最新2半导体二极管及其基本电路
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半导体二极管及基本电路PPT课件
• 基础知识 • 半导体二极管 • 二极管基本电路及分析方法 • 稳压二极管及电路分析方法
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1.1 半导体的基础知识
一．半导体
• 按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘 体和半导体三类。
① 导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的 物体。
② 绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能 力的物体。
• 一般情况下，锗管反向电流I R＞硅管I R反向电流。
27
第27页/共71页
综述：
• 1）二极管的 V—A 特性为非线性；
• 2）当 导通；
时，且 U D ＞U T ，则 D
• 3）当 -U BR ＜ U D ＜ U T ，有I R ≈0，则 D 截 止；
• 4）当
时，且 绝对值U R ＞ U
BR ，则反向击穿烧坏。
一、课程的性质及任务
• 1. 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课，是研究各种半导体器件、 电子线路及应用的一门学科。
• 2. 学生通过本课程的学习，掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识， 为今后进一步学习打下一定的基础。
1
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• 二 研究对象
• 1.电子器件的特性、参数； • 2.电子线路分析的基本方法：即模拟电路和数字电路的分析方法。 • 3.有关应用。
由此得知： • 1）稳压管的 V—A 特性为非线性，且反向特性
很陡，； • 2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作
于反向击穿状态。
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二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它 的反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
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1.1 半导体的基础知识
一．半导体
• 按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘 体和半导体三类。
① 导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的 物体。
② 绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能 力的物体。
• 一般情况下，锗管反向电流I R＞硅管I R反向电流。
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综述：
• 1）二极管的 V—A 特性为非线性；
• 2）当 导通；
时，且 U D ＞U T ，则 D
• 3）当 -U BR ＜ U D ＜ U T ，有I R ≈0，则 D 截 止；
• 4）当
时，且 绝对值U R ＞ U
BR ，则反向击穿烧坏。
一、课程的性质及任务
• 1. 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课，是研究各种半导体器件、 电子线路及应用的一门学科。
• 2. 学生通过本课程的学习，掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识， 为今后进一步学习打下一定的基础。
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• 二 研究对象
• 1.电子器件的特性、参数； • 2.电子线路分析的基本方法：即模拟电路和数字电路的分析方法。 • 3.有关应用。
由此得知： • 1）稳压管的 V—A 特性为非线性，且反向特性
很陡，； • 2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作
于反向击穿状态。
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二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它 的反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
第02章 半导体二极管及基本电路
一、N 型半导体：
N型
电子为多数载流子
+4 +4 +4
空穴为少数载流子
+4 +5 +4 自由电子
磷原子 施主原子
载流子数 电子数
N型杂质半导体的特点：
1、与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时 并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构 中，不能自由移动，不起导电作用。
2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N
特性 符号及等效模型：
iD
uD
S
S
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∞。
正偏导通，uD = 0； 反偏截止， iD = 0 R =
二、二极管的恒压降模型
iD U (BR) URM O IF uD
iD UD(on) uD
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
iD 急剧上升
死区 电压
UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.1 0.3) V 锗管 0.2 V iD = IS < 0.1 A(硅) 几十 A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
U(BR) U 0 U < U(BR)
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。 反向击穿原因： 齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V) 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 雪崩击穿： 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V)
t
例: ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。 1、 0.7 V < ui < 0.7 V
二极管原理及其基本电路
二极管原理及其基本电路二极管是一种最简单的半导体器件，它具有非常重要的功能和应用。
本文将介绍二极管的原理以及其基本电路。
一、二极管的原理二极管是由一种带有p型半导体和n型半导体的材料组成的。
在p-n 结的区域内，因为半导体的材料特性，会形成一个电势垒。
当外加电压的极性与电势垒形成的方向相反时，电势垒将变得更大，称为反向偏置；当外加电压的极性与电势垒形成的方向一致时，电势垒将变得更小，称为正向偏置。
在二极管的工作中，主要有以下几个重要的特性。
1.正向电压特性：当二极管处于正向偏置状态时，在两端加上正向电压时，电势垒逐渐缩小，直到消失。
在这个过程中，二极管的导电性变得很好。
正向电压越大，二极管导通越好。
2.反向电压特性：当二极管处于反向偏置状态时，在两端加上反向电压时，电势垒逐渐增加。
当反向电压超过反向击穿电压时，二极管就会发生击穿，电流急剧增大，此时二极管就会损坏。
3.导通和截止特性：当二极管处于正向偏置状态时，正向电压不超过一定限制时，二极管会导通。
当正向电压超过这个限制时，二极管截止，不导通。
而当二极管处于反向偏置状态时，无论外加电压的大小，其表现都是开路状态，不导通。
二、二极管的基本电路二极管广泛地应用于各种电路中，下面介绍几个常见的二极管基本电路。
1.正向电压特性测试电路：这是一个测试二极管正向电压特性的电路。
它由一个电压源、一个限流电阻和一个二极管组成。
通过改变电压源的电压，可以测量二极管在不同电压下的电流。
当电压逐渐增加时，电流也逐渐增加，直到达到二极管的最大电流。
2.整流电路：整流电路主要用于将交流电转换为直流电。
它由一个二极管和负载组成。
当二极管处于正向偏置状态时，它允许正向电流通过，从而将正半周期的交流信号变为直流信号。
而当二极管处于反向偏置状态时，它阻止反向电流通过。
3.限流电路：限流电路主要用于限制电流的大小。
它由一个电压源、一个电阻和一个二极管组成。
二极管起到了稳压和限流的作用。
02第二章半导体二极管及其基本电路
(1) 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。
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
iD/m A 1.0
0.5
内电场方向
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
PN结的伏安特性
(2) PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压方向与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。
结上的功耗使PN结发热，并超过
它的耗散功率时，PN结将发生热
击穿。这时PN结的电流和温度之
间出现恶性循环，最终将导致PN
结烧毁。
雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
热击穿——不可逆
5 . PN结的电容效应
PN结除了具有单向导电性外，还有一定的 电容效应。按产生电容的原因可分为：
势垒电容CB ， 扩散电容CD 。
束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够 的能量，不易脱离轨道。
因此，在绝对温度T=0K（-273 C）时，由于共 价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子， 不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。
3. 电子与空穴
当导体处于热 力 学 温 度 0K 时 ，
自由电子
空穴
束缚电子
导体中没有自由电
类特
特
析
型性
性
方
曲
半导体二极管及其基本应用电路(12)
2021/3/6
3
1.1 半导体二极管
1）本征半导体中的两种载流子——电子和空穴
在室温下，本征半导体中少数价电子因受热而获得能量 ，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电 子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留 下了一个空位，这个空位称为空穴。由于本征硅或锗每产 生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成 对出现，称为电子空穴对。
• 1.4.5 激光二极管
• 激光是英文Laser的意译，音译为“镭射”。激光是 由激光器产生的。激光器有固体激光器、气体激光 器、半导体激光器等。半导体激光器是所有激光器 中效率最高、体积最小的一种，而比较成熟且实用 的半导体激光器是砷化镓激光器，即激光二极管。
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• 图1-3-10为倍压整流电路，该电路是用n个整流二极管和n 个电容组成n倍压整流电路。从图1-3-10中a、c两端取出电 压为nU2 ，其中n为偶数；而从b、d两端取出电压为nU2 ， 其中n为奇数。可以根据需要选择输出电压。在电路中，除 了电容C1承受电压为U2外，其他电容上承受的电压均为 2U2，每个整流管的反向电压为2U2。该电路虽可得到较高 的直流输出电压，但它的输出特性很差，所以只适用于负 载电流很小，且负载基本上不变的场合。
• 二极管的主要特性是单向导电。二极管的特性可用伏安特性曲线来描 述。
• 1．二极管的伏安特性曲线 • 二极管的种类虽然很多，但它们都具有相似的伏安特性。所谓二极管
伏安特性曲线就是流过二极管的电流Ｉ与加在二极管两端电压U之间的
关系曲线。图1-1-13 所示为硅和锗二极管伏安特性曲线，
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第 1章
半导体二极管及其基本应用电路
第二章 半导体二极管及其基本电路-1
空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实
现的。
*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响
温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑
2.1.4 杂质半导体
P型半导体 掺入三价杂质元素（如硼）
N型半导体 掺入五价杂质元素（如磷）
空穴 ＝ 多子 自由电子 ＝ 少子
它主要由杂质原子提供 由热激发形成
PN结形成的物理过程：
因浓度差
宽
多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区
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
扩散 > 漂移
是
否
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
2.2.2 PN结的单向导电性
只有在外加电压时才… 扩散与漂移的动态平衡将…
定义：加正向电压，简称正偏
加反向电压，简称反偏
(4) 二极管的代表符号
阳极 a
k 阴极
(d) 代表符号
2.3.2 二极管的伏安特性
iD/mA
20
15
VBR
40
10 Vth
5
30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 死区 20
D/V
30 40
iD/ A
反向击穿特性
iD/mA
正向特性
20
反向特性
15
①
10
60
2.1 半导体的基本知识 2.2 PN结的形成及特性 2.3 半导体二极管 2.4 二极管基本电路及其分析方法 2.5 特殊二极管
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
2二极管及其基本电路
• 1.雪崩击穿
• 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。
• 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。
第二章半导体二极管及其基本电路
稳压管稳压时必须工作在反向电击穿状态。
特性参数
2.5.1 稳压二极管
(1) 稳定电压VZ 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。
(2) 动态电阻rZ rZ =VZ /IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
(5)稳定电压温度系数——VZ
外 内
PN 结 的 单 向 导 电 性
动画三
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。
PN结电流方程
PN结两端的电压与
由半导体物理可推出： I 流IS过(ePUN结UT电流1)的关系式
外电场方向与PN结内电
外
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。
内
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结的单向导电性
2. PN结加反向电压时的导电情况
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；
外电场与PN结内电场方 向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻 碍增强，扩散电流大大减 小。少子在内电场的作用 下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流 大于扩散电流，可忽略扩 散电流。 PN结呈现高阻性
U
U 交流电阻：r=26mv/ ID(mA)
2.3.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM
(3) 反向电流IR
(4) 正向压降VF (5) 极间电容CB
特性参数
2.5.1 稳压二极管
(1) 稳定电压VZ 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。
(2) 动态电阻rZ rZ =VZ /IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
(5)稳定电压温度系数——VZ
外 内
PN 结 的 单 向 导 电 性
动画三
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。
PN结电流方程
PN结两端的电压与
由半导体物理可推出： I 流IS过(ePUN结UT电流1)的关系式
外电场方向与PN结内电
外
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。
内
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结的单向导电性
2. PN结加反向电压时的导电情况
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；
外电场与PN结内电场方 向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻 碍增强，扩散电流大大减 小。少子在内电场的作用 下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流 大于扩散电流，可忽略扩 散电流。 PN结呈现高阻性
U
U 交流电阻：r=26mv/ ID(mA)
2.3.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM
(3) 反向电流IR
(4) 正向压降VF (5) 极间电容CB
二极管及基本电路
PN结加上引线和封装 二极管
按结构 分类
点接触型 面接触型 平面型
3.3.2 二极管的伏安特性
阳极 a 阴极 k
3.3.3 二极管的参数
二极管及基本电路
16
半导体二衬底
平面型
二极管及基本电路
点接触型
17
3.3.2 二极管的伏安特性
iD/m A
导电的 1、其能力容易受环境因素影响
重要特点
（温度、光照等）
2、掺杂可以显著提高导电能力
二极管及基本电路
2
3.1.2 半导体的共价键结构 两个价电子的
共价键
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
原子结构 简化模型
+4
+4
+4
正离子核
3.1.3 本征半导体 — 完全纯净、结构完整的半导体晶体。
在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电
二极管及基本电路
3
3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用
自由电子
温度
光照
+4
+4
+ 4 空穴
本征激发
由热激发或光照而产生
+4
+4 ＋ +4
自由电子和空穴对。
空穴
——共价键中的空位
+4
+4
+4
空穴的移动——空穴的运
动是靠相邻共价键中的价电 子依次充填空穴来实现的。
温度 载流子浓度
二极管及基本电路
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
第二章 半导体二极管及其应用电路
由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做 成各种热敏元件。
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利
用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
直流工作电流 I D
ID
US1 U F RS(6 Nhomakorabea0.7)V 1k
5.3mA
二极管的动态电阻
26mV 26mV
rd
ID
4.9
5.3mA
再令 US1 0 ，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交
流电流 id
id
us2 RD rd
0.2sin 3140 tV (1 4.9 10 3 )kΩ
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，这种杂质半导体中， 空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。 这种半导体的导电主要依靠空穴，称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型半导体。
2021/3/2
7
需要指出的是：
不论是N型还是P型半导体，整个晶体仍然呈中性。
描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值 U Z 和
最大稳定电流 2021/3/2
I Zmax。
26
参数简介：
是指稳压管正常工作时的额定电压值。由
稳定电压U Z ： 于半导体生产的离散性，手册中的往往给出的
是一个电压范围值。
最大稳定电
是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，
流 I Zmax：
实际工作电流不得超过该值，超过此值时，稳压 管将出现热击穿而损坏。
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利
用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
直流工作电流 I D
ID
US1 U F RS(6 Nhomakorabea0.7)V 1k
5.3mA
二极管的动态电阻
26mV 26mV
rd
ID
4.9
5.3mA
再令 US1 0 ，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交
流电流 id
id
us2 RD rd
0.2sin 3140 tV (1 4.9 10 3 )kΩ
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，这种杂质半导体中， 空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。 这种半导体的导电主要依靠空穴，称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型半导体。
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需要指出的是：
不论是N型还是P型半导体，整个晶体仍然呈中性。
描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值 U Z 和
最大稳定电流 2021/3/2
I Zmax。
26
参数简介：
是指稳压管正常工作时的额定电压值。由
稳定电压U Z ： 于半导体生产的离散性，手册中的往往给出的
是一个电压范围值。
最大稳定电
是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，
流 I Zmax：
实际工作电流不得超过该值，超过此值时，稳压 管将出现热击穿而损坏。
半导体二极管及其基本应用电路
半导体二极管及其基本应用电路1.1 PN结的基本知识1.1.1 N型半导体和P型半导体在物理学中已知，常用的四价元素硅和锗等纯净半导体（称本征半导体）中的载流子，为自由电子（带负电荷）和空穴（带正电荷），是在常温下激发出来的，（称为热激发或本征激发），其数量很少，故导电能力微弱，介于导体和绝缘体之间。
在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，因此两种载流子的浓度是相等的。
本征半导体中的载流子浓度除了与半导体材料的性质有关外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高基本上按指数规律增加。
所以，本征载流子浓度对温度十分敏感。
在本征半导体桂或锗中渗入微量五价元素，如磷或砷，（称为杂质）等，可使自由电子的浓度大大增加，自由电子成为多数载流子，（简称多子），空穴成为少数载流子（简称少子）。
这种以电子为导电为主的半导体成为N型半导体。
由于离子不能移动，故不能参与导电，整体半导体仍然呈电中性。
在本征半导体硅或锗中渗入微量三价元素杂质，如硼或铟等，则空穴浓度大大增加，空穴成为多子，而电子成为少子。
这种以空穴为主的半导体成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体统称为杂质半导体，掺杂后半导体的导电能力将显著增加，有理论计算可知，在本征半导体中掺入百分之一的杂质，可使载流子浓度增加近一万倍。
在杂质半导体中，多子的浓度主要取决于杂质的含量；少子的浓度主要与本征激发有关，如前所述，他对温度的变化非常敏感，因此，温度是影响半导体器件性能的一个重要因素。
1.1.2 PN结的形成若在一种类型杂质半导体的基片上，用特定的掺杂工艺加入另一种类型杂质元素，这样在所形成的P型半导体和N 型半导体的交界两侧，P区的空穴（多子）和N区的电子（多子）浓度远大于另一区的同类少子浓度，因而多子通过交界处扩散各自向对方运动，这种由于浓度差而引起的载流子运动成为扩散运动。
载流子扩散运动的结果是使电子和空穴复合载流子消失，在交界面N区一侧失去电子而留下正离子，P区一侧失去空穴而留下负离子。
半导体二极管及其应用电路
面接触型
硅平面型
阳极
阴极
金属支架
正极引线
负极引线
金锑合金
P型硅
铝合金小球
N型硅片
阳极引线
阴极引线
N型锗片
金属触丝
管壳
二氧化硅保护层
负极引线
阳极引线
N型硅
P型硅
二极管外形示意图
阳极
阴极
面接触型二极管特点：结面积大、结电容大，允许通过较大的电流，适用于低频整流。
硅平面型二极管特点：结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。
u
u<0时
整流电路
uo(io）
0
π
2π
3π
ωt
0
π
2π
3π
ωt
u
uo
io
D4
D1
D2
D3
u
+ -
uo
+
-
RL
io
0
π
2π
3π
ωt
iD
iD1 ,iD3
iD2 ,iD4
整流电路
uo(io）
0
П
2П
3П
ωt
uo
io
桥式全波整流输出电压uO的平均值UO为:
U为交流电源u的有效值
负载电阻RL中流过的电流iO的平均值IO为:
其中IDZ=(5~25)mA IL=UZ/RL=6/600=10mA
本节知识要点
1. 伏安特性方程：
A
D
C
B
iD
uD
o
UBR
一、二极管的伏安特性
2. 伏安特性曲线
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3)折线模型
二极管常用模型
二极管工作在正向特性的某一小 范围内时，其正向特性可以等效 成一个微变电阻。
即
rd
vD iD
根据
得Q点处的微变电导
iDIS(evD/VT1)
gd
di D dv D
Q
IS evD /VT VT
Q
ID VT
则
rd
1 gd
VT ID
常温下（T=300K）
rd
VT ID
26(mV) ID(mA)
N型半导体
2-2 PN结的形成及特性
PN结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造 P型半导体和N型半导体，经过载流子 的扩散和漂移，在它们的交界面处就 形成了PN结。
PN结处载流子的运动-1
漂移运动
P型半导 体
－－－－ － －
－－－－ － －
－－－－ － －
－－－－ － －
内电场E N型半导 体
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。
P型半导体
硅原子 空穴
Si Si
硼原子
B
Si
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动
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。
基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
符号 P 阳极
P
N
N 阴极
二极管的实物
二极管的实物
二极管的实物
伏安特性
i
D
反向击穿电 压U(BR)
反向漏电流 IS
很小，A级
导通压降：硅 管0.6~0.7V， 锗管0.2~0.3V
vD
死区电压： 硅 管0.5V，锗管 0.1V
电击穿：雪崩击穿、齐纳击穿 热击穿：
I
稳定
电压
正向同
UZ
二极管
IZmin
U
IZ
工作 电流
IZmax
稳压二极管主要参数
(1)稳定电压VZ 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。 (2)动态电阻rZ
rZ =VZ /IZ
(3)最大耗散功率 PZM (4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin
(5)稳定电压温度系数——VZ
+ + 内+ 电+场越+ 强+，就使 漂移运动越强，而 漂移使空间电荷区 变薄。
扩散运动
PN结处载流子的运动-3
漂移运动
P型半导
内电场E N型半导体
体
－ － － － － － + + + + + + 因此扩散和
－－－－ － － + + + + + +
漂移这一对 相反的运动
－－－－ － － + + + + + +
2半导体二极管及其基本电 路
有关半导体的基本概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子 • 扩散、漂移
N型半导体
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。
最终达到平 衡，相当于
－－－－ － － + + + + + +
两个区之间 没有电荷运
动，空间电
荷区的厚度
扩散运动
固定不变。
PN结正向偏置
空间电荷区变薄
P
－+
+
－+
－+ 正向电流
－+
N -
内电场减弱，使扩散加强， 扩散 飘移，正向电流大
PN结反向偏置 空间电荷区变厚
P
－－ + +
N
_
－－ + +
4)小信号模型
举例
例1. 二极管为理想二极管：死区电压为0 ，正向 压降为０。
ui
t
ui
RL
uO
uo
t
二极管半波整流
举例
例２．开关电路 电路如图所示，求AO的电压值
D A
解：先断开D，以O为基准电位，既O V 点为0V。则接D阳极的电位为-6V， 接阴极的电位为-12V。
3k
V O
(a)
阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。
2-5 特殊二极管
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
稳压二极管（齐纳二极管）
稳压二极管符号 +
-
稳压二极管工作在 反向击穿状态，当 工作电流 IZ 在Izmax 和 Izmin 之间时，其 两端电压近似为常 数
稳压二极管特性曲线
+ +++++
+ +++++
+ +++++
+ +++++
空间电荷区
扩散运动
PN结处载流子的运动-2
漂移运动
P型半导 体
－－－－ － －
内电场E N型半导体 + +++++
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － 扩散的结果是 使空间电荷区 逐渐加宽。
稳压电路
正常稳压时VO =VZ * 稳压条件是什么？
IZmin ≤ IZ ≤ IZmax
R
+
IR
IO
+
IZ
VI
DZ
VO
RL
-
-
* 不加 R 可以吗？ * 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？
今后约定为： 硅管0.7V 锗管0.2V
R
iD
+
vD
-
二极管的参数
(1)最大整流电流 IF (2)反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压 VRM
(3)反向电流 IR
(4)正向压降 VF (5)极间电容 C 1N4001.pdf
2-4 二极管基本电路 及其分析方法
二极管常用模型
1)理想模型
2) －－ + +
反向饱和电流 很小，A级
内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小
PN结的单向导电性
PN结加上正向电压或正向偏置的意 思都是：P区加正、N区加负电压。
PN结加正向电压 导通
PN结加上反向电压或反向偏置的意 思都是：P区加负、N区加正电压。
PN结加反向电压 截止
2-3 半导体二极管
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。
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
P型半导体
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。
所以，AO的电压值为-6V。
举例
例3．限幅电路
图中理想二极管，ui = 10 sinωt (V)，Vref = 3V/-3V，画
uo波形
R
ui
uO
Vref
举例
例4．逻辑运算
图中理想二极管，推导Y与A、B的逻辑关系
5V
4.7k
A
Y
B
举例
例5．稳压（低压） 例6．降压（12V降为10V） 例7．电源保护 例8．无线电检波