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2 半导体二极管半导体二极管及其基本电路及其基本电路2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 教学内容：教学内容：本章首先本章首先简单介介绍半半导体的基本知体的基本知识，着，着 重重讨论半半导体器件的核心体器件的核心环节-PN-PN结，并重点，并重点 讨论半半导体二极管的物理体二极管的物理结构、工作原理、特构、工作原理、特 性曲性曲线和主要参数以及二极管基本和主要参数以及二极管基本电路及其分路及其分 析方法与析方法与应用；在此基用；在此基础上上对齐纳二极管、二极管、变 容二极管和光容二极管和光电子器件的特性与子器件的特性与应用也用也给予了予了 简要的介要的介绍教学要求：教学要求：本章需要重点掌握二极管模型及其本章需要重点掌握二极管模型及其电 路分析，特路分析，特别要注意器件模型的使用范要注意器件模型的使用范围 和条件和条件对于半于半导体器件，主要着眼于在体器件，主要着眼于在 电路中的使用，关于器件内部的物理路中的使用，关于器件内部的物理过程程 只要求有一定的了解。
只要求有一定的了解2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体半半导体体:导电特性介于特性介于导体和体和绝缘体之体之间典型的半典型的半导体有体有硅硅Si和和锗Ge以及以及砷化砷化镓GaAs等等导电的的重要特点重要特点1、其能力容易受、其能力容易受环境因素影响境因素影响 （温度温度、光照等）、光照等）2、掺杂可以可以显著提高著提高导电能力能力 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构原子原子结构构简化模型化模型 完全完全纯净、结构完整的半构完整的半导体晶体体晶体2.1.3 本征半导体本征半导体在在T=0K和无外界激和无外界激发时，没有，没有载流子流子，不，不导电两个价两个价电子的子的共价共价键正离子核正离子核 2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用温度温度 光照光照自由自由电子子空穴空穴本征激本征激发空穴空穴 共价共价键中的空位中的空位空穴的移空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相是靠相邻共价共价键中的价中的价电子子依次充填空穴来依次充填空穴来实现的。
的由由热激激发或光照而或光照而产生生自由自由电子和空穴子和空穴对温度温度 载流子流子浓度度*半半导体体导电特点特点1：其能力容易受温度、光照等：其能力容易受温度、光照等环境因素影响境因素影响 温度温度载流子流子浓度度导电能力能力2.1.4 杂质半导体杂质半导体N型半型半导体体掺入五价入五价杂质元素（如磷）元素（如磷）P型半型半导体体掺入三价入三价杂质元素（如硼）元素（如硼）自由自由电子子 多子多子 空穴空穴 少子少子 空穴空穴 多子多子自由自由电子子 少子少子由由热激激发形成形成它主要由它主要由杂质原子提供原子提供空空间电荷荷 掺入入杂 质对本征半本征半导体的体的导电性有很大性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的本征硅的电子和空穴子和空穴浓度度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子本征硅的原子浓度度:4.961022/cm3 3以上三个以上三个浓度基本上依次相差度基本上依次相差106/cm32掺杂后后 N 型半型半导体中的自由体中的自由电子子浓度度:n=51016/cm3杂质对半半导体体导电性的影响性的影响 本征半本征半导体、本征激体、本征激发本本节中的有关概念中的有关概念自由自由电子子空穴空穴N型半型半导体、施主体、施主杂质(5价价)P型半型半导体、受主体、受主杂质(3价价)多数多数载流子、少数流子、少数载流子流子杂质半半导体体复合复合*半半导体体导电特点特点1：其能力容易受温度、光照等其能力容易受温度、光照等环境因素影响境因素影响温度温度载流子流子浓度度导电能力能力*半半导体体导电特点特点2：掺杂可以可以显著提高著提高导电能力能力2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性*2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 2.2.1 PN结的形成结的形成1.浓度差度差多子的多子的扩散散运运动2.扩散散空空间电荷区荷区内内电场3.内内电场少子的少子的漂移漂移运运动 阻止阻止多子的多子的扩散散4、扩散与漂移达到散与漂移达到动态平衡平衡载流子的流子的运运动：扩散散运运动浓度差度差产生的生的载流子移流子移动漂移漂移运运动在在电场作用下，作用下，载流子的移流子的移动P区区N区区扩散：空穴散：空穴电子子漂移：漂移：电子子空穴空穴形成形成过程可分成程可分成4步步(动画画)内电场内电场PN结形成的物理形成的物理过程：程：因因浓度差度差 空空间电荷区形成内荷区形成内电场 内内电场促使少子漂移促使少子漂移 内内电场阻止多子阻止多子扩散散 最后最后,多子的多子的扩散散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡平衡。
多子的多子的扩散运散运动杂质离子形成空离子形成空间电荷区荷区 对于于P型半型半导体和体和N型半型半导体体结合面，离子薄合面，离子薄层形形成的成的空空间电荷区荷区称称为PN结在空在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽耗尽层扩散散 漂移漂移否否是是宽2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加只有在外加电压时才才 扩散与漂移的散与漂移的动态平衡将平衡将定定义：加加正向正向电压，简称称正偏正偏加加反向反向电压，简称称反偏反偏 扩散散 漂移漂移 大的正向大的正向扩散散电流（多子）流（多子）低低电阻阻 正向正向导通通 漂移漂移 扩散散 很小的反向漂移很小的反向漂移电流（少子）流（少子）高高电阻阻 反向截止反向截止 2.2.2 PN结的的单向向导电性性 PNPN结结特性描述特性描述特性描述特性描述2、PN结方程方程PN结的伏安特性的伏安特性陡峭陡峭电阻小阻小正向正向导通通1、PN结的伏安特性的伏安特性特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一定的温度条件下，由本征激一定的温度条件下，由本征激发决定的少子决定的少子浓度是一定的度是一定的非非线性性其中其中 IS 反向反向饱和和电流流VT 温度的温度的电压当量当量且在常温下（且在常温下（T=300K）近似近似估算估算正向：正向：反向：反向：2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向的反向电压增加到一定数增加到一定数值时，反向反向电流突然快速增加，流突然快速增加，此此现象称象称为PN结的的反反向向击穿。
穿热击穿穿不可逆不可逆 雪崩雪崩击穿穿 齐纳击穿穿 电击穿穿可逆可逆 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容容CB势垒电容示意容示意图扩散散电容示意容示意图(2)扩散散电容容CD2.3 半导体二极管半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数二极管的参数PN结加上引加上引线和封装和封装 二极管二极管按按结构构分分类点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型半半导体二极管体二极管图片片点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型半导体二极管图片 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）方程（近似）硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性锗二极管二极管2AP15的的V-I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向反向击穿特性穿特性Vth=0.5V（硅）硅）Vth=0.1V（锗）注注意意1.死区死区电压（门坎坎电压）2.反向反向饱和和电流流硅：硅：0.1 A；锗：10 A 2.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流最大整流电流流IF(2)反向反向击穿穿电压VBR和最大反向工作和最大反向工作电压VRM(3)反向反向电流流IR(4)正向正向压降降VF(5)极极间电容容CB硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 2.4.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 4、应用用电路分析路分析举例例 2、二极管状、二极管状态判断判断 1、二极管、二极管电路的分析概述路的分析概述 3、等效、等效电路（模型）分析法路（模型）分析法讲课思路：思路：1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述应用用电路路举例例例例2.4.2（习题2.4.12）整流整流限幅限幅初步分析初步分析依据二极管的依据二极管的单向向导电性性D导通：通：vO=vI-vDD截止：截止：vO=0D导通：通：vO=vDD截止：截止：vO=vI左左图中中图显然，然，vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状的状态决定决定而且，而且，D处于反向截止于反向截止时最最简单！分析思路分析思路n分析任分析任务：求：求vD、iDn目的目的1:确定确定电路功能，即信号路功能，即信号vI传递到到vO，有何有何变化？化？n目的目的2:判断二极管判断二极管D是否安全。
是否安全n首先，判断首先，判断D的状的状态？n若若D反向截止，反向截止，则相当于开路（相当于开路（iD 0，ROFF ）；）；n若若D正向正向导通，通，则？n正向正向导通分析方法：通分析方法：n图解法解法n等效等效电路（模型）法路（模型）法 将非将非线性性 线性性n先静先静态（直流），后（直流），后动态（交流）（交流）n静静态：vI=0（正弦波正弦波过0点）点）n动态：vI 01、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 2、二极管状态判断、二极管状态判断例例1:2CP1（硅），硅），IF=16mA，VBR=40V求求VD、ID(a)(b)(c)(d)正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏iD IF？D反向截止反向截止ID=0VD=-10VD反向反向击穿穿iD=？vD=？二极管状二极管状态判断方法判断方法假假设D截止截止(开路开路)，求求D两端开路两端开路电压普通：普通：热击穿穿损坏坏齐纳：电击穿穿VD=-VBR=-40VVD 0VD正向正向导通？通？-VBR VD 0VD反向截止反向截止,ID=0VD -VBRD反向反向击穿穿,VD=-VBRD正向正向导通？通？D正向正向导通！通！习题2.4.4 试判断判断图题2.4.4中中二极管二极管导通通还是截止，是截止，为什么什么?(a)例例2:习题2.4.3 电路如下路如下图所示，所示，判断判断D的状的状态2、二极管状态判断、二极管状态判断 3、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法（2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模）(1)理想模型理想模型(3)折折线)恒恒压降模型降模型VD=0.7V（硅）硅）VD=0.2V（锗）Vth=0.5V（硅）硅）Vth=0.1V（锗）3、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法(4)小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范二极管工作在正向特性的某一小范围内内时，其正向特性可以等效，其正向特性可以等效为:微微变电阻阻根据根据 得得Q点点处的微的微变电导常温下（常温下（T=300K）4、应用电路分析举例、应用电路分析举例例例2.4.1 求求VD、ID。
截止(2)(2)以此以此类推，将推，将V V 1 1和和V V 2 2 的其余三种的其余三种组合及合及 输出出电压列于下表：列于下表：V V 1 1 V V 2 2 D D1 1 D D2 2 V V0 0 0V0V 0V 0V 导通通 导通通 0V0V 0V0V 5V5V 导通通 截止截止 0V0V 5V5V 0V 0V 截止截止 导通通 0V0V 5V5V 5V5V 截止截止 截止截止 5V5V 由上表可由上表可见，在，在输入入电压V V 1 1和和V V 2 2中，只中，只 要有一个要有一个为0V0V，则输出出为 0V;0V;只有当两只有当两输入入 电压均均为5V5V时，输出才出才为5V5V，这种关系在数种关系在数 字字电路中称路中称为“与与”逻辑注意：即判断注意：即判断电路中的二极管路中的二极管处于于导 通状通状态还是截止状是截止状态，可以先将二极管断开，可以先将二极管断开，然后然后观察阴、阳两极察阴、阳两极间是正向是正向电压还是反向是反向电压，若是前者，若是前者则二极管二极管导通，否通，否则二极管二极管截止截止（4）低低电压稳压电路路 稳压电源是源是电子子电路中常路中常见的的组成部分。
成部分利用二极管正向利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构降基本恒定的特点，可以构 成低成低电压稳压电路路例：在如例：在如图所示的低所示的低电压稳压电路中，直流路中，直流电源源电压 V V 的正常的正常值为10V10V，R=10kR=10k,当当 V V 变化化1V1V时，问相相应的硅二极管的硅二极管电压(输出出电压)的的变化如何？化如何？解：解：(1)(1)当当V V 的正常的正常值为10V10V时，利用二极管，利用二极管恒恒压降模型有降模型有 V VD D0.7V0.7V，由此可得二极管的由此可得二极管的电流流为 此此电流流值可可证实二极管的管二极管的管压降降为0.7V0.7V的的假假设(2)(2)在此在此Q Q点上，点上，(3)(3)按按题意，意，V V 有有1V1V的波的波动，它可，它可视为峰峰-峰峰值为2V2V的交流信号，的交流信号，该信号作用于由信号作用于由R R和和r rd d组成得分成得分压器上器上显然，相然，相应的二极管的信号的二极管的信号电压可按分可按分压比来比来计算，即算，即V Vd d(峰峰-峰峰值)由此可知，二极管由此可知，二极管电压V Vd d的的变化化为2.79mV2.79mV。
4、应用电路分析举例、应用电路分析举例例例2.4.4 求求 vD、iDVI=10V，vi=1Vsin t解解题步步骤:(1)静静态分析分析(令令vi=0）由恒由恒压降模型得降模型得VD 0.7V;ID 0.93mA(2)动态分析分析(令令VI=0）由小信号模型得由小信号模型得 分析方法小分析方法小结2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法假假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路两端开路电压VD 0.7VD正向正向导通通-VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID=0 (开路开路)VD -VBRD反向反向击穿穿VD=-VBR (恒恒压)VD=0.7V(恒恒压降降)状状态等效等效电路路条件条件将不同状将不同状态的等效的等效电路（模型）路（模型）代入原代入原电路中，分析路中，分析vI和和vO 的的关系关系画出画出电压波形和波形和电压传输特性特性特殊情况：求特殊情况：求 vD（波波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理恒恒压降模型降模型2.5 特殊二极管特殊二极管 2.5.1 稳压二极管（齐纳）稳压二极管（齐纳）2.5.2 变容二极管变容二极管 2.5.3 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管反向反向击穿状穿状态反向截止，利用反向截止，利用势垒电容容反向截止，少子漂移反向截止，少子漂移电流流特殊材料，正向特殊材料，正向导通通发光光必必须掌握掌握“齐纳二极管二极管”，其它了解。
，其它了解请自学！自学！2.5.1 稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）(1)稳定定电压VZ(2)动态电阻阻rZ 在在规定的定的稳压管反向管反向工作工作电流流IZ下，所下，所对应的的反向工作反向工作电压rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大最大稳定工作定工作电流流 IZmax 和最小和最小稳定工作定工作电流流 IZmin(5)稳定定电压温度系数温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数二极管主要参数2.5.1 稳压二极管稳压二极管2.5.1 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax#不加不加不加不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？自自动调整整过程：程：例：例：如如图所示是一个所示是一个简单的并的并联稳压电路路R R为限流限流电阻，求阻，求 R R 上的上的电压值V VR R和和电流流值。
R 解：假定解：假定输入入电压在（在（7-10V7-10V）内）内变化化R习题与预习习题预习3.1 半导体BJT 一、判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判断结果填入空内（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电（）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零（）自自 测 题解解：（1）（2）（3）1）PN结加正向电压时，空间电荷区将 A.变窄 B.基本不变 C.变宽 2）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是 A.ISeU B.C.3）稳压管的稳压区是其工作在 状态A.正向导通 B.反向截止 C.反向击穿解：解：（1）A （2）C （3）C 二、二、选择正确答案填入空内正确答案填入空内三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V解：解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V图T1.3四、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏解：解：UO16V，UO25V图T1.41.1 选择合适答案填入空内。
（1）在本征半导体中加入 元素可形成N型半导体，加入 元素可形成P型半导体A.五价 B.四价 C.三价（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 A.增大 B.不变 C.减小习 题解：解：（1）A，C （2）A 1.2 能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？解：解：不能因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏1.7 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为 6V和8V，正向导通电压为0.7V试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压 值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳 压值？各为多少？解：解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值（2）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等 两种稳压值1.8 已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流 的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM 150mW试求图P1.8所示电路中电阻R的取 值范围图P1.8 解：解：稳压管的最大稳定电流 IZMPZM/UZ25mA电阻R的电流为IZMIZmin，所以其取值范围为 1.9 已知图P1.9所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。
（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？图P1.9 解：解：（1）当UI10V时，若UOUZ6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿故 稳压管将因功耗过大而损坏当UI15V时，稳压管中的电流大于最小稳 定电流IZmin，所以 UOUZ6V 同理，当UI35V时，UOUZ6V（2）29mAIZM25mA，。
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