第三章 二极管及其基本电路

第三章二极管及其基本电路第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四本章知识结构图本章教学要求掌握半导体中的载流子、本征半导体、杂质半导体等概念；熟练掌握半导体二极管的伏安特性、主要参数及二极管针对不同电路的各类模型；熟练掌握稳压二极管的工作原理、伏安特性及主要参数。正确理解本征半导体的导电特性以及P型和N型半导体的特点；正确理解PN结的形成和单向导电性。第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第三章二极管及其基本电路3.1

半导体的基本知识3.2

PN结的形成及特性3.3

二极管3.4

二极管的基本电路及其分析方法3.5

特殊二极管第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四一.预备知识二.半导体的结构和分类三.本征半导体四.杂质半导体3.1半导体的基本知识第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四物质根据导电能力可分为:导体绝缘体一.预备知识电阻率大于电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率小于半导体第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四半导体的导电性能由原子结构决定1.两个重要概念

2.半导体的两种类型本征半导体杂质半导体价电子:原子外层轨道上的电子，受自身原子核的束缚。共价键:两个相邻原子通过共价键结合。二.半导体的结构和分类第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四1.本征半导体

完全纯净的、结构完整的半导体晶体。自由电子：温度升高，由少数价电子挣脱共价键形成。空穴：价电子脱离共价键束缚成为自由电子后，共价键中留下空位。2.两种载流子三.本征半导体该浓度与半导体本身的材料有关，且受温度影响半导体区别于导体的重要特点本征激发第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四四.杂质半导体由本征半导体中掺入某种杂质形成杂质半导体N型半导体P型半导体第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四N型半导体自由电子:

来源于杂质（施主）原子的键外电子和本质原子的键内电子。不产生新空穴产生新空穴空穴:

由键内电子形成自由电子伴随产生。多子少子注意:自由电子浓度=正离子浓度NP+空穴浓度

n>>p第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四P型半导体空穴:

来源于杂质（受主）原子和本质原子自由电子:

来源于本质原子多子少子空穴浓度p=负离子浓度NA+自由电子浓度np>>n注意：①杂质半导体中多子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度，少子的浓度主要取决于温度。掺杂后导电性能大大改善。杂质半导体仍然保持电中性。第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四P型半导体空穴:

来源于杂质（受主）原子和本质原子

不产生新自由电子产生新自由电子自由电子:

来源于本质原子多子少子空穴浓度p=负离子浓度NA+自由电子浓度np>>n注意：①杂质半导体中多子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度，少子的浓度主要取决于温度。掺杂后导电性能大大改善。杂质半导体仍然保持电中性。第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.2PN结的形成及特性3.2.1PN结的形成3.2.2PN结的单向导电性3.2.3PN结的伏安特性表达式3.2.4PN结的电容效应第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.2.1PN结的形成PN结

将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，

P型半导体和N型半导体因交界面处空穴和自由电子的浓度不同，使两类载流子通过扩散发生复合而在交界面处形成的一个由不能移动的正负杂质离子组成的空间电荷区，即PN结，电阻率很高，也称为耗尽层或势垒区。内电场

由正负离子组成的空间电荷区失去电中性，在P区和N区间产生电位差，形成内电场，方向由带正电的N区指向带负电的P区。阻止多子的扩散运动（使空间电荷区变宽），利于少子的漂移运动（使空间电荷区变窄）第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.2.2PN结的单向导电性

１．PN结上加正向电压（

P区接正极，N区接负极）外加电场与内电场反方向在外电场作用下多子移向耗尽层空间电荷区变窄（中和作用）削弱内电场多子扩散运动加剧少子漂移运动减弱扩散电流>>漂移电流正向电流IF较大正向偏置注意：①正向电流随外加电压的变化而显著变化。②正向的PN结表现为阻值很小的电阻，导通。

第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四外加电场与内电场同方向在外电场作用下多子远离耗尽层空间电荷区变宽增强内电场多子扩散运动减弱少子漂移运动增强扩散电流<<漂移电流反向电流IR较小（微安数量级）

２．PN结上加反向电压（N区接正极，P区接负极）反向偏置注意：①反向电流主要决定于温度，与外加电压几乎无关。②一定温度下，反向电流为定值，表现为反向饱和电流Is。③反向的PN结表现为阻值很大的电阻，截止。

第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.PN结的单向导电性(1)PN结正向偏置正向电流IF（多子）较大，PN结处于导通状态。(2)PN结反向偏置反向电流IR（少子）微弱，PN结处于截止状态。第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.2.3PN结的伏安特性表达式温度的电压当量VT≈26mV反向饱和电流①

vD>0(正压)，且vD>>VT时，

iD与vD近似呈指数关系;②

vD<0(反压)，且|vD|>>VT时，

iD≈－Is;③

vD<0(反压)，且|vD|很大时，PN结反向(电)击穿;④电击穿后当发热超过耗散功率将过渡到热击穿，导致PN结烧毁。发射系数其值在1~2之间第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四雪崩击穿：

当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随之增强。通过空间电荷区的电子和空穴在电场作用下获得的能量增大，运动过程中不断地与晶体中的原子发生撞击，当能量足够大时，可使共价键中的电子激发形成自由电子，从而产生空穴，该现象称为碰撞电离。新产生的电子-空穴对在电场力的作用下，也向相反方向运动，并重新获得能量，同样通过撞击产生电子空穴对，此即载流子的倍增效应。一般的整流二极管的电击穿大多为雪崩击穿。第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四齐纳击穿：

当加上较高的反向电压时，空间电荷区中的电场很强。能破坏共价键，使束缚电子分离产生电子-空穴对，形成较大的反向电流。齐纳击穿只能在杂质浓度特别大的PN结中实现，如特殊二极管（稳压管）中。注意：①雪崩击穿和齐纳击穿都属于电击穿，其击穿过程都是可逆的；②电击穿可利用，热击穿应避免。

第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四1.扩散电容CD

当二极管正向偏置时，正向电压增大，多子的扩散运动加剧，N区和P区中积累的空穴和电子浓度增大，电荷量也相应增大，且离PN结愈远，电荷浓度愈小（复合导致）；反之，正向电压减小，两个区域中积累的电荷量随之减小，相当于电容的充、放电过程。3.2.4PN结的电容效应

正向电压的变化引起扩散过程中的载流子积累的电荷量的变化，称为扩散电容效应。扩散电容反映了外加电压作用下载流子在扩散过程中的积累情况。二极管正向偏置时，扩散电容较大；反向偏置时，扩散运动被抑制，形成的扩散电容较小，一般可忽略。第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.势垒电容CB

当PN结两端的电压改变时，将引起积累在PN结中的空间电荷的改变，由此表现出的电容效应，用势垒电容来描述。当外加反向电压增大时，势垒电位增大，结电场增强，多数载流子被拉出远离PN结，势垒区增宽，存储的正负离子电荷数增多，反之，势垒区变窄，存储的正负离子电荷数减少。空间电荷的变化过程类似电容的充放电。势垒电容只在外加电压改变时起作用，外加电压频率越高，势垒电容的作用越明显。注意：

PN结电容的大小不仅与材料有关，还与外加电压有关：1.正向偏置时，结电容较大，扩散电容起主要作用；2.反向偏置时，结电容较小，势垒电容起主要作用。

第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.3二极管3.3.1半导体二极管的类型和符号3.3.2伏安特性3.3.3二极管的主要参数3.2.4PN结的电容效应第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.3.1半导体二极管的类型和符号材料:硅二极管锗二极管结构:面接触型点接触型第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.3.2伏安特性一.定义

iD=f(vD

)二.正向特性①正向电压较小时，正向电流近似为零，二极管表现为大电阻；②正向电压大于死区电压Vth时，导通，正向电流明显增大，与电压呈指数关系。硅二极管0.5V锗二极管0.1V第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四五.伏安特性的表达式反向饱和电流温度的电压当量VT≈26mV三.反向特性①反向饱和电流IS:一定温度下，反向电压大于某值时，反向电流达保持不变。反向电流随温度升高而急剧增大，②硅管比锗管的反向电流小得多。反向击穿:反向电压大于反向击穿电压VBR时，反向电流急剧增大。四.反向击穿特性第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.3.3二极管的主要参数一.最大整流电流IF

管子长期连续运行时，允许通过的最大正向平均电流。二.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。最高反向工作电压为VBR/2。三.反向电流IR

在室温条件下，二极管两端加上规定的反向电压时流过管子的电流。反向电流对温度非常敏感。反向电流越小，则表明管子的单向导电性能越好。硅二极管的反向电流为纳安（nA）级，锗二极管则为微安（μA）级。

四.极间电容反映二极管中结电容效应的参数，Cd=扩散电容CD+势垒电容CB

。在高频或开关状态运用时，必须考虑极间电容的影响。第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四五.反向恢复时间TRR

二极管外加电压极性翻转时，其工作状态不能在瞬间完全随之变化。1.外加电压由正向变为反向外电场与PN结内电场方向相同，有利于载流子的漂移运动，由于正偏时积累在结两侧的载流子数量较多，因此初始时反向电流较大，并随时间变化逐渐减小到正常值。扩散电容愈小，则反向恢复时间愈短，工作频率愈高。2.外加电压由反向变为正向由于不存在积累载流子的消散过程，故转换时间较短。第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.4二极管的基本电路及其分析方法图解法和迭代法第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四一.二极管的几类模型1.指数模型2.理想模型（电源电压比管压降远大时可采用）正向偏置时，二极管管压降为零，反向偏置时，二极管的电阻被认为无穷大，电流为零。3.恒压降模型二极管导通后，管压降基本上不随电流（大于等于1mA）的变化而变化，硅管的典型值为0.7V。4.折线模型二极管的管压降随电流的增加而增加。采用一个电池和电阻来近似代替。电池的电压为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V，电阻rD约为200Ω。5.小信号模型

在小范围内，二极管的伏安特性可近似看成一条直线，其斜率的倒数就是小信号模型的微变电阻。第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四理想模型的伏安特性和代表符号

恒压降模型的伏安特性和代表符号第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四

小信号模型的伏安特性和代表符号

折线模型的伏安特性和代表符号第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四

在交流小信号作用下，工作点沿二极管的特性，在静态工作点附近小范围内变化，此时可把二极管的特性近似认为以Q点为切点的一条直线，其斜率的倒数就是小信号模型的微变电阻rd。

第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四二极管伏安特性表达式

微变电导小信号模型的微变电阻当T=300K时二极管的指数模型

小信号模型的微变电阻rd与静态工作点的位置有关，静态工作点位置不同，rd的值也不同。

第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四1.整流电路

例题：二极管基本电路如图所示，已知vS为正弦波，利用理想模型，定性地绘出vO的波形。二.常见的二极管电路第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.二极管电路的静态工作情况例题：二极管基本电路如图所示，R=10kΩ

，对于下列两种情况，分别应用理想模型、恒压降模型和折线模型（其中rD=200Ω）求解电路的ID和VD值：（1）VDD=10V，（2）VDD=1V。第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四结论：电源电压远大于二极管管压降时，恒压降模型较为合理，电源电压较低时，折线模型较为合理。

第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.限幅电路在预置的电平范围内，有选择地传输一部分信号。例题：限幅电路如图所示，R=1kΩ

，VREF=3V。分别采用理想模型和恒压降模型求解：（1）vI=0V、4V、6V时，求输出电压vO的值；（2）当vO=6sinωtV，画出输出电压vO的波形。第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四4.开关电路

利用二极管的单向导电性接通或断开电路，广泛应用于数字电路。例题：二极管开关电路如图所示，利用二极管的理想模型求解：当vI1和vI2为0V或5V时，vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四5.低电压稳压电路为了获得3~4V的稳定输出电压，可利用二极管的正向压降特性，将几只二极管串联以获得较好的稳压性能。小信号模型第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四例题：在如图所示的二极管电路中，VDD=5V，R=5kΩ，恒压降模型的VD=0.7V，vS=0.1sinωt（V）。（1）求输出电压的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。

6.小信号工作情况

（1）分析静态工作情况，求得静态工作点；

（2）由静态工作点，求得微变电阻rd；

（3）由小信号模型，求得小信号作用下电路的交流电压、电流；

（4）将交直流叠加。第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3．5特殊二极管齐纳二极管变容二极管光电二极管发光二极管激光二极管第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3．5．1齐纳二极管一.实质

通常工作在反向击穿区的二极管。这类管子的杂质浓度较大，空间电荷区中的电荷密度也大，故该区域很窄，形成强电场。当反向电压达到一定值时，很容易反向击穿。二.符号三.伏安特性第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四四.主要参数1.稳定电压VZ测试时应使电流为规定值2.稳定电流IZI>IZ

，能正常工作，稳压性能好I<IZ

，稳压性能差3.动态内阻rZ

该值愈小愈好5.额定功率PZ稳压管的最大稳定电流4.温度系数α

用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四五.稳压电路1.稳压管的N区接正极，P区接负极，以保证管子能工作在反向击穿区；2.应与负载并联，通过稳压作用使输出电压稳定；3.电路中需串联一限流电阻，以确保稳压管的稳定电流IZ

应在规定的范围内。第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四例题：在稳压管稳压电路中，设R=180Ω，VI＝10V，RL＝1kΩ，稳压管DZ的稳定电压VZ

＝6.8V，IZT＝10mA，rZ=20Ω，IZmin＝5mA，试分析当VI出现±1V的变化时，VO的变化为多少？

第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四例题：一稳压电路如图所示，其中的直流输入电压VI是由汽车上铅酸电池供电，电压在12~13.6V之间波动，负载为一移动式9V半导体收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为0.5W。稳压管的主要参数为：稳定电压VZ=9V，稳定电流的范围为IZ=10mA至IZM=100mA，耗散功率为1W。限流电阻R的值为47Ώ。试分析该稳压电路能否正常工作。第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四限流电阻的选择电网电压最大，负载电流最小时电网电压最小，负载电流最大时第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3．5．2变容二极管

结电容随外加反向电压的增加而显著减小的二极管。主要用在高频技术中，如：彩电普遍采用的电子调谐器，就是通过控制直流电压来改变二极管的结电容，从而改变调谐频率，实现频道选择。

第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3．5．3肖特基二极管

利用金属与N型半导体接触在交接面形成势垒的二极管，又称为金属半导体结二极管或表面势垒二极管。阳极接金属，阴极接N型半导体。第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3．5．4光电子器件光电二极管发光二极管激光二极管第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四本章重点难点1．半导体和导体的区别空穴的出现是半导体区别于导体的重要特点。2．两大类半导体导电性能的差异半导体主要分为本征半导体和杂质半导体两类。本征半导体中自由电子和空穴成对出现，其数量或浓度相等。常温下，本征半导体中的载流子数量很少，导电力较差。杂质半导体中自由电子和空穴的数量或浓度存在差异。N型半导体中自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子；P型半导体则相反。杂质半导体的导电性能相比本征半导体大大提高。3．ＰＮ结的形成及其单向导电性当P型半导体和N型半导体制作在同一硅（锗）片上时，由于交界面上载流子的浓度存在差异，导致载流子发生散，在交界面处Ｐ区、N区分别剩下不能移动的负离子、正离子，通常称为空间电荷，形成PN结或空间电荷区。注意：PN结中的总电流为零，空间电荷区宽度一定。第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四本章重点难点

在外加电压的情况下，PN结表现出单向导电性：正向偏置（P区接电源正极，N区接电源负极）时，回路中产生较大的正向电流，PN结阻值较小；反向偏置（P区接电源负极，N区接电源正极）时，反向电流极小，PN结阻值很大。4．半导体二极管和稳压管半导体二极管的主要特点是单向导电性。二极管主要有指数模型、理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。稳压管是特殊二极管。稳压二极管与二极管的区别在于稳压管通常工作在反向击穿区以实现稳压电路，应注意稳压管必须加反向电压，且电路中必须加入限流电阻，以向稳压管提供合适的工作电流；二极管常常工作在正向特性，但也工作在反向特性，在实际应用中，二极管主要构成限幅电路、开关