半导体二极管及其基本电路

2.1半导体基本知识2.2PN结的形成及单向导电性2.3半导体二极管2.4稳压二极管2.5其它类型二极管2半导体二极管及其基本电路2.1半导体的基本知识一、半导体材料

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

元素半导体：硅（Si）和锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）等。

半导体的导电能力介于导体、绝缘体之间，其导电性能还有其独特的特点。常用的半导体材料有：(a)硅晶体的空间排列二、半导体共价键结构（硅）

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图2-1图2-1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4(b)共价键结构平面示意图1.本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体（化学成分纯净）。三、本征半导体、空穴及其导电作用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”。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。

本征半导体的共价键结构束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+42.电子空穴对图2-2本征激发过程电子空穴

当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。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，而参与导电，成为自由电子。

这一现象称为本征激发，也称热激发。自由电子可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合

在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：电子空穴对+4+4+4+4+4+4+4+4+4E3.空穴的移动图2-3空穴在晶格中的移动小结：晶体中存在着两种导电的离子（电子、空穴）

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。动画演示由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后而留下的空穴4.导电机理自由电子带负电荷电子流＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流

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。自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。在外加电场的作用下，电子和空穴会产生定向移动，形成电流而导电。(1)

P型半导体(2)N型半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。四、杂质半导体1.

P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

P型半导体硅原子空穴硼原子－－－－－－－－－－－－电子空穴对空穴受主离子P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。N型半导体2.

N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素（如磷）,可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚很容易形成自由电子。++++++++++++磷原子硅原子施主离子自由电子电子空穴对多余电子在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,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2.2PN结的形成及特性N型半导体P型半导体++++++++++++－－－－－－－－－－－－杂质半导体的示意图多子—电子少子—空穴多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关，与掺杂无关多子浓度——与温度无关，与掺杂有关1.PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成如下物理过程:两侧载流子存在浓度差杂质离子不移动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动阻止多子扩散运动扩散和漂移达到动态平衡形成PN结多子扩散运动:空穴：PN；电子NP空穴和电子产生复合空间电荷区PN内电场耗尽层V0电位V电子势能-qV0PN结的形成过程动画演示PN结REW2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流(2)

加反向电压（反偏）——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

单向导电性动画演示PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结的单向导电性

(3)PN结的伏安（V-I）特性

PN结的伏安特性是指在PN结两端外加电压时，通过PN结的电流大小与外加电压之间关系的特性。如图所示（硅二极管PN结）。

根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示：-1.0-0.500.51.01.00.5vD/ViD/mAiD=-IS

式中IS为反向饱和电流，vD

为外加电压，VT=kT/q

称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q

为电子电荷量，T

为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。3PN的反向击穿反向击穿热击穿电击穿雪崩击穿齐纳击穿PN结两端反向电压增加到一定数值时，反向电流突然增加，这种现象称为反向击穿消耗功率大于耗散功率PN结损坏反向击穿电压VBR0viD反偏反向饱和电流ISIs（少子漂移）正偏IF（多子扩散）消耗功率小于耗散功率击穿过程可逆反向击穿（雪崩击穿和齐纳击穿）结构：二极管＝PN结＋管壳＋引线NP符号：阳极（正极）阴极（负极）2.3半导体二极管一、半导体二极管的结构二极管常见的几种结构1.点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2.面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。3.平面型二极管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。常见的半导体二极管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：代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。vD二、二极管的伏安（V－I）特性1.正向特性实验曲线硅：0.5V锗：

0.1V导通压降开启电压硅：0.7V锗：0.3V当0＜vD＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当vD

＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当vD

＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。二.二极管的伏安（V－I）特性实验曲线2.反向特性硅：0.5V锗：

0.1V导通压降开启电压硅：0.7V锗：0.3VvD当vD＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBR＜vD＜0时，反向电流(少数载流子的漂移)很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

。当vD≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。一般地：IS（硅）<IS（锗）击穿电压VBR锗反向饱和电流说明：1.二极管与PN结伏安特性的区别二者均具有单向导电性，但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，正向偏置在电流相同的情况下，二极管端电压大于PN结的端电压，或者说在相同正向偏置下，二极管电流小于PN结电流；另外，二极管表面存在漏电流，其反相电流增大。2.温度对二极管伏安特性的影响二极管的特性对温度很敏感，环境温度升高时，二极管正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。1.最大整流电流IF：二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。2.反向击穿电压VBR：二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。最高反向工作电压VRM：为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般为反向击穿电压VBR的一半。3.反向电流IR：管子在未击穿时的反向电流，其值愈小，管子的单向导电性越好。反向电流随温度升高而增加。三、二极管的主要参数4.极间电容势垒电容外加电压时，二极管PN结空间电荷区中的电荷量随外加电压变化而改变，这显示了电容效应，这个电容称为势垒电容（CB）外加反向电压使耗尽层变宽空间电荷量增加相当于充电使耗尽层变窄空间电荷量减少相当于放电扩散电容在多数载流子的扩散过程中，由外加电压的改变引起扩散区内积累电荷量的变化而产生的电容效应，这个电容称为扩散电容（CD）外加正向电压增加积累电荷量增加相当于充电减小积累电荷量减少相当于放电

势垒电容和扩散电容的大小与外加偏置电压的大小有关，所以它们是一种非线性电容，它们都很小，对低频影响不大，但在高频应用时，必须考虑。理想压降模型2.4二极管基本电路及其分析方法一、二极管正向V-I特性模型

1.理想模型（电源电压>>管压降）

特点：正偏时，管压降为0V；反偏时，电阻无穷大，电流为0。

2.恒压降模型（iD≥1mA）应用广

特点：二极管导通后，其管压降是恒定的，不随电流而变，典型值为0.7V。

vDiDiDvD恒压降模型vDiDiDvD电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。

D6V12V3kBAUAB+–二、模型分析法应用举例1.二极管静态工作点分析

理想模型：恒压降模型：例：电路如图所示，R＝10K，当VDD=10V和1V时，分别求电路的ID和VD值。分别用理想模型、恒压降模型。解：⑴VDD=10V⑵VDD=1V理想模型：恒压降模型：理想模型：恒压降模型：

结论：电源电压>>管压降时，恒压降模型能得出较合理的结果。

例：图示二极管限幅电路，R＝1k，VREF=2V，输入信号为vI。(1)若vI为4V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流I和输出电压vo解：理想模型恒压降模型2.限幅电路mA2k12VV4REFI=-=-RVvI=V2REFo==VvmA31k1V702VV4DREFI..RVVvI=--=-－=2.7V0.7VV2DREFo=+=+=VVv（2）如果vI为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：理想模型（波形如图所示）0-4V4Vvit2V2VvotvI<VREF时，二极管反偏截止，相当于开路，回路无电流，vo＝vI；vI>VREF时，二极管正偏导通，相当于短路，vo＝VREF。02.7Vvot0-4V4Vvit2.7V恒压降模型（波形如图所示）。vI<VREF+Von时，二极管反偏截止，相当于开路，回路无电流，vo=vI；vI>VREF+Von时，二极管正偏导通，相当于短路，

vo=VREF+Von。3.开关电路：（二极管导通：开；截止：关）

判断二极管导通还是截止的原则：先将二极管断开，然后观察或计算二极管正、负两极间是正向电压还是反向电压，若正向则导通，否则截止。

例：图示开关电路，当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值，设二极管是理想的。5V止止5V5V0V通止0V5V0V止通5V0V0V通通0V0VvOD2D1vI2vI14．整流电路当vi为一正弦信号时，画出输出波形：解：vi>0时，D2、D4导通，D1、D3截止；vi<0时，D1、D3导通，D2、D4截止；

2.5特殊二极管稳压二极管是工作在反向击穿区的一种特殊二极管(伏安特性如图)。当稳压二极管工作在反向击穿状态下，工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时，其两端电压近似为常数。由于稳压二极管工作在反向击穿区，故二极管一般反向接入电路。反偏电压≥VZ；反向击穿。正向同二极管稳定电压一、

稳压二极管(起稳压作用)+VZ_稳压二极管的主要参数***1.稳定电压VZ——流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ——越大稳压效果越好，小于Izmin

时不稳压。3.最大耗散功率PZM；最大工作电流IZM（Izmax）

PZM=VZ

IZM4.动态电阻rZ_——稳压区，端电压变化量与其电流量变化比。rZ

=VZ/IZ（几几十

）越小稳压效果越好。5.电压温度系数——稳压值受温度变化影响的的系数。稳压二极管的应用举例稳压管的技术参数:负载电阻RL＝600Ω，VI=15V求限流电阻R取值范围。稳压原理：VIVZVoVoVRIRIZ当输入电压变化时+Vo-IZDZRILIR+VI-RL稳压二极管的应用举例稳压管的技术参数:负载电阻RL＝600Ω，VI=15V求限流电阻R取值范围。解：由电路可得:+Vo-IZDZRILIR+VI-RL二、

其它类型的二极管(了解)1.发光二极管LED有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。应用：半导体光源。2.光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。应用：光电检测。符号符号（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）利用结电容随反向电压的增加而减小的原理制成