半导体二极管及其基本电路
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
二极管基本电路与分析方法
二极管基本电路与分析方法二极管是一种最简单的半导体器件，具有只能单向导电的特点。
在电子电路中，二极管通常用于整流、限流、调制和混频等功能。
本文将介绍二极管的基本电路和分析方法。
一、二极管基本电路1.正向偏置电路正向偏置电路是将二极管的P端连接到正电压，N端连接到负电压的电路。
这种电路可以使二极管处于导通状态，实现电流流动。
2.逆向偏置电路逆向偏置电路是将二极管的P端连接到负电压，N端连接到正电压的电路。
这种电路可以使二极管处于截止状态，即不导电。
二、二极管分析方法1.静态分析静态分析是指在稳态条件下分析二极管的工作状态。
在正向偏置电路中，如果二极管被接入电路且正向电压大于二极管的正向压降时，二极管处于导通状态；反之，二极管处于截止状态。
在逆向偏置电路中，无论接入电路与否，二极管都处于截止状态。
2.动态分析动态分析是指在变化条件下分析二极管的工作状态。
例如，当正向电压瞬时增加时，二极管可能处于导通状态。
此时，需要考虑二极管的导通压降和电流变化情况。
三、常见二极管电路1.整流电路整流电路是将交流信号转换为直流信号的电路。
常见的整流电路有半波整流电路和全波整流电路。
半波整流电路只利用了交流信号的一半，而全波整流电路则利用了交流信号的全部。
整流电路中的二极管起到了只允许电流在一个方向上流动的作用。
2.限流电路限流电路是通过限制电流的大小来保护其他元件不受损坏的电路。
常见的限流电路有稳压二极管电路和过载保护电路。
稳压二极管电路利用二极管的电流-电压特性，使得二极管具有稳定的电流输出能力；过载保护电路则通过限制电流大小来保护负载电路。
3.调制电路调制电路是将低频信息信号调制到高频载波信号上的电路。
常见的调制电路有调幅电路和调频电路。
在调制电路中，二极管起到了快速改变电流或电压的作用，实现信号的调制效果。
4.混频电路混频电路是将两个不同频率的信号进行混合，得到新的频率信号的电路。
在混频电路中，二极管可以起到信号选择和调谐的作用，实现频率混合。
北京交通大学模拟电子技术习题及解答第二章 半导体二极管及其基本电路
第二章半导体二极管及其基本电路2-1．填空（1）N型半导体是在本征半导体中掺入；P型半导体是在本征半导体中掺入。
（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流会。
（3）PN结的结电容包括和。
（4）晶体管的三个工作区分别是、和。
在放大电路中，晶体管通常工作在区。
（5）结型场效应管工作在恒流区时，其栅-源间所加电压应该。
（正偏、反偏）答案：（1）五价元素；三价元素；（2）增大；（3）势垒电容和扩散电容；（4）放大区、截止区和饱和区；放大区；（5）反偏。
2-2．判断下列说法正确与否。
（1）本征半导体温度升高后，两种载流子浓度仍然相等。
（）（2）P型半导体带正电，N型半导体带负电。
（）（3）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。
（）（4）只要在稳压管两端加反向电压就能起稳压作用。
（）（5）晶体管工作在饱和状态时发射极没有电流流过。
（）（6）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。
（）（7）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。
（）（8）若耗尽型N沟道MOS场效应管的U GS大于零，则其输入电阻会明显减小。
（）答案：（1）对；温度升高后，载流子浓度会增加，但是对于本征半导体来讲，电子和空穴的数量始终是相等的。
（2）错；对于P型半导体或N型半导体在没有形成PN结时，处于电中性的状态。
（3）对；结型场效应管在栅源之间没有绝缘层，所以外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。
（4）错；稳压管要进入稳压工作状态两端加反向电压必须达到稳压值。
（5）错；晶体管工作在饱和状态和放大状态时发射极有电流流过，只有在截止状态时没有电流流过。
（6）对；N型半导体中掺入足够量的三价元素，不但可复合原先掺入的五价元素，而且可使空穴成为多数载流子，从而形成P型半导体。
（7）对；PN结在无光照、无外加电压时，处于动态平衡状态，扩散电流和漂移电流相等。
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。
半导体二极管及其应用习题解答
半导体二极管及其应用习题解答Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT第1章半导体二极管及其基本电路教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。
教学内容与教学要求如表所示。
要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。
主要掌握半导体二极管在电路中的应用。
表第1章教学内容与要求内容提要1.2.1半导体的基础知识1．本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。
自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。
本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。
但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差，2．杂质半导体(1) N 型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N 型半导体，N 型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。
N 型半导体呈电中性。
(2) P 型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P 型半导体。
P 型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。
P 型半导体呈电中性。
在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。
而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。
1.2.2 PN 结及其特性1．PN 结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成P 型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。
PN 结是构成其它半导体器件的基础。
2．PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电性。
外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。
模拟电子技术 例题
集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电路，直耦多级放大电路 存在零点漂移现象，尤以输入级的零点漂移最为严重。差动放大电路利用电路 的对称性和发射级电阻 Re 或恒流源形成的共模负反馈，对零点漂移有很强的抑 制所用，所以输入级常采用差分放大电路，它对共模信号有很强的抑制力。
解： 分析方法 ： （1）将 D1、D2 从电路中断开，分别出 D1、D2 两端的电压； （2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。若 两管都承受正向电压，则正向电压大的管子优先导通，然后再按以上方法分析 其它管子的工作情况。 本题中：Ｖ12=12V，Ｖ34=12+4=16V，所以 D2 优先导通，此时，Ｖ12=-4V，所 以 D1 管子截止。ＶA0 = -4V。
解：（1）Ｖi=10V 时 Ｖim=14V ,Ｖom=14V Ｐo=Ｖom×Ｖom/2ＲL=142/(2×8)=12.25W ＰT1=1/ＲL.(ＶccＶom/Ｔ1-ＶomＶom/4)=5.02W η=Ｐo/Ｐv=12.25/22.29×100%=54.96% (2) Ｖim=Ｖcc=20V Ｖom=20V Ｐo=20×20/(2×8)=25W ＰT1=6.85W Ｐv=31.85W η=78.5%
ＶCEQ1=ＶCEQ2 =ＶC -ＶE =(6-Rc.ＩCQ )-(-0.7)=3.58V 2.求差模电压放大倍数。 思路：首先画出差模信号工作时电路交流通路,Re 电阻交流短接。然后利用第三 章放大电路分析方法进行求解。 Avd =Vo/Vi= -βRc/(Rb+ｒbe) ｒbe= ｒbb'+(1+β)26/ＩEQ =100+(1+100)26/0.52 =5.15K 所以，Avd=-84 3.求输入电阻及输出电阻 由交流通路可直接求得 Rid=2(Rb +ｒbe )=14.3K Rod=2Rc =1.2K
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
半导体二极管及其基本应用电路(12)
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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
半导体二极管及其应用习题解答..
第1章半导体二极管及其基本电路1.1 教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。
教学内容与教学要求如表1.1所示。
要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。
主要掌握半导体二极管在电路中的应用。
表1.1 第1章教学内容与要求1.2 内容提要1.2.1半导体的基础知识1．本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。
自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。
本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。
但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差，2．杂质半导体(1) N型半导体本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。
N型半导体呈电中性。
(2) P型半导体本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。
P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。
P型半导体呈电中性。
在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。
而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。
1.2.2 PN结及其特性1．PN结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。
PN 结是构成其它半导体器件的基础。
2．PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电性。
外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。
3. PN 结的伏安特性PN 结的伏安特性： )1(TS -=U U eI I式中，U 的参考方向为P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向N 区；I S 在数值上等于反向饱和电流；U T =KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ≈26mV 。
第二章 半导体二极管及其应用电路
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。
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。
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
(1)雪崩击穿
当反向电压足够高时（一般U>6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载 流子加速，与中性原子相碰，使之价电 子受激发产生新的电子空穴对，又被加 速，而形成连锁反应，使载流子剧增， 反向电流骤增。这种形式的击穿称为雪 崩击穿.
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
反偏时由于PN结变厚, 不能导电的区 域增大,因此,PN结呈现出的反向电阻很 大,流过的反向电流很小,基本为0.
因此, PN结反偏截止.
※PN结的单向导电性: 正偏导通,反偏截止
半导体二极管及其应用电路
1.1.2 PN结
三.PN结的反向击穿特性
反向击穿:当PN结的反偏电压增加到某一 数值时，反向电流急剧增大的现象。 PN结的击穿现象有下列两类： (1) 热击穿:不可逆,应避免 (2) 电击穿:可逆,又分为雪崩击穿和齐纳 击穿.
各用一个价电子组成，称为束缚电子。
价电子
＋4
＋
＋
＋
4
4
4
共价键的
两
个价电子
＋
＋
＋
4
4
4
＋
＋
＋
4
4
4
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
（2）本征激发现象
当温度升高或受光照射时，共价键中的价电子获
得足够能量，从共价键中挣脱出来，变成自由电 子；同时在原共价键的相应位置上留下一个空位， 这个空位称为空穴,电子-空穴对就形成了.
半导体二极管及其应用电路
1.1.1 半导体的导电特性
三、杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性 能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半 导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型 （P型）半导体。
1-半导体基础知识及二极管
2-5
元素周 期表
2-6
1、电子半导(Negative) ——N型半导体 、电子半导 型半导体 +5价元素磷 、砷(As )、锑(Sb)等在硅晶体中 价元素磷(P)、 价元素磷 、 等在硅晶体中 给出一个多余电子，故叫施主原子。 给出一个多余电子，故叫施主原子。 电子数目 = 空穴数 + 正离子数
空穴 +4
+4 自由电子
+4
+4
+4
自由电子 空穴
挣脱共价键的束缚自由活动的电子 束缚电子成为自由电子后， 束缚电子成为自由电子后，在共 价键中所留的空位。 价键中所留的空位。
2-4
二、杂质半导体
电子半导体 (Negative) 杂质半导体 空穴半导体 (Positive ) 加+3价元素硼 价元素硼 (B )、铝(Al )、铟 、 、 (In)、钙(Ga ) 、 价元素磷(P)、 加+5价元素磷 、 价元素磷 砷(As )、锑(Sb) 、
2AP 2CP
2CZ54 (c)
2CZ13
2CZ30
二极管外形
2-22
二、二极管的V—I特性 二极管的 特性
二极管两端加正向电压时,就产生 二极管两端加正向电压时 就产生 二极管两端加上反向电压时,在开 当正向电压超过门槛电压时,正向 二极管两端加上反向电压时 在开 当正向电压超过门槛电压时 正向 二极管反向电压加到一定数值时, 二极管反向电压加到一定数值时 正向电流,当正向电压较小时 当正向电压较小时,正向 正向电流 当正向电压较小时 正向 iV / mA 始很大范围内,二极管相当于非常 电流就会急剧地增大,二极管呈现 始很大范围内 二极管相当于非常 电流就会急剧地增大 二极管呈现 反向电流急剧增大,这种现象称 反向电流急剧增大 这种现象称 电流极小（几乎为零） 这一部分 电流极小（几乎为零）,这一部分 大的电阻,反向电流很小 。 这时 很小电阻而处于导通状态。 反向电流很小,且不随反 大的电阻 反向电流很小 且不随反 很小电阻而处于导通状态 为反向击穿。 为反向击穿。此时对应的电压称 B′ 称为死区,相应的 相应的A(A′)点的电压称 称为死区 相应的 点的电压称 15 向电压而变化。 用U 表示 如图 硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V, 向电压而变化。此时的电流称之为 硅管的正向导通压降约为 为反向击穿电压,用 BR表示,如图 为反向击穿电压 为死区电压或门槛电压(也称阈值 为死区电压或门槛电压 也称阈值 反向饱和电流IR 。如图中 （ OC′） 锗管约为0.2~0.3V,如图中 见图中OC（ 如图中AB(A′B′) 反向饱和电流 段,见图中 锗管约为 ） 中CD(C′D′)段 见图中 电压),硅管约为 硅管约为0.5V,锗管约为 锗管约为0.1V, 10 电压 硅管约为 锗管约为 段。 段。 如图中OA(OA′)段。 如图中 段 5
电子技术基础--第一章--半导体二极管及其基本电路
（二）P型半导体
在本征半导体中掺入三价元素如B
+4
++34
+4
+4
+4
+4
因留下的空穴很容易俘获 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。
+4
+43
+4
空穴是多子 （杂质、热激发） 自由电子是少子（热激发）
本节中的有关概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子 • N型半导体、P型半导体
（b）锗二极管2AP15的伏安特性曲线
iDIS(euD/UT 1)
• 死区电压Uth
– 硅二极管的死区电压一般为0.5V，锗二极管 的死区电压一般为0.1V。
• 硅二极管正向导通电压约为0.7V，锗二 极管正向导通电压约为0.2V。
• 反向击穿电压UBR 。
三、温度对二极管的伏安特性的 影响
N区空穴（少子）向P区漂移 同时进行
P区自由电子（少子）向N区漂移 4. 刚开始,扩散运动大于漂移运动,
最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡
扩散运动 漂移运动
多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流。扩散电流的真实方向是 从P区指向N区的 。
少子在电场的作用下向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。漂移电流的真实方向是从 N区指向P 区的 。
本征半导体中的自由电子和空穴成对出现
四、本征半导体的特性
（1）热敏特性 （2）光敏特性 （3）搀杂特性
三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电 能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相 比，导电能力还差得远。
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。
第1章半导体二极管及其应用电路
热力学温度0K时不导电。
两种载流子
本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。半导体材料性能对 温度的这种敏感性，既可用来制作热敏器件，又是造成半导体器件温度稳定 性差的原因。
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
二、杂质半导体 1.N型半导体
讨论三：电路如图所示，已知ui=5sint (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。
ui/V
5V
O
t
‒5V
‒0.7
第1章 半导体二极管及其应用电路
讨论四：电路如图所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图所示，二极管导通
电压UD=0.7V。试画出uO的波形，并标出幅值。
2.扩散电容
PN结外加正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均 有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容：Cj Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导 电性！
结电容一般不大，结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百 皮法。结电容对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因 而只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。
理想元件。
第1章 半导体二极管及其应用电路
讨论十一：二极管电路如图所示，考虑二极管的正向压降为0.7V，求输出电
压Uo 。
第1章 半导体二极管及其应用电路
讨论十二：电路如图所示，已知ui=10sint（V） ，E=5V，二极管为理想
元件，画出ui与uo的波形、标出幅值。
+
uo
E
－
绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴都非常少，在分析PN结特性时忽略载流 子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故也称空间电 荷区为耗尽层。
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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
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
外电路电流的大小也
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
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
Байду номын сангаас
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
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)
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
(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
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
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
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）
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
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
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
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
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