半导体二极管及其基本电路
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1.1 半导体基础知识
1.2 PN结
1.3 半导体二极管
1.4 二极管基本电路及其分析方法
1.5 特殊二极管
h
1
1.1 半导体基础知识
一、半导体定义 特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体
h
2
1.1.1 本征(intrinsic)半导体
T=0 K时
图01.02 本征激发和复合的过程
本征激发（热激发） 电子空穴对：载流子（Carrier) 复合
电子(- ) 空穴(+)
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!
h
5
(3) 空穴的移动(导电）
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填 补空穴来实现的
h
6
1.1.2 杂质半导体
本征半导体缺点？ 1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
h
7
(1）N型半导体（电子型半导体）
特 点：
多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成） 掺 杂： 少量掺入五价杂质元素（如：磷）
h
8
(2）P型半导体（空穴型半导体） 特 点：
多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形成）
PN结变窄
正向电流If
P
N
+- R
外加正向电压示意(导电）
PN结变宽
反向电流Is P
N
-+
R
外加反向电压示意（截止）
PN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。
h
14
PN结的形成小结：
浓度差
多子扩散空间电荷区(杂质离子)
内电场
促使少子漂移 阻止多子扩散
当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成
h
17
(2) 扩散电容CD(Diffusion)
当外加正向电压不同时， 扩散电流即
外电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电流的大小也
就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度
梯度分布也不同，这
就相当电容的充放电
过程。势垒电容和扩
散电容均是非线性电
容。
图 01.10 扩散电容示意图
h
第三节18
1.3 半导体二极管
rd =VF /IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数
h
24
1.3.4 型号命名规则
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
h
25
部分国产半导体高频二极管参数表
23
(4)——极间电容C：
正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空 穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产 生了扩散电容。
反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。
相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小
近似计算公式如下：
CD
Q UD
;CB
dQ dUD
(5) rd ——动态电阻
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
h
第二节10
2.2 PN结
2.2.1 形成 2.2.2 实质 2.2.3 单向导电性 2.2.4 电容效应
h
11
2.2.1 形成
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结 两种运动：
扩散（浓度差） 漂移（电场力）
图01.06 PN结的形成过程
h
12
漂移和扩散
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4
结伏 构安 类特 型性 和 符 号
主型 要号 参命 数名
规 则
h
19
1.3.1 结构类型和符号
一、结构类型
二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。
类型：点接触型、面接触型和平面型
(1) 点接触型—
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
h
15
1.2.2 实质
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻
1.2.3 单向导电性
单向导电性： PN结正偏时导通（大电流）， PN结反偏时截止（小电流）。
偏置(bias)
h
16
1.2.4 电容效应
表现为： 势垒电容CB（barrier) 扩散电容CD (diffusion)
(1) 势垒电容CB（Barrier)
h
20
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路
(2) 面接触型—
往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，
用于高频整流和开关电路中。
(3) 平面型—
(b)面接触型
(c)平面型
二、符号
阳极(Anode)
标记
D1 D2
阴极(Cathode) 新符号
旧符号
Diode
h
21
1.3.2 伏安特性
定性 ——单向导电性
(2) VBR——反向击穿电压
指二极管反向加电压时，使反向电流突 然增大时的电压。不同的二极管有不同 的反向击穿电压。一般手册中给出的反 向电压是实际的一半。
(3) IR（IS）—— 反向饱和电流
指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈 好。一般几纳安到几微安。
硅 (nA)级；锗 (A)级
h
一、二极管方程（定量）
理想二极管(PN结）方程：
V
I IS(eVT 1)
IS :反向饱和电流
VT =kT/q :温度的电压当量
室温（T=300 K）下，
图 理想二极管的伏安特性曲线
VT=26 mV
h
22
1.3.3 主要参数
(1) IF——最大整流电流
指正常功率下的正向平均电流；根 据二极管功率不同，由几mA到几百 安培不等
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动
h
3
(1）共价键结构
空间排列有序的晶体
以 硅原子(Si)为例：
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
h
4
（2）电子空穴对
掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）
h
9
(3) 杂质对半导体 导电性的影响
影响很大。载流子数目剧增
典型数据如下:
1 T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移
如图（A）所示。 2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示
空穴
电流I
。
.。
。
.
∙
电子
（A）电场作用下的漂移运动
h
（B）空穴扩散示意
13
PN结形成
扩散运动 漂移运动
内电场
-+
- - -+
-P
-+ -+
- - -+
++ N+ ++
由于接触面载 流子运动形成 PN结示意图
1.2 PN结
1.3 半导体二极管
1.4 二极管基本电路及其分析方法
1.5 特殊二极管
h
1
1.1 半导体基础知识
一、半导体定义 特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体
h
2
1.1.1 本征(intrinsic)半导体
T=0 K时
图01.02 本征激发和复合的过程
本征激发（热激发） 电子空穴对：载流子（Carrier) 复合
电子(- ) 空穴(+)
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!
h
5
(3) 空穴的移动(导电）
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填 补空穴来实现的
h
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1.1.2 杂质半导体
本征半导体缺点？ 1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
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(1）N型半导体（电子型半导体）
特 点：
多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成） 掺 杂： 少量掺入五价杂质元素（如：磷）
h
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(2）P型半导体（空穴型半导体） 特 点：
多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形成）
PN结变窄
正向电流If
P
N
+- R
外加正向电压示意(导电）
PN结变宽
反向电流Is P
N
-+
R
外加反向电压示意（截止）
PN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。
h
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PN结的形成小结：
浓度差
多子扩散空间电荷区(杂质离子)
内电场
促使少子漂移 阻止多子扩散
当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成
h
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(2) 扩散电容CD(Diffusion)
当外加正向电压不同时， 扩散电流即
外电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电流的大小也
就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度
梯度分布也不同，这
就相当电容的充放电
过程。势垒电容和扩
散电容均是非线性电
容。
图 01.10 扩散电容示意图
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第三节18
1.3 半导体二极管
rd =VF /IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数
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1.3.4 型号命名规则
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
h
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部分国产半导体高频二极管参数表
23
(4)——极间电容C：
正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空 穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产 生了扩散电容。
反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。
相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小
近似计算公式如下：
CD
Q UD
;CB
dQ dUD
(5) rd ——动态电阻
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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第二节10
2.2 PN结
2.2.1 形成 2.2.2 实质 2.2.3 单向导电性 2.2.4 电容效应
h
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2.2.1 形成
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结 两种运动：
扩散（浓度差） 漂移（电场力）
图01.06 PN结的形成过程
h
12
漂移和扩散
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4
结伏 构安 类特 型性 和 符 号
主型 要号 参命 数名
规 则
h
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1.3.1 结构类型和符号
一、结构类型
二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。
类型：点接触型、面接触型和平面型
(1) 点接触型—
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
h
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1.2.2 实质
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻
1.2.3 单向导电性
单向导电性： PN结正偏时导通（大电流）， PN结反偏时截止（小电流）。
偏置(bias)
h
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1.2.4 电容效应
表现为： 势垒电容CB（barrier) 扩散电容CD (diffusion)
(1) 势垒电容CB（Barrier)
h
20
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路
(2) 面接触型—
往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，
用于高频整流和开关电路中。
(3) 平面型—
(b)面接触型
(c)平面型
二、符号
阳极(Anode)
标记
D1 D2
阴极(Cathode) 新符号
旧符号
Diode
h
21
1.3.2 伏安特性
定性 ——单向导电性
(2) VBR——反向击穿电压
指二极管反向加电压时，使反向电流突 然增大时的电压。不同的二极管有不同 的反向击穿电压。一般手册中给出的反 向电压是实际的一半。
(3) IR（IS）—— 反向饱和电流
指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈 好。一般几纳安到几微安。
硅 (nA)级；锗 (A)级
h
一、二极管方程（定量）
理想二极管(PN结）方程：
V
I IS(eVT 1)
IS :反向饱和电流
VT =kT/q :温度的电压当量
室温（T=300 K）下，
图 理想二极管的伏安特性曲线
VT=26 mV
h
22
1.3.3 主要参数
(1) IF——最大整流电流
指正常功率下的正向平均电流；根 据二极管功率不同，由几mA到几百 安培不等
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动
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(1）共价键结构
空间排列有序的晶体
以 硅原子(Si)为例：
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
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（2）电子空穴对
掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）
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(3) 杂质对半导体 导电性的影响
影响很大。载流子数目剧增
典型数据如下:
1 T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移
如图（A）所示。 2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示
空穴
电流I
。
.。
。
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∙
电子
（A）电场作用下的漂移运动
h
（B）空穴扩散示意
13
PN结形成
扩散运动 漂移运动
内电场
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- - -+
-P
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- - -+
++ N+ ++
由于接触面载 流子运动形成 PN结示意图