半导体二极管

半导体二极管第一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五前言电子技术是一门研究电子器件及其应用的科学。按信号性质分：模拟电子，数字电子。按频率分：高频电子，低频电子。按线性分：线性电子，非线性电子。本学期为模拟低频部分（通常1Mhz以下）。第二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五在模拟电子技术中,加工和处理的信号是模拟信号,这类信号的特点是在时间上和幅度上都是连续变化，在生产和生活中所接触到的几乎全是这种信号。

用于传递、加工和处理模拟信号的电路称为模拟电路，其器件称模拟器件。

模拟特点第三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五模拟电路教学内容半导体器件基础；基本放大电路；集成运算放大电路；电路中负反馈技术；信号的运算和处理；波形产生与变换；功率电子电路和直流稳压电源等。第四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五第一章半导体二极管及电路分析基本要求：1.正确理解基本概念：半导体、载流子、PN结及二极管单向导电性的机理。2.熟练掌握极二管的外特性（伏安特性曲线）。3.熟练掌握二极管的模型及二极管电路的分析。4.熟悉二极管的主要参数。第五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五§1.1半导体的基本知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第1章半导体二极管第六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五半导体的特点1、当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。2、往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。3、自由电子和空穴两种载流子。半导体导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。第1章半导体二极管第七页，共七十七页，编辑于2023年，星期五一、本征半导体1、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的原子结构如下：最外层电子（价电子）都是四个。第1章半导体二极管第八页，共七十七页，编辑于2023年，星期五

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形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：第1章半导体二极管第九页，共七十七页，编辑于2023年，星期五硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第1章半导体二极管第十页，共七十七页，编辑于2023年，星期五共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第1章半导体二极管第十一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五2、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）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。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。（1）载流子、自由电子和空穴第1章半导体二极管第十二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五+4+4+4+4空穴和电子是成对的。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第1章半导体二极管第十三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。（2）电子电流和空穴电流当存在电场时，出现自由电子移动产生的电流——电子电流空穴移动产生的电流——空穴电流第1章半导体二极管第十四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五（3）复合现象：电子和空穴在移动中相遇而成对消失的现象。第1章半导体二极管第十五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五特点：本征半导体的导电性能很差。如果没有自由电子，几乎是绝缘体。晶体共价键中的电子在外界光照或加热等情况下，很容易得到能量而脱离共价键的束缚成为自由电子。同时在共价键中留下空穴。由于空穴具有俘获自由电子的能力。所以也是导电粒子。本征半导体的导电性能跟温度有十分密切的关系。常温下，电子-空穴对仅为三万亿分子一。第1章半导体二极管第十六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五二、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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴半导体。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子半导体。第1章半导体二极管第十七页，共七十七页，编辑于2023年，星期五1、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。第1章半导体二极管第十八页，共七十七页，编辑于2023年，星期五+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第1章半导体二极管第十九页，共七十七页，编辑于2023年，星期五2、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。第1章半导体二极管第二十页，共七十七页，编辑于2023年，星期五三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第1章半导体二极管第二十一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五三、PN结及单向导电性1、PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。第1章半导体二极管第二十二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称PN结。第1章半导体二极管第二十三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。用电位差来衡量为硅材料PN结：0.5~0.7V。而锗材料PN结：为0.2~0.3V。

第1章半导体二极管第二十四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:第1章半导体二极管第二十五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五2、PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。第1章半导体二极管第二十六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五－－－－++++RE（1）、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第1章半导体二极管第二十七页，共七十七页，编辑于2023年，星期五（2）、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE第1章半导体二极管第二十八页，共七十七页，编辑于2023年，星期五

小结

当PN结正偏时，处于导通，说明此时电阻很小，称为正向电阻，结果电流很大。正向电阻一般为几十到几百欧。当PN结反偏时，处于截止，说明此时电阻很大，称为反向电阻，结果电流近似为零。反向电阻可达100千欧之多。第1章半导体二极管第二十九页，共七十七页，编辑于2023年，星期五§1.2半导体二极管及其特性一结构和符号阳极阴极半导体PN结外壳外壳底座底座阴极阳极半导体PN结结构示意阳极阴极电路符号点接触型面接触型第1章半导体二极管第三十页，共七十七页，编辑于2023年，星期五U(BR)反向击穿反向特性死区Uth正向特性呈指数形式iD(mA)uD(V)mAVEuDiD（实验图）二二极管的伏安特性曲线

uD为加在二极管二端的电压,iD为流经二极管的电流。iD与uD的函数关系为图中曲线。第1章半导体二极管第三十一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五1、

正向特性曲线：

uD≥0部分，严格讲为指数形式，有一段近似为线性曲线，符合部分电路欧姆定律公式。2、死区，门坎电压Uth出现死区的原因是正偏电压不足以抵消内电场的电压。

硅管：Uth=0.6—0.8V实际中取UD(on)=0.7V

锗管：Uth=0.1—0.3V实际中取UD(on)=0.2V第1章半导体二极管第三十二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五3、

反向特性：

uD≤0部分，反向电压不太大时，电流基本为零，为IS大约为0.1μA左右，它就是反向饱和电流。4、

反向击穿，击穿电压UBR当加与二极管两端的反向电压增大到一定值时，反向电流突然变大，这种现象称反向击穿。对应的电压UBR则称击穿电压。硅管约为几十伏~几百伏，锗管为十几伏~几十伏，对普通二极管而言，反向击穿后管子已被烧坏，不能再用。

第1章半导体二极管第三十三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五三主要参数1.最大整流电流

IOM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.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。第1章半导体二极管第三十四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五3.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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第1章半导体二极管第三十五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五4.极间电容和工作频率二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N第1章半导体二极管第三十六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd当工作频率太高时，电容相当于短路，二极管失去单向导电作用。第1章半导体二极管第三十七页，共七十七页，编辑于2023年，星期五部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压

V正向电流

mA反向电流μA最高工作频率MHZ极间电容

Pf最大整流电流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162ck7100≥150≥5.0≤250300≤0.120参数型号部分国产半导体整流二极管参数表最大整流电流

A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度）

μA正向压降（平均值）

V最高工作频率

MHZ2CZ52A

0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83参数型号第1章半导体二极管第三十八页，共七十七页，编辑于2023年，星期五

二极管工作环境归纳起来有三种情况：只有直流，只有交流，交直流均有。根据二极管的伏安特性曲线知，二极管不是线性元件。那么这将给电路分析计算带来麻烦。本节将提供几种在不同情况下近似分析计算的方法。

§1.3二极管电路的分析方法第1章半导体二极管第三十九页，共七十七页，编辑于2023年，星期五一二极管模型1、理想模型：正向工作时二极管导通电压等于0。反向时，二极管开路。一般适用于大信号工作状态。例如逻辑电路中。iD0uD(V)理想模型V-A特性第1章半导体二极管第四十页，共七十七页，编辑于2023年，星期五2、恒压模型：正向导通时。相当于理想二极管串联一个0.7伏的恒定电压源。由于该模型比较简单，在模拟电路里用得比较多。iD00.7uD(V)恒压模型V-A特性0.7V第1章半导体二极管第四十一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五3、折线模型：(也称直流模型)

图中黑线部位是实际二极管的伏安曲线，可视为近似后的两段折线

UD(ON)△uD△iDiDuD线性电阻

rD理想部分+-UD(on)等效电阻等效电压源可等效地化成：

第1章半导体二极管第四十二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五UD(on)例1.3.1

硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。UOVDDIORUOVDDIORUOVDDIOR[解]VDD=2V理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)

结论：VDD大采用理想模型VDD小用恒压降模型第1章半导体二极管第四十三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五例1.3.2

试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN第1章半导体二极管第四十四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五例1.3.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。UAUBUOR3kW12VVDDV1V2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V第1章半导体二极管第四十五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五例1.3.4画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui

=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui

/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4切换到EWB环境观察桥式整流波形第1章半导体二极管第四十六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五例1.3.5ui=2sin

t(V),分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuOR0.7V<ui<0.7VV1、V2均截止uO＝uiuO＝0.7Vui≥0.7VV2导通V１截止ui≤

0.7VV1导通V2截止uO＝0.7V思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？（切至EWB）OtuO/V0.7Otui

/V20.7第1章半导体二极管第四十七页，共七十七页，编辑于2023年，星期五

二二极管直流电路的分析方法介绍两种二极管电路分析方法：VDDRL+-uDiD+-第1章半导体二极管第四十八页，共七十七页，编辑于2023年，星期五1、图解方法：（工程上常用）

步骤：⑴把电路分成两部分，左边为线性部分，右边为非线性部分；⑵把线性部分的电压和电流关系用图像表示出来；⑶把非线性部分的电压和电流的关系用图像表示出来；⑷两曲线的交点Q对应的电压电流值就是要求的解。

第1章半导体二极管第四十九页，共七十七页，编辑于2023年，星期五Q点称为二极管的直流工作点

IQ(0,VDDRL)QQUM(VDD,0)uDN第1章半导体二极管第五十页，共七十七页，编辑于2023年，星期五2、折线法(折线模型方法)

第1章半导体二极管第五十一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五三、二极管的微变等效模型

（适用于电路中既有直流量又有交流量情况）规定：字母大写，下脚标大写，示直流量；字母小写，下脚标小写，示纯交流量；字母小写，下脚标大写，示交直流之和量。第1章半导体二极管第五十二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五处理方法：

对直流情况和交流情况分开讨论，然后根据电压、电流迭加原理进行合成。迭加原理:总电压（流）=各分电压（流）之和。

第1章半导体二极管第五十三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五1、直流分析：常称作静态分析

①视（交流量）去掉无关电路，画出直流通路来。

R+-IQ+-UQ（直流通路）VDD第1章半导体二极管第五十四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五R+-IQ+-UQ（直流通路）VDD②根据直流电路，利用利用折线法或作图法求出静态工作点Q

：第1章半导体二极管第五十五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五第1章半导体二极管第五十六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五U0负半周QQuDiD正半周Q1Q2若限定交流信号为微变信号，那么Q1和Q2点不会偏离太远。此时，线段Q1Q2可视为直线。这就又意味着二极管成为线性电阻了

2、交流分析：（动态分析）二极管的微变等效电路第1章半导体二极管第五十七页，共七十七页，编辑于2023年，星期五在此称为二极管的交流等效电阻，其值也比较小，在几十欧左右。

在微变信号下，二极管可以等效成阻值为线性的电阻：

+-rd+-第1章半导体二极管第五十八页，共七十七页，编辑于2023年，星期五①首先画出交流通路：（此时，C视为短路，视）uRrd+-+-udi②然后根据交流通路计算电量：

其中

交流量的计算第1章半导体二极管第五十九页，共七十七页，编辑于2023年，星期五3、合成：

再从特性曲线图上看一看合成过程

QQ1Q2UQ+uiuiiDωtωtiD第1章半导体二极管第六十页，共七十七页，编辑于2023年，星期五对于交流信号电路可等效为例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]1.静态分析令ui

=0,取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.动态分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA),id

=0.625sint3.总电压、电流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd第1章半导体二极管第六十一页，共七十七页，编辑于2023年，星期五§1.4特殊二极管器件一稳压二极管

1、利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。PN结V-A特性曲线正向导通电压UDI（mA)正向电流IfU（V）正向0.6反向击穿电压UZ0击穿电流IRIU+UZ电路符号第1章半导体二极管第六十二页，共七十七页，编辑于2023年，星期五2、稳压管主要参数1）稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。2）动态电阻rz：3）最大稳定电流IZM：由最大耗散功率和稳定电压决定。4）最大耗散功率PZM：工作时的功率PZ=IZ∙UZPZM=IZMUZ动态内阻愈小愈好rz=IU第1章半导体二极管第六十三页，共七十七页，编辑于2023年，星期五5）温度系数：衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数第1章半导体二极管第六十四页，共七十七页，编辑于2023年，星期五3、几种稳压管的参数

参数型号稳定电压

V稳定电流

mA温度系数%/度动态电阻

Ω最大稳定电流

mA耗散功率

W2CW146—7.5100.06≤15330.252CW2013.5–1750.095≤50150.252CW7C6.1-6.5100.005≤10300.25由表可以看出2CW7C的性能比较好。温度系数小。其结构如下：正向二极管稳压管

温度补尝第1章半导体二极管第六十五页，共七十七页，编辑于2023年，星期五例1.4.1

分析简单稳压电路的工作原理，R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI–IRR当UI波动时(RL不变)反之亦然当RL变化时（UI不变）反之亦然UIUORRLILIRIZ第1章半导体二极管第六十六页，共七十七页，编辑于2023年，星期五二发光二极管1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。单个发光二极管七段显示发光二极管第1章半导体二极管