流IF↑

PN结导通（

PN

结呈现

R↓)2.2PN结的单向导电性内电场

↓加正向电压(1)PN结加正向电压IFNP内电场U0U0-UF外电场(2)PN结加反向电压PN结加反向电压加反向电压内电场↑空间电荷区变宽多子扩散运动↓少子漂移运动↑反向电流IR↓

PN结截止（

PN

结反向R↑)NPU0IR内电场U0+UF外电场1.PN结具有单向导电性。2.加正向电压PN结导通

较大的正向电流

PN结电阻很低。3.加反向电压PN结截止

很小的反向电流漂移

PN结电阻很高。*

结论：

二极管加正向电压导通时，管压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关。

二极管加反向电压时截止，截止后反向电流几乎不随反向电压的增大而增大，且反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断打开的开关。3.1基本结构与符号基本结构：二极管按结构分有：点接触型、面接触型及平面型。(1)点接触型二极管点接触型半导体二极管结构示意图三、半导体二极管及其特性(2)面接触型二极管面接触型平面型(3)平面型二极管平面二极管，采用扩散法制成，用于大功率整流和开关管。二极管的电路符号3.2、

PN结的电压与电流关系3.1PN结的U-I关系式

式中：

IS—反向饱和电流

UT—

热电压，UT=kT/q，当T=300K时，UT≈26mV。REiuNPPN结PN结的U-I特性

∴当u=0时，i=0；当u>0，且u>>UT时，当u<0，且│u│>>UT时，

i≈-IS

，PN结反向截止。PN结的伏安特性曲线IS:反向饱和电流，越小越好开启电压开启电压（死区电压）,是由于外加电场很小，还不足以克服内电场的阻碍作用。此时多子的扩散还受到抑制作用，因此不能形成电流。3.3温度特性：

二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。为什么？3.4反向击穿特性

当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。

雪崩击穿：反向电压较高时(U>6V)，PN结中内电场较强，参加漂移的少子受到加速，与中性原子相碰，使价电子受激发产生新的电子空穴对，它们也被加速。形成链式反应，载流子浓度骤增，反向电流随之增大。3.5综述：

4）当时，若

uD

＞

UBR

，则D

反向击穿烧坏。3）当时，且

uD

＜

UBR

，有IR≈0，则D

截止；2）当时，且

uD＞Uth

，则D导通；1）二极管的U-I特性为非线性；锗二极管的伏安特性正向特性反向特性二极管动态电阻rd练习题

选择填空1.N型半导体中少数载流子是()；P型半导体中多数载流子是()。

A.自由电子B.空穴C.中子D.质子2.扩散电流的大小由()决定；漂移电流的大小由()决定.A.电子B.空穴C.掺杂浓度D.温度3.二极管两端加正向电压时，它的动态电阻随正向电流增加而()；

A.增大B.减小C.不变BBCDB3.6其他二极管发光二极管（LightEmittingDiode）光电二极管（Photo-Diode）

1.额定整流电流IF

表述：二极管工作与半波整流电路中，长期运行所允许通过的电流平均值。2.正向工作电压UF

表述：二极管工作与半波整流电路中，流过额定整流电流时，管子的电压平均值。3.最高反向工作电压UR

表述：保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。4.反向电流IR

表述：指室温下二极管加上规定的反向工作峰值电压时所对应的反向电流。5.反向击穿电压UBR

表述：使二极管反向被击穿所对应的反向峰值电压。3.7二极管主要参数

利用它的单向导电性，主要用于

1.整流：将交流变换为直流；

2.检波：从高频载波中检出调制信号；

3.限幅：将输出电压的幅度限制在一定范围内；

4.箝位及隔离；

5.元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。四、二极管的应用例1.在整流电路中的应用：将交流变换为直流；工作过程分析：*当u2

＞0(正半周)，D1、D3导通，D2、D4截止。

i1的通路是a→D1→RL→D3→b

;i1i2*当u2

＜0(负半周)，D2、D4

导通，D1、D3

截止。

i2

的通路是b→D2→RL→D4→a

;桥式整流电路输入的是正弦交流信号，输出加载在负载RL上的是脉动的直流电压和电流例2电路如图所示，已知ui＝10sinωt(v)，试画出ui与uO的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。

例3.限幅（削波）作用电路如图所示，求uo及画出波形，忽略二极管导通压降。解：1）当ui

＞E时，D导通；∴uo=UD

+E≈E

2)当ui

＜E时,D截止，∴uo=ui3)

画出波形限幅电路当ui

＞E时，D导通；uo=UD+E=E（忽略导通压降，UD=0）

当ui

＜E时,D截止，uo=ui限幅电路例4、电路如图所示，已知ui＝5sinωt(V)，二极管导通电压UD＝0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。例5二极管用于电压箝位D1、D2的导通压降均为0.7V0.7V0.7V0.7V3.7V五、稳压二极管分析：稳压管工作于反向击穿区。1）OA段:当0＜U＜UZ

时，IZ很小；2）AB段:当

U≥UZ

时，IZ很大，虽△IZ变化范围很大，但稳压管两端的电压△UZ变化很小；体现了稳压特性。5.1伏安特性稳定电压

UZ

：DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是

它的反向击穿电压。稳定电流IZ

：DZ在稳定电压下工作时管子中的工作电流。