二极管及其基本电路
什么是电子电路中的二极管
什么是电子电路中的二极管电子电路中的二极管（Diode）是一种重要的电子元件，广泛应用于各种电子设备中。
它是由半导体材料制成的，具有一个P型半导体和一个N型半导体之间形成的结构。
本文将介绍二极管的基本原理、工作特性及其在电子电路中的应用。
一、二极管的基本原理二极管是一种半导体器件，其原理基于P-N结的特性。
P-N结是指将P型半导体与N型半导体直接连接形成的界面。
在P型半导体中，电子是主要的载流子，而在N型半导体中，空穴是主要的载流子。
1. 电子流动方向当P-N结处于正向偏置（即P端连接正电压，N端连接负电压）时，电子从P端向N端流动，而空穴则不断从N端向P端补充。
这时，二极管处于导通状态，几乎没有阻抗。
2. 电子流动方向当P-N结处于反向偏置（即P端连接负电压，N端连接正电压）时，电子从N端向P端流动被P区吸收，空穴从P端向N端流动被N区吸收。
这时，二极管处于截止状态，几乎不允许电流通过。
基于以上原理，二极管具有单向导电性，只能在正向偏置下传导电流，而反向时则起到阻止电流的作用。
二、二极管的工作特性二极管的工作特性可以用伏安特性曲线来表示。
伏安特性曲线显示了二极管在不同电压下电流的变化关系。
伏安特性曲线的基本形状如下图所示：从伏安特性曲线中可以看出，二极管在正向偏置时，电压增大，电流迅速增加，呈现非线性特性。
而在反向偏置时，电流基本保持在很小的值，几乎不增加。
工作特性的研究可以帮助我们理解二极管的性能，并为电子电路的设计与分析提供重要参考。
三、二极管的应用由于二极管具有单向导电性和非线性特性，因此在电子电路中有着广泛的应用。
1. 整流器二极管的单向导电性使得其适合用作整流器。
在交流电信号中，二极管可以将电流限制在一个方向上，从而将交流信号转换为直流信号。
2. 稳压器二极管的非线性特性使其适合用作稳压器。
通过合理选择二极管的工作点，可以实现对电压的稳定输出，保护后续电路不受过高电压的影响。
二极管及其基本电路
二极管及其基本电路
二极管是一种具有单向导电性的电子器件，它只允许电流在一个方向上流动，而在相反的方向上则被阻止。
二极管的基本电路包括二极管本身以及与其连接的电路。
在基本电路中，二极管通常与电阻、电容等元件一起构成电路。
例如，在整流电路中，二极管被用来将交流电转换为直流电；在限幅电路中，二极管被用来限制电路中的电压或电流；在开关电路中，二极管被用来控制电路的通断。
二极管的基本工作原理是利用其单向导电性。
当正向电压加在二极管上时，二极管导通，电流可以通过；而当反向电压加在二极管上时，二极管截止，电流无法通过。
这种特性使得二极管在电路中具有重要的作用。
需要注意的是，不同类型的二极管具有不同的特性和应用。
例如，硅二极管和锗二极管的导通电压不同，硅二极管的导通电压为0.6V左右，而锗二极管的导通电压为0.2V左右。
因此，在使用二极管时，需要根据具体的电路需求选择合适的二极管类型。
二极管及其基本电路
6
杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导 电性能发生显著的改变。 因掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为空穴(P) 型半导体和电子(N)型半导体两大类。
7
P型半导体
在硅或锗的晶体内渗入少量三价元素杂质，如硼(或 铟)等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原于 组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便产生一个 空位。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发获得 能量时，有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移 动的负离子；而原来硅原子的共价键，则因缺少一个 电子，形成了空穴。 因为硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主杂 质或P型杂质，受主杂质除硼外, 尚有铟和铝。加入砷 化镓的受主原子包括元素周期表中的II族元素(作为镓 原子的受主)或IV族元素(作为砷原子的受主)。
12
PN结的形成
P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就 出现了电子和空穴的浓度差别，N型区内电子多而空 穴少，P型区内则相反，空穴多而电子少。 电子和空穴都要从浓度高的地方向着浓度低的地方扩 散。电子要从N型区向P型区扩散，空穴要从P型区向 N型区扩散。 电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和 N区中原来保持的电中性被破坏了。
N型半导体的共价键结构
在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。 若每个受主杂质都能产生一个空穴，或者每个施主杂 质都能产生一个自由电子，则尽管杂质含量很微，但 它们对半导体的导电能力却有很大的影响。
chap2 半导体二极管及其基本电路
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构类型 2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线 2.3.3 半导体二极管的参数
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构类型
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 PN结面积小，结电容小 类。它们的结构示意图如图所示。 (1) 点接触型二极管— 用于检波和变频等高频电路。
2.2 PN结
PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，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。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。
PN结加正偏
2.2 PN结
PN结加反向电压时的导电情况
2.1.3 本征半导体及其导电性
电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自 由电子。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。（这 一现象称为本征激发） 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，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相 等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
P型半导体的结构示意图
2.1.4 杂质半导体
P型半导体
多数载流子：空穴（掺杂形成）
少数载流子：自由电子（ 本征激发形成） 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（接受电子）。P型半导体 的结构如图所示。
P型半导体的结构示意图
*2.1.5半导体的载流子运动和温度特性
模拟电路二极管应用
模拟电路二极管应用在现代电子技术中，二极管是一种最基本的电子元件，具有众多应用。
它在模拟电路中扮演着重要的角色，本文将介绍二极管的基本原理和几种常见的应用。
一、二极管的基本原理二极管由两个半导体材料组成，其中一个材料是N型半导体，另一个是P型半导体，它们通过P-N结相接而成。
在二极管中，P型半导体中的电子会从高浓度区域流向N型半导体中的低浓度区域，形成电流流动的路径。
二极管的基本特性是其正向导通和反向截止。
当二极管的正向电压超过其正向电阻压降（一般为0.6-0.7V），二极管会导通，电流可以流过。
而当反向电压作用于二极管时，由于P-N结的结电容效应，二极管阻止电流通过。
二、二极管应用之整流电路在实际应用中，我们经常会使用二极管进行整流。
整流电路可以将交流信号转换为直流信号。
具体来说，当正弦交流信号作用于二极管时，二极管的正半周部分导通，负半周部分截止。
这样，通过一个二极管的电流就只能在一个方向上流动，从而实现了交流到直流的转换。
三、二极管应用之稳压电路二极管还可以被用于稳压电路中。
在一个简单的稳压电路中，将一个二极管与一个负载电阻和电压源相连。
当电源电压发生变化时，二极管的导通电压也会发生改变。
当电源电压增加时，二极管正向电压增加，导致二极管导通电流增大，反之则减小。
通过这种调节作用，稳压电路可以保持负载电阻上的电压稳定。
四、二极管应用之信号限制电路二极管还可以用于信号限制电路，以限制信号的幅度范围。
在一个简单的信号限制电路中，一个二极管与一个电阻组成。
在正向偏置电压下，信号的正部分会通过二极管导通，而负部分则被截止。
这样，信号的幅度就被限制在二极管的导通电压范围内。
五、二极管应用之温度测量电路二极管还可以用于温度测量电路中，因为二极管的导通特性与温度密切相关。
二极管的导通压降随温度变化而变化，这可以被用于测量环境的温度。
通过电压-温度的关系曲线，可以精确地计算出环境的温度。
总结：二极管在模拟电路中应用非常广泛，从整流到稳压，再到信号限制和温度测量，二极管的重要性不可低估。
二极管及其基本电路
vD
nV T
指数 关系
D
当加反向电压时： v
vD<0，当|vD|>>|V T |时 e 则 iD IS
常数
nV T
1
4、PN结的反向击穿
二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过 PN结的电流很小，但电压超过某一数值(反向击穿电压)时， 反向电流急剧增加，这种现象就称为PN结的反向击穿。
+4 +4 +4
+4
+3
+4
+4
+4
+4
自 由 电 子 空 穴 对
P型半导体的示意方法
空穴 受 主 离 子
－ － －
－ － －
－ － －
－ －
－
2.N型半导体
在硅（或锗）的晶体中掺入少量的五价元素杂质。(磷、锑)
硅原子
多余电子
+4
+4
+4
磷原子多余的电子易受 热激发而成为自由电子， 使磷原子成为不能移动的 正离子。 磷→施主杂质、N型杂质
正偏时，结电容较大，CJ≈CD 反偏时，结电容较小，CJ≈CB
§1.2 二极管
1.2.1 二极管的结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
（Anode）
1、二极管的电路符号：
2、分类
（Kathode）
按结构分：点接触型，面接触型，平面型。
按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，„„。 按材料分：硅二极管，锗二极管。
（3）PN结的V--I 特性及表达式
i D I S (e
vD
nV T
1)
vD ：PN结两端的外加电压
2二极管及其基本电路
• 随着反向电压的增大，阻挡层内部的电场增强，阻挡层中 载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大。当反向电压 增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价 键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对。新产生 的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产 生新的自由电子－空穴对。如此连锁反应使得阻挡层中载 流子的数量急剧增多，因而流过PN结的反向电流也就急 剧增大。因增长速度极快，象雪崩一样，所以将这种碰撞 电离称为雪崩击穿(Avalanche Multiplication )
门坎电压Vth（在正向电压的起始部分，由于正向电压较小， 外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电 压几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎） 硅管的Vth 约为0.5V，锗管的Vth 约为0.1V 当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增 长，二极管正向导通。硅管的正向导通压降约为0.7V，锗 管约为0.2V
（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。
（2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高，但对温度、 光照十分敏感。
（3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征 半导体中载流子浓度小得多。
§3.2 PN结的形成及特性
漂移电流与扩散电流
1、漂移电流 载流子在电场作用下有规则的运动-------漂移运动 形成的电流-------漂移电流
+4
+4
空穴运动的实质是共有电 子依次填补空位的运动。
+4
+4
二、本征半导体
2、本征半导体的导电机理 （3）结论
①电子和空穴总是成对出现的------本征激发。 电子和空穴也可以复合而消失。
②本征半导体在外电场的作用下，形成两种电流------空穴电 流和电子电流，外电路的总电流等于两种电流的代数和。 ③电子--空穴对的数目对温度、光照十分敏感。 ④本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
24二极管基本电路
采用理想模型
t
2.7V 0
10V
t
uo
采用恒压降模型
2.3.5二极管基本应用电路及分析方法
【例2.3】二极管限幅电路如图所示，求输出电压UAO。
解： 先断开D，以O为基准电位，
即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴 极的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。 导通后，D的压降等于0.7V，所以，AO的电压值为-6.7V。
(1) 若 ui为4V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流I和输出
电压uo
R
解：理想模型
+
I+
ui
uO
-
U RE F
-
恒压降模型
（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想 二极管模型和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形。
R
ui
+
I+
4V
2V
ui
uO
4.小信号模型
过Q点的切线可以等效成一
个微变电阻
即
rd
uD iD
根据 iD IS (euD /UT 1)
得Q点处的微变电导
（a）V-I特性 （b）电路模型
gd
diD duD
Q
IS vD /VT e Q
UT
iD UT
Q
ID UT
则
rd
1 gd
UT ID
常温下（T=300K）
uo
E
－
－
(a )上限 幅
＋
＋
VD
R
ui
6电第03章二极管及其基本电路(康华光) (2)共49页文档
－ －－ － － － + + + + + +
I
外电场
R
内电场
E
当内外电场相互抵消时,PN相当于短接:正向电流I≈E/（R1-11）
2、PN 结反向偏置(加反向电压) ——P区加负、N 区加正电压。
PN结变厚
内电场被加强，扩散受抑 制。漂移加强，形成较小
－ － － － － － + + + 的现+反高向电+ 漂阻+移，电PN流结≈0截。止呈。
极管反向击穿电压VBR的一半或三分之二。二极管击穿 后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
3. 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向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，IRM受温度的影响， 温度越高IRM越大。硅管的反向电流较小( nA级)，锗管 的反向电流较大(A级)，为硅管的几十到几百倍。
（1-14）
其中iD、
vD
的关系为：
iD
vD
IS(e VT
1)
vD ——PN结两端的电压降 iD——流过PN结的电流 IS ——为反向饱和电流
VT =kT/q ——称为温度的电压当量
其中k为玻耳兹曼常数：1.38×10－23 J/K q 为电子电荷量1.6×10－9 C T 为热力学温度,单位为K 对于常温(相当T=300 K)时：则有VT=0.026V
二极管相同。
IZmax
稳压管反向击穿时,
只要IZ＜IZmax
,
就不会永久击穿。 （1-41）
3、实际稳压管工作原理
I
(1)当稳压管正向偏置时
E
E ＜ 0.5V时：
I ＝0，处在死区。稳压管尚未导通。
二极管及其基本电路
杂质半导体
杂质半导体：为了提高半导体的导电能力，人为掺入某
些微量的有用元素作为杂质，称为杂质半导体。在提炼单 晶的过程中一起完成。掺杂是为了显著改变半导体中的自 由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。
所以，AO的电压值为-6V。
开关电路
1.在开关电路中，利用二极管的单向导电性以接通或 断开电路。
2.在分析这种电路时，即判断电路中二极管处于导 通状态还是截止状态，应掌握一条基本原则：
可以先将二极管断开，确定零电位点，然后观察（或 经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向电压， 若是前者则二极管导通，否则二极管截止。
三价元素掺杂——P 型半导体 五价元素掺杂——N 型半导体
本节中的有关概念
• 半导体材料－本征半导体结构－半导体掺杂 • 半导体的导电机制－自由电子、空穴 • 掺杂半导体－N型半导体、P型半导体 • 多数载流子（多子）、少数载流子（少子）
小结
• P型半导体中含有受主杂质，在室温下，受主 杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。
v
击穿
iIS(eV T1) (常温 V T下 2m 6 V电) 压
温度的 电压当量
材料 硅Si 锗Ge
开启电压 0.5V 0.1V
导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 开启 和电流 电压
反向饱和电流 1µA以下 几十µA
3.3.3 二极管的主要参数
• 最大整流电流（平均值）IF：是指管子长期运行时允许通过
3.2.3 PN结的单向导电性
• 外加电压才显示出来 • 外加正向电压： P 区接电源正极，或使 P 区的
第一章二极管及其基本电路
PN结方程
iD I S ( e
v D / nVT
1)
PN结的伏安特性 非线性
其中： IS ——反向饱和电流
VT ——温度的电压当量 常温下（T=300K） kT VT 0.026V 26 mV q n —发射系数 vD —PN结两端的外加电压
v D / nVT i I e 近似 正向： D S 估算 反向： i I D S
1 掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。
§1.1 半导体的基本知识
电子器件中，用的最多的半导体材料是硅和锗。
Ge
Si
+4
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
2
二、本征半导体 本征半导体 — 完全纯净、结构完整的半导体晶体。
半导体的共价键结构
§1.1 半导体的基本知识
+4
⑴PN结加正向电压:P区接正，N区接负
变薄
－ － － － － + + + + +
＋
I ： 扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
－ － － － － + + + + +
－
IF
外电场 小 内电场被削弱，多子的扩散加 结 强，形成较大的扩散电流I。 VF
16
内电场
3.PN结的单向导电性
b.恒压降模型
当二极管导通后，认 为其管压降vD=VON。 常取vD硅=VON=0.7V vD锗=VON=0.2V
适用
只有当二极管的电流iD近似 等于或大于1mA时才正确。
恒压降模型
应用较广泛。
二极管的直流等效电路
二极管的直流等效电路摘要：一、二极管的基本原理二、二极管的直流等效电路1.正向偏置2.反向偏置3.电压与电流关系三、二极管的特性曲线四、应用二极管的直流等效电路1.整流电路2.稳压电路正文：一、二极管的基本原理二极管是一种最基本的电子元件，具有单向导通特性。
它由P型半导体和N型半导体组成，两者之间的交界处称为PN结。
当P型半导体一侧施加正向电压时，PN结处于正向偏置，二极管呈现低阻抗状态，允许电流通过；当N 型半导体一侧施加正向电压时，PN结处于反向偏置，二极管呈现高阻抗状态，电流几乎不通过。
二、二极管的直流等效电路1.正向偏置在正向偏置时，二极管的直流等效电路可以看作是一个电阻器。
此时，二极管的电流与电压之间的关系可以用以下公式表示：I = 0.5 * uA * (V - Vt)^2其中，I为二极管的正向电流，uA为二极管的正向电流放大系数，V为二极管的正向电压，Vt为二极管的正向阈值电压。
2.反向偏置在反向偏置时，二极管的直流等效电路可以看作是一个开路。
此时，二极管的电流几乎为零，电压可以达到很高。
然而，当反向电压达到二极管的反向击穿电压时，二极管将损坏。
3.电压与电流关系二极管的电压与电流关系可以通过其特性曲线表示。
特性曲线是描述二极管在不同偏置条件下电压与电流之间关系的曲线。
通常情况下，二极管的特性曲线分为三个区域：正向特性区、死区和高阻区。
三、二极管的特性曲线二极管的特性曲线是通过对二极管进行不同程度的正向和反向偏置，观察电压与电流的变化关系绘制而成的。
在正向偏置时，二极管的电流随着电压的增加而呈指数增长；在反向偏置时，二极管的电流几乎不变，直到达到反向击穿电压。
四、应用二极管的直流等效电路1.整流电路二极管在整流电路中具有广泛应用。
整流电路的作用是将交流电压转换为直流电压。
利用二极管的单向导通特性，可以实现交流电压的正半周期通过，而负半周期截止，从而得到直流电压。
2.稳压电路二极管在稳压电路中也具有重要应用。
南邮模电课件-第1章--晶体二极管及其基本电路
第1章 半导体二极管及其基本电路
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
图1―8不对称PN结
29
第1章 半导体二极管及其基本电路
1―2―2 PN 一、PN结加正向电压— forward bias
IF P 区
外电场
N区 内电场
限流电阻
外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。
及外加电场的强度等因素决定。
21
第1章 半导体二极管及其基本电路
二、扩散电流（扩散运动） 1．定义：因某种原因使半导体中的载流子的浓度分 布不均匀时，载流子从浓度大的地方向浓度小的地方 作扩散运动，形成的电流。 2．扩散电流主要取决于载流子的浓度差（即浓度 梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与浓度值无 关。
18
第1章 半导体二极管及其基本电路
nn pn ni2
pn
ni2 nn
ni2 ND
对P型半导体，多子pp与少子np有
pp np ni2
np
ni2 pp
ni2 NA
(1―2a)
(1―2b) N型半导体，施
主浓度
(1―3a)
(1―3b) P型半导体，受
主浓度
19
第1章 半导体二极管及其基本电路
本征半导体受外界能量（热、电、光等能量）激发，同 时产生电子、空穴对的过程称为本征激发。
二、本征载流子浓度 1．复合：在本征半导体中，由于本征激发，不断产生
电子、空穴对，使载流子密度增加。与此同时，又会有 相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，电子会填入空 穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对 电子、空穴，这一过程称为复合。
一讲：二极管及其基本电路
导言 我们为什么要学习模拟电子技术在自然界以及人类活动中，存在着各种各样的信息。
承载着这些信息的载体，就叫做信号。
现实生活中，我们会遇到种类繁多的信号，比如声信号、光信号、温度信号等等，这些时间连续、幅值连续的信号叫做模拟信号，也就是数学当中的连续函数。
在对这些信号进行处理时，为了方便研究，需要将它们转换成电信号。
将各种非电信号转换为电信号的器件或装置叫做传感器，在电路中常将它描述为信号源。
然而，传感器输出的电信号通常是很微弱的，如细胞电生理实验中所检测到的电流仅有皮安（pA ，A 1210-）量级。
对于这些过于微弱的信号，一般情况下既无法直接显示，也很难作进一步处理。
因此，需要将这些信号输入到放大电路中进行放大处理。
如何利用各种元件设计出合理的放大电路，对信号源进行有效的、减少失真的处理，是这门课程的主要内容。
可以说，“放大”一词，就是这门课的核心。
课时一：二极管及其基本电路一、PN 结1. 形成通过一定的工艺，在同一块半导体的一边掺杂成P 型，另一边掺杂成N 型，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷区，又称势垒区或耗尽层，即为PN 结的形成。
2. 单向导电性PN 结正向偏置时，耗尽层变窄，呈现低电阻，称为正向导通；PN 结反向偏置时，耗尽层变宽，呈现高电阻，称为反向截止。
3. 电容效应PN 结的电容效应包括扩散电容D C 和势垒电容B C 。
4. 反向击穿特性PN 结的反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种现象。
二、半导体二极管半导体二极管就是一个封装的PN 结。
1. 二极管的伏安特性1) 伏安特性表达式二极管是一个非线性器件，其伏安特性的数学表达式为)1(-=T D V v S D e I i在室温下（K T 300=时），mV V T 26=。
[例1.1]在室温下，若二极管的反向饱和电流为nA 1，求它的正向电流为mA 5.0时应加多大的电压。
2) 伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线如下图所示。
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3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.5 特殊二极管
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3.1 半导体的基本知识
在自然界中，根据物质导电能力的差别，可 将它们划分为导体、绝缘体和半导体。
如：橡胶、陶瓷、塑 料和石英等等
如：金属
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半导体：
这种物质的导电特性处于导体和绝缘体之间。 常见的半导体材料有：锗、硅、砷化镓和一 些硫化物、氧化物等。 其中最典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都 是4价元素。
3.3 半导体二极管
一.半导体二极管的结构
1. 二极管的几种常见外形
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2. 二极管的几种常见结构
(a)点接触型
(b)面接触型
【Cathode】 a 【Anode】
(c)集成电路中的平面型
k
二极管的符号
【可参见教材P69图3.3.1】
构成： PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号： A (anode) 按材料分 分类： 点接触型 按结构分 面接触型 平面型 C (cathode)
本征半导体的导电机制【见教材P57图3.1.4】
－
E
＋
自由电子
+4
+4 空穴
+4
+4
本征半导体的 导电性取决于 外加能量：温 度变化，导电 性变化；光照 变化，导电性 变化。
自由电子——带负电荷，形成电子流
两种载流子 空穴——视为带正电荷，形成空穴流
三. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半
－ － － － － + + + + +
－
IF
外电场 小 内电场被削弱，多子的扩散加 结 强，形成较大的扩散电流I。 VF
内电场
PN结加正向电压时导通【可参考教材P64图3.2.3】
运势内 动垒外 的降电 进低场 行，方 。有向 利相 于反 扩， 散故
2.
外加反向电压
即电源的正极接N区，负极接P区。
导体称为杂质半导体。
空穴（P）型半导体 因掺入杂质性质 【Positive】
不同，可分为：
电子（N）型半导体
【Negative】
1. P型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如 硼、镓等。 P型半导体的结构图【见教材P58图3.1.5】 空穴 +4 多数载流子（多 子）—空穴； 空穴的来源： 少数载流子（少 子）－自由电子。 （1）本征激发产生 （少量的） （2）掺入杂质元素 后多余出来的（大量 的）
【同前面所讲！】
3.2 PN结的形成及特性
一. PN结的形成
【见教材P60图2.2.1】
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耗尽层
PN结
势垒区
阻挡层
-
+
V（电位势垒） 0
耗尽层
PN结
势垒区
阻挡层
－
+
V（电位势垒） 0
＋ 内电场
由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动： 多数载流子的扩散运动
P区空穴→N区 N区电子→P区 N区空穴→P区 P区电子→N区
3.
PN结V-I特性的表达式（以硅二极管PN结为例）
vD VT
iD I S ( e
＋ IR －
VBR
1)
－
式中：
iD/mA
＋
iD: 通过PN结的电流；
vD: PN结两端的外加 电压；
IF
iD=-IS
vD/V
(μA)
VT: 温度的电压当量， 在常温(300K)下， VT≈26mV（※）； IS: 反向饱和电流
硅二极管 锗二极管
几种常见二极管实物图
触发二极管
开关二极管
3. 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格
代表器件的类型，P为普通管，Z为整 流管，K为开关管。
代表器件的材料，A为N型Ge，B为P 型Ge， C为N型Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管
电 子 空 穴 对
+4
+4
+4
+4
这一现象称为 本征激发，也 称热激发。
的 打随 所 过 破机 谓 程 而热 本 。 产振 征 生动 激 电致 发 子使 ， 共就 空价 是 穴键 由 对被 于 —
温度升高后，本征半导体结构图【见教材P56图3.1.3】 复合：与本征激发现象相 反，即自由电子遇到空穴
－ － － － － + + + + +
－
+ + － － － － I：漂移电流 + + + － P区 N区 － － － － － + + + + +
＋
内电场 外电场 内电场被加强，多子的扩散受抑制。 小 少子漂移加强，但少子数量有限，只 结 能形成较小的反向电流I 。 VR R
IR
PN结加反向电压时截止【可参考教材P64图3.2.3】
PN结的这种接法称为反向接法或反向偏置
（简称反偏）。
PN结加反向电压时截止【可参考教材P64图3.2.3】 空间电荷区
－ － － 少子电子 － － +
少子空穴
+
+ + +
－
+ － － － － 漂移运动 + + + + － P区 N区 － － － － － + + + + +
＋
内电场 外电场 VR
PN结加反向电压时截止【可参考教材P64图3.2.3】 变厚
【可参见教材P64图3.2.4】
iD I S
常数
3.
PN结V-I特性的表达式（以硅二极管PN结为例）
vD VT
iD I S ( e
＋ IR －
VBR
1)
－ ＋
PN结的反向击穿： 反向击穿 电击穿 可逆
iD/mA
反向击穿电压
iD=-IS
IF
雪崩击穿
齐纳击穿
vD/V
(μA)
热击穿 不可逆
+4
+3
+4
1. P型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如 硼、镓等。 P型半导体的结构图【见教材P58图3.1.5】 空穴 +4 多数载流子（多 子）—空穴； 少数载流子（少 子）－自由电子。 自由电子的来源： 只有本征激发产生 （少量的）
+4 受主原子 +3
+4
2. N型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，
二. PN结的单向导电性
前提：只有在外加电压时才会显示出来
1. 外加正向电压
即电源的正极接P区，负极接N区。
PN结的这种接法称为正向接法或正向偏置 （简称正偏）。
PN结加正向电压时导通【可参考教材P64图3.2.3】
多子空穴
空间电荷区
+ + + 多子电子 + +
－ － － － －
＋
+ － － － － 扩散运动 + + + + － P区 N区 － － － － － + + + + +
变薄
+ + + 多子电子 + +
－ － － － －
＋
I：扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
－ － － － － + + + + +
－
IF
外电场 正向电流 VF
内电场
PN结加正向电压时导通【可参考教材P64图3.2.3】 变薄
－ － － － － + + + + +
＋
I：扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
如磷，砷等。
N型半导体的结构图【见教材P59图3.1.6】 多数载流子（多 子）—自由电子； +4 +4 多余的电子 自由电子的来源： 少数载流子（少 （1）本征激发产生 子）—空穴。 （少量的） （2）掺入杂质元素 后多余出来的（大量 的）
+5
+4
2. N型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，
－ － － － － －
空穴
+
+
+ + +
+ + +
+ +
+ +
－ － － － － －
自由电子
P型半导体
N型半导体
少子浓度——只与温度有关
多子浓度——主要受掺入杂质浓度的影响
杂质半导体的示意表示方法
负离子
－ － － － － － － － － － － － + + + + 正离子 + + + + + + + +
二.二极管的V-I特性
iD/mA
两点说明： ① 关 于 死 区 电 压
V（BR）
Vth
iD/μA
vD/V
门槛电压（或称死区电压） 【可参见教材P70图3.3.2】 （或称开启电压） 硅管约为0.5V 它的大小与二极管的材 料及温度等因素有关。 锗管约为0.1V