电子技术基础(第五版)康华光03 半导体二极管及其基本电路

3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性13.1半导体的基本知识

3.1.1半导体材料

3.1.2半导体的共价键结构

3.1.3本征半导体

3.1.4杂质半导体2

3.1.1半导体材料根据物质导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。半导体材料多以晶体的形式存在。3

3.1.2半导体的共价键结构晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子（束缚电子）。+4+4+4+4价电子4

3.1.3本征半导体本征半导体——完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在绝对0度和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。+4+4+4+4价电子5

3.1.3本征半导体当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。但常温下，通过本征激发产生的载流子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。+4+4+4+4价电子6价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。价电子自由电子+4+4+4+4空穴7+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。8本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意：温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。

自由电子和空穴都是载流子。

自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。9半导体的导电特性（本征半导体的导电能力很差）掺杂性:

往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显增强。(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）。光敏性:

当受到光照时，导电能力明显变化

。(可做成各种光敏元件)热敏性:

当环境温度升高时，导电能力显著增强。（可做成温度敏感元件，如热敏电阻)10

3.1.4杂质半导体

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。在本征半导体中掺入微量的杂质元素，形成杂质半导体。杂质半导体的导电能力将大大提高。11

1.N型半导体（掺入五价元素）在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,

由本征激发形成。

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为N型半导体（电子半导体）。施主杂质122.P型半导体（掺入三价元素）在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由本征激发形成。掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为P型半导体(空穴半导体)。

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴杂质半导体对外是否显电性？受主杂质13掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

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

1以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

3掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；掺入杂质后，导电能力大大增强。141.在杂质半导体中多子的数量主要与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量主要与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba思考题：153.2PN结的形成及特性

3.2.1

PN结的形成

3.2.2

PN结的单向导电性

3.2.3

PN结的反向击穿

3.2.4

PN结的电容效应16不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体基片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。PN结17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。18

3.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区即PN结19

在一块本征半导体在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:

因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少载流子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区20PN结21

3.2.2

PN结的单向导电性PN结加正向电压，即：P区接电源正极，N区接电源负极，又称为PN结正向偏置。PN结加反向电压，即：P区接电源负极，N区接电源正极，又称为PN结反向偏置。22

3.2.2

PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向扩散电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–232.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+24PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向漂移电流。IR–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向漂移电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正反向漂移电流的大小是否与温度有关？25PN结的伏安特性PN结具有单向导电性，即正向导通、反向截止。263.PN结V-I特性表达式其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）PN结的伏安特性27

3.2.3

PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆28

3.2.4

PN结的电容效应

1.势垒电容CB势垒电容示意图292.扩散电容CD扩散电容示意图303.3半导体二极管

3.3.1半导体二极管的结构

3.3.2二极管的伏安特性

3.3.3二极管的参数31

3.3.1半导体二极管的结构将PN结加上引线和封装，就成为一个二极管。表示符号：P区引出的线称为阳极（正极），用“a”表示；N区引出的线称为阴极（负极），用“k”表示。k阴极阳极aD按结构分点接触型面接触型按材料分硅管锗管按用途分普通管整流管…321.点接触型二极管PN结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型332.面接触型二极管铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型PN结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。343.平面型二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。35硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压VBR正向压降VF外加电压大于死区电压，二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.7V锗0.2VvDiD死区电压VthPN+–PN–+常温下，反向电流很小

3.3.2二极管的伏安特性36硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性在工程实践中，为什么硅二极管应用得较普遍？硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管的反向电流一般在微安(uA)级。37二极管的单向导电性

1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。38

3.3.3二极管的参数1.最大整流电流IF2.反向击穿电压VBR二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。最高反向工作电压VRM二极管反向击穿时的电压值。是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压VBR的一半或三分之二。锗二极管2AP15的V-I特性——选择二极管的依据393.正向压降VF锗二极管2AP15的V-I特性门坎电压：

硅管0.5V，锗管0.1V。导通压降:硅管0.7V,锗管0.2V。门坎电压Vth温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF大约减小2mV，即二极管具有负温度系数。404.反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差。5.极间电容CJCJ=CD+

CB温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。413.4

二极管基本电路及其分析方法

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法

3.4.1简单二极管电路的图解分析方法423.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。43例：电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。

解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线

Q点称为电路的工作点，Q的坐标值（VD，ID）即为所求。44将指数模型分段线性化，得到二极管V-I特性的简化模型。

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.理想模型正向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型电源电压远大于二极管正向压降45定性分析：判断二极管的工作状态导通截止如何利用二极管理想模型分析电路？分析方法：

将二极管断开，分析二极管两端电位的高低。若V阳>V阴(正向偏置)，二极管导通若V阳<V阴(反向偏置)，二极管截止

理想状况下，正向导通时，二极管可视作短路；

反向截止时，二极管可视作断路。46例：电路如图(a)所示，输入电压vs=18sintV,二极管是理想的，试画出输出电压vO的波形。vs18V在这里，二极管起整流作用。470V0V5V0VVCC5VRD1vI1vI2vOD25V5V0V0V5V例：电路如图，利用理想模型求解，当vI1和vI2为0V或5

V时，求vI1和vI2的值各种组合情况下，输出电压vO的值。在这里，二极管用作开关元件。482.恒压降模型正向管压降硅管0.7V锗管0.2ViD≈1mA或iD>1mA493.折线模型死区电压硅管0.5V锗管0.1V50理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压降模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设例：电路如图，R=10kΩ，二极管为硅二极管。分别用理想模型、恒压降模型和折线模型求解，当(1)VDD=10V，(2)VDD=1V时，ID和VD的值。

51恒压降模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设理想模型（R=10k）（2）VDD=1V时52例：限幅电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vi=6sintV时，绘出相应的输出电压vo的波形。

理想模型uO-+DVREFuI-+RuO-+VREFuI-+R53恒压模型uO-+VFVREFuI-+RuO-+DVREFuI-+RuO-+VFVREFuI-+R544.小信号模型vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。vs=Vmsint时（Vm<<VDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，即以Q点为切点作一条直线，得到小信号模型。55二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）特别注意：

小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT

。

56如何利用二极管小信号模型分析电路？1、判断二极管是否工作于正向导通状态；2、分析电路的静态工作情况，求得静态工作点Q；3、根据静态工作点Q计算出微变电阻rd；4、根据小信号模型的交流通路，计算出交流小信号作用下电路的交流电压、电流；5、将交流量与静态直流量叠加，得到电压、电流总量。57小信号工作情况分析例：图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。5859

直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。二极管的用途：整流、限幅、开关、低电压稳压、检波、钳位、隔离、元件保护、温度补偿等。603.5特殊二极管

3.5.1稳压二极管

3.5.2光电子器件1.光电二极管2.发光二极管613.5.1稳压二极管表示符号：稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管。它在电路中常实现稳定电压的作用。+-阴极阳极DZ621.伏安特性-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO1）正向特性：同普通二极管2）反向击穿特性：a、反向击穿特性曲线比普通二极管更陡一些，即较大的I较小的Vb、在一定的范围内，反向击穿具有可逆性稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，利用其反向击穿特性实现稳压。击穿区-VZ0-IZT63-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQ2.简化模型64(1)稳定电压VZ在规定的稳压管反向工作电流IZT下，所对应的反向工作电压。(2)最大稳定工作电流IZ(max)3.主要参数最小稳定工作电流IZ(min)-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZT若I<Iz(min)，则不能稳压若I>Iz(max)，则稳压管会过热损坏65(3)动态电阻rZrZ=VZ/IZ(4)最大耗散功率

PZM(5)稳定电压温度系数——VZ3.主要参数保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗PZM=VZIZmax-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQrZ越小，说明稳压管稳压特性越好664.稳压电路并联式稳压电路当电源波动或负载电流的变化引起Vo变化时：VOVZVO

=VI-VRIZIR=(IZ+IO)VR

=IRR正常稳压时：

VO=VZ稳压条