第三章 半导体二极管及其基本电路

第三章半导体二极管及其基本电路第一页，共六十页，编辑于2023年，星期四2.1半导体的基本知识

2.1.1半导体材料

2.1.2半导体的共价键结构

2.1.3本征半导体

2.1.4杂质半导体第二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.1.1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。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体；2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件；3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。第三页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.1.2半导体的共价键结构硅晶体的空间排列第四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

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。

原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，结构图为：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4第五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构第六页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.1.3本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。第七页，共六十页，编辑于2023年，星期四电子空穴对

当T=0K和无外界激发时，导体中没有载流子，不导电。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——本征激发。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子

因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发动画1-1空穴返回第八页，共六十页，编辑于2023年，星期四+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)多余电子，成为自由电子+5自由电子

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。返回+5

2.1.4杂质半导体

1.N型半导体第九页，共六十页，编辑于2023年，星期四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而很容易形成自由电子。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。第十页，共六十页，编辑于2023年，星期四+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴返回第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.P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。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。第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

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=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

3.杂质对半导体导电性的影响第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念end自由电子、空穴N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四2.2PN结的形成及特性

2.2.1

PN结的形成

2.2.2

PN结的单向导电性

2.2.3

PN结的反向击穿

2.2.4

PN结的电容效应第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四+三价的元素产生多余空穴+五价的元素产生多余电子

2.2.1PN结的形成图2.2.1PN结的形成第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四漂移运动：由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。第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四

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，由于缺少多子，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第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期四PN结的单向导电性

(1)PN结加正向电压扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。

动画外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四

外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

动画（2）PN结加反向电压第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四2.3半导体二极管

2.3.1半导体二极管的结构

2.3.2二极管的伏安特性

2.3.3二极管的参数第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四半导体二极管半导体二极管

二极管：一个PN结就是一个二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。符号：第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.3.1半导体二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(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。(a)点接触型

二极管的结构示意图第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四半导体二极管的伏安特性曲线

式中IS为反向饱和电流，VD

为二极管两端的电压降，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。

第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四(1)正向特性

硅二极管的死区电压Vth=0.5~0.8V左右，

锗二极管的死区电压Vth=0.2~0.3V左右。

当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。正向区分为两段：

当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四反向区也分两个区域：

当VBR＜V＜0时，反向电流很小，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V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。(2)反向特性第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。(3)反向击穿特性热击穿——不可逆

雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四半导体二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(4)正向压降VF在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。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。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四PN结的电容效应

(1)势垒电容CB第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四PN结的电容效应(2)扩散电容CD扩散电容示意图{end}当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四2.4

二极管基本电路及其分析方法

2.4.1二极管V-I特性的建模

2.4.2应用举例第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四二极管基本电路分析二极管模型正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。当iD≥1mA时，vD=0.7V。1.理想模型2.恒压降模型第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四3.折线模型（实际模型）4.小信号模型第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四二极管电路分析1.静态分析例1：求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD值。解：1.理想模型正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。2.恒压降模型3.实际模型当iD≥1mA时，vD=0.7V。第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四2.限幅电路VRVmvit0Vi>VR时，二极管导通，vo=vi。Vi<VR时，二极管截止，vo=VR。例2：理想二极管电路中

vi=VmsinωtV，求输出波形v0。解：第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四3.开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关vI1vI2二极管工作状态D1D2v00V0V导通导通导通截止截止导通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V例3：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期四例4：判别二极管是导通还是截止。+9V-+1V-+2.5V-+12.5V-+14V-+1V-截止-9V+-1V++2.5V-+12.5V-+14V-+1V-截止解：第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四+18V-+2V-+2.5V-+12.5V-+14V-+1V-导通第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四

正半周：D1、D3导通D2、D4截止

负半周D2、D4导通D1、D3截止例5：求整流电路的输出波形。解：第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四例6：实际模型求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V时，输出v0的值。(2).Vi=6sinωtV时，输出v0的波形。解：(1).

vI=4V时，D导通。vI=0V时，D截止。v0=vI

vI=6V时，D导通。(2).Vi=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V

折线模型第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四例7：理想二极管电路中vi=VmsinωtV，求输出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四例8：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。解：①VI<25V，D1、D2均截止。②VI>25V

，D1导通，D2截止。③VI>137.5V，D1、D2均导通。VO=25VVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四例9：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。当VI<0时D1导通D2截止当VI>0时D1截止D2导通0VIVO-5V+5V+5V-5V+2.5V-2.5V第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交。CR1KE1.5V+VD－+vi(t)－解：例10：第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四例11：

二极管限幅电路:已知电路的输入波形为vi,二极管的VD

为0.6伏，试画出其输出波形。解：Vi>3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。Vi<3.6V时，二极管截止，vo=Vi。第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四2.5特殊体二极管

2.5.1稳压二极管

2.5.2变容二极管

2.5.3光电子器件1.光电二极管2.发光二极管3.激光二极管第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期四特殊二极管稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

rZ=VZ/IZ，

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

(3)

最大耗散功率

PZM

最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以决定IZmax。

(4)

最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。(1)稳定电压VZ第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四3.稳压电路正常稳压时VO=VZ(5)稳定电压温度系数——VZ。温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ

＞7V时，VZ具有正温度系数