第2章 二极管

锗和硅的原子结构
硅晶体结构
硅单晶中的共价键结构
(1) 自由电子和空穴的形成

当本征半导体受热或光照时，使其共价键中的价电子获得足 够的能量后，电子脱离共价键的束缚，成为自由电子(带负 电)，共价键中留下一个空位，称为“空穴”。这种现象称 为本征激发(热“激发”)。
空穴
自由电子与 空穴成对出 现，二者数 目相等。
较大的正向电流
结电阻很低。
• 3. 加反向电压PN结截止 很小的反向电流漂移 结电阻很高。
二极管加正向电压时导通，伏安特性很
陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V），
可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加
反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱
和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大
而增大）且反向电流很小（nA级），可以近
被削弱,扩散运动大大增强, 电流明显增大，二极管导通。
D导通时的正向压降，硅管约 0.6-0.7V，锗管约为0.2-0.3V。
(2) 反向特性： 0C 段：当 uD＜UBR 时，内电场↑ iD很小 (3) 反向击穿特性： CD 段：当 uD＞UBR后， PN结被击穿，随着△U↑
扩散↓ 漂移↑
二极管截止。
第三节 半导体二极管的应用
利用它的单向导电性，主要用于 • • 1. 整流：将交流变换为直流； 2. 检波：从高频载波中检出调制信号；
•
•
3. 限幅：将输出电压的幅度限制在一定范围内；
4. 箝位及隔离；
•
5. 元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。
• 例 1.在整流电路中的应用：将交流变换为直流；
E 1.2V
求uo及画出波形，忽略二极 管导通压降。 解：1）当 ui ＞E 时，D导通；
∴ uo= UD + E≈ E 2) 当 ui ＜E 时, D截止， ∴ uo = ui 3) 画出波形
限幅电路
当 ui ＞E 时，D导通； uo= UD + E≈ E
当 ui ＜E 时, D截止， uo = ui
1)
开启电压
∴当u = 0时，i = 0； 当u > 0，且u>> UT时，
PN结的伏安特性曲线
开启电压（死区电压）,是由于 外加电场很小，还不足以克服 内电场的阻碍作用。此时多子 的扩散还受到抑制作用，因此 不能形成电流。
u UT
i IS e
当u < 0，且│ u │>> UT时，
i ≈-IS ， PN结反向截止。
穿烧坏。

2.4
主要参数
• 1. 额定整流电流 IF 表述：二极管工作与半波整流电路中，长期运行所允许通 过的电流平均值。 • 2. 正向工作电压 UF 表述：二极管工作与半波整流电路中，流过额定整流电流 时，管子的电压平均值。 • 3. 最高反向工作电压 UR 表述：保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。 • 4. 反向电流 IR 表述：指室温下二极管加上规定的反向工作峰值电压时所 对应的反向电流。 • 5. 反向击穿电压 UBR 表述：使二极管反向被击穿所对应的反向峰值电压。
流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不
大，此现象称为PN结的反向击穿。 雪崩击穿：反向电压较高时(U>6V)，PN结中 内电场较强，参加漂移的少子受到加速，与中 性原子相碰，使价电子受激发产生新的电子空穴
对，它们也被加速。形成链式反应，载流子浓度
骤增，反向电流随之增大。
齐纳击穿： 对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄， 只要加入不大的反向电压(U<4V)，耗尽层可获得很 大的场强，将价电子从共价键中拉出来，从而产生 更多的电子空穴对，使反向电流骤增。 热电击穿： 当pn结上加反向电压时，流过p–n结的电流会引 起热损耗。电压越大，对应损耗的功率也越大。如 果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去， 将引起pn结温度上升。反向饱和电流随温度按指数 规律上升，产生的热能也迅速增大，如此反复循环 下去，最后发生热电击穿。

P型半导体 少数载流子：自由电子 多子的浓度取决于掺入的杂质元素的浓度，受 温度影响很小； 少子的浓度取决于温度(热“激发”) 。
1.5 PN结的形成
空间 电荷区 + + + + 内电场 U0 PN结的形成过程 PN结平衡状态下的电位分布 + + + +
P
N + + + +
+ + + +
• 综上可简述为：
ui 2sin ωt V,
E 1.2V
ui 2sin ωt V, E 1V
限幅电路
电路如图所示，已知ui＝5sinωt (V)，二极管导通电压UD＝ 0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。
磷原子成为不 能移动的带正 电的离子。
磷原子的结构
硅晶体掺磷后出现自由电子
表述：以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子
半导体或 N型半导体。
自由电子
N型半导体
施主 原子
杂质原子中的空位由于 释放出了电子，成为不 能移动的带正电的离子。
1.4.2 P型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素(如硼元素)，原来晶体 中的某些硅原子被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电 子，与相邻硅原子形成共价键时，将产生一个空位（空位为电 中性）。硅原子的外层电子填补空位时，共价键中产生空穴。 于是在半导体中就形成了大量空穴。 自由电子数 ＜＜ 空穴数 少数载流子 多数载流子
U0-UF PN结加正向电压
U0
(2)
PN结加反向电压
IR 加反向电压 内电场↑ 空↑
反向电流 IR ↓ PN 结截止 （ PN 结反向 R↑)
外电场
U0 PN结加反向电压
U0+UF
* 结论： • 1. PN结具有单向导电性。
• 2. 加正向电压PN结导通
表述：uD与iD之间的关系即为二极管的伏安特性。
正 向 特 性
(1) 正向特性： iD
uD UT
I S (e
1)
0A 段：当 uD＜uth（死区电
压）时外电场不足以克服结 内电场对多数载流子扩散运 动的阻力，故正向电流 iD≈0。
iD I S e
锗二极管的伏安特性
uD UT
AB 段:当uD＞Uth后，内电场
似看作是一个断打开的开关。
1.7 PN结的电压与电流关系 1.7.1 PN结的U-I关系式
E R
i I S (e
u UT
i
1)
P
PN结
N
u 式中： IS —反向饱和电流
UT — 热电压， UT =kT / q，
当T=300K时， UT≈26mV。
1.7.2 PN结的U-I特性
u UT
i I S (e
2.5 其他二极管 发光二极管（Light Emitting Diode ）
光电二极管（Photo-Diode）
练 习 题
选择填空
• 1. N 型半导体中少数载流子是( B )；P 型半导体中多数载 流子是( B )。 A. 自由电子 B. 空穴 C. 中子 D. 质子 • 2. 扩散电流的大小由( C )决定；漂移电流的大小由( D ) 决定. A. 电子 B. 空穴 C. 掺杂浓度 D. 温度 • 3. 二极管两端加正向电压时，它的动态电阻随正向电流增 加而( B )； A. 增大 B. 减小 C. 不变
反 向 特 性
iD↑↑
D 失去单向导电性。 二极管的动态电阻rd
duD rd di D
反向击穿 特性
2.3 综述：
1）二极管的 U-I特性为非线性； 2）当 3）当 则 D 截止； 4）当 时，若 uD ＞ UBR ，则 D 反向击 时，且 uD＞Uth ，则 D 导通； 时，且 uD ＜ UBR ，有 IR ≈0，
第二节
半导体二极管
2.1 基本结构与符号
• 基本结构：二极管按结构分有：点接触型、面接 触型及平面型。
• (1) 点接触型二极管
点接触型半导体二极管结构示意图
(2)面接触型二极管
面接触型
(3)平面型二极管
平面二极管，采用扩散 法制成，用于大功率整 流和开关管。
平面型
二极管的电路符号
2.2 伏安特性（U-I特性)
• 例 2. 检波作用电路 如下图所示，当输入 电压为ui，试绘出输 出电压uO的波形。
设 UC
初始=0。
电路波形图 检波电路
电路如图所示，已知ui＝10sinωt(v)，试画出ui与uO的波形。 设二极管正向导通电压可忽略不计。
例 3. 限幅（削波）作用电路如图所示，
ui 2sin ωt V,
桥式整流电路

i1
工作过程分析：
i2
*当u2 ＞0 (正半周)，D1、D3导通，D2、D4 截止。 i1 的通路是a → D1→RL →D3 →b ; *当u2 ＜0 (负半周)， D2、D4 导通，D1、D3 截止。 i2 的通路是b →D2 →RL →D4 →a ;
输入的是正弦交流信号， 输出是脉动的直流电压和 电流！
第一节 半导体基础知识 1.1 导体、绝缘体和半导体
物质按导电性能可分为导体、绝 缘体和半导体。物质的导电特性 取决于原子结构。 导体:可在电场作用下流动自由电荷 的物体。金属和合金一般都是导体， 铝 如金、银、铜、铁、铝、钨、镍铬等。 绝缘体:不容易导电的物体叫绝缘体。 如惰性气体、橡胶、陶瓷等。 半导体:导电特性处于导体和绝缘体 之间的物体。 半导体在室温下电阻 率约在10-5～107 •m 之间。
氖
硅
1.2 本征半导体
表述：纯净的具有晶体结构的半导体称为
本征半导体。 • 化学成分纯净的半导体； • 物理结构上呈单晶体结构。
1.3. 本征半导体导电方式
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子 数都是四个。把硅或锗材料制成单晶体时，原子组成金刚石晶体 结构，每个原子周围有四个最邻近的原子。这四个原子处于正四 面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子 为这两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。 共价键共 用电子对
载流子浓度处于某一热平衡值。
温度升高→热运动加剧→载流子浓度升高→导电性增强 温度下降→导电性减弱
1.4 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。由此制造出人们所期望的 各种性能的半导体器件。
根据掺入的杂质元素的种类，可以分为N型半导体和 P型半导体。 控制掺入的杂质元素的浓度，可以控制杂质半导体的 导电性能
1.4.1 N型半导体
在硅(或锗)的晶体中掺入少量的五价元素(如磷元素)，原来晶 体中的某些硅原子位臵将被杂质原子代替。磷原子最外层有 5 个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身 原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，使得半导体中的自 由电子数目大量增加，于是有：
自由电子数 多数载流子 ＞＞ 空穴数 少数载流子
多子扩散
形成PN结
加大少子漂移运动 减少多子扩散运动
产生内电场 U0 漂移及扩散运动 达到动态平衡
形成稳定的PN结
PN结的形成过程
1.6
PN结的单向导电性
(1) PN 结加正向电压
IF 加正向电压 内电场 ↓
空间电荷区变窄
P
内电场 外电场
多子扩散运动↑ 少子漂移运动↓
N 形成正向电流 IF↑ PN 结导通 （ PN 结呈现 R↓)
IS:反向饱和电流，越小越好
1.7.3 温度特性：
二极管的特性对温度很敏感,
温度升高, 正向特性曲线向左移,
反向特性曲线向下移。
其规律是：在室温附近, 在同一 电流下, 温度每升高１℃, 正向 压降减小２-２.５ｍV；温度每升 高１０℃, 反向电流约增大1倍。
1.7.4 击穿特性 当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电
束缚电子
自由电子
共价键共 用电子对
(2) 本征半导体中电流的形成
电子电流：自由电子作定向运动所形成的电流； 空穴电流：由于空穴的存在，价电子将按一定的方 向依次填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动 的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相 当于正电荷的运动。 空穴 空穴 自由电子 空穴
本征半导体结构示意图
本征半导体中电流由两部分组成： 1.自由电子移动产生的电流。 2.空穴移动产生的电流。
载流子：运载电荷的粒子
自由电子
本征半导体的载流子
空穴
导体的载流子：自由电子
自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补 空穴，这种现象称为复合。

在一定温度下，本征激发产生的载流子和复合的 载流子，最终会达到动态平衡，使本征半导体内
多子扩散形成pn结产生内电场u加大少子漂移运动减少多子扩散运动漂移及扩散运动达到动态平衡形成稳定的pn结pn结的形成过程16pn结加正向电压空间电荷区变窄多子扩散运动少子漂移运动形成正向电流ipn结呈现r16pn结的单向导电性内电场加正向电压pn结加正向电压外电场17pn结加反向电压pn结加反向电压加反向电压内电场空间电荷区变宽多子扩散运动少子漂移运动反向电流ipn结截止pn结反向r外电场18加正向电压pn结导通较大的正向电流结电阻很低
硼原子成为不 能移动的带负 电的离子。
空位 硅晶体掺硼后出现空穴
硼原子的结构
表述：以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半
导体 或 P型半导体。
P型半导体
空穴
受主 原子
杂质原子中的空位由于 接受了电子，成为不能 移动的带负电的离子。
多数载流子：自由电子

N型半导体 少数载流子：空穴
多数载流子：空穴