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二极管及其基本电路
目 录
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
返
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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
返回
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
返回
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
－ － － － － + + + + +
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
返
回
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
返回
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
返回
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
－ － － － － + + + + +
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2
§3.1半导体基本知识
半导体器件特点： 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、 功率转换效率高。
3.1.1 半导体材料：（Semiconductor materials)
10-3
导体
如金属等
半导体
10+9
绝缘体
ρ(Ω-cm )
如橡皮、塑料等
典型半导体：硅Si、精选锗PPGT课e件、砷化镓GaAs等
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9
自由电子和空穴都称为载流子。
自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合 在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡， 半导体中载流子便维持一定的数目。
注意：
1. 本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差； 2. 温度愈高， 载流子的数目愈多，半导体的导电性能 也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
11
3.1.4 杂质半导体 1. N型半导体
硅原子
多余电子
硅(锗) +磷 N型半导体
五价杂质原子只有四个 价电子能与周围四个半导体 原子中的价电子形成共价键
多余的一个价电子因 无共价键束缚而很容易形
Si Si
P
Si
成自由电子。 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，
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§3.1 半导体基本知识 3.1.4 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。
掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷） P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）
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。
二极管基本电路
3.参数计算
4.特点
桥式整流电路比半波整流电路复杂，但输出电压脉动比 半波整流小一半，变压器的利用率也较高，因此桥式整流电 路得到了广泛应用。
将桥式整流电路的4只二极管制作在一起，封装成为一个 器件就称为整流桥，其实物及外形分别如图1-23（a）、图123(b)所示。a、b端接交流输入电压，c、d端为直流输出端，c 端为正极性端，d端为负极性端。
2.工作原理
3.特点
串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调 节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电 路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。串联型稳压 电源的缺点是损耗较大、效率低。
1.电路结构
（四）并联型稳压电路
图1-30所示为并联型稳压电路，虚线框内为稳压电路，R为 限流电阻，V为稳压二极管。不论是电网电压波动还是负载电阻 RL的变化，并联型稳压电路都能起到稳压作用，原因是UZ基本 恒定，UO=UZ。
当u2为负半周期时，即a点为负，b点为正时，VD1、 VD3因反偏而截止，VD2、VD4因正偏而导通，此时有电 流流过RL，电流路径为b—VD2—RL—VD4—a。这时RL 上得到的半波电压如图1-22（b）所示，若略去二极管的正 向压降，uo≈－u2，由此可得输出电压波形，它是单方向 的脉动电压，上述电路称为桥式整流电路。
二极管基本电路
一、二极管整流电路
1.电路结构
（一）单相半波整流电路
单相半波整流电路由整流二极管、电源变压器和用电负 载构成，如图1-20（a）所示。T为电源变压器，VD为整流二 极管，RL为负载电阻。
2.工作原理
3.参数计算
4.特点
单相半波整流电路简单、元件少，但输出电流脉动很 大，变压器利用率低。因此半波整流仅适用于要求不高的 场合。
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。
二极管及其基本电路
图2-3 空穴在晶格中的移动
（动画1-2）
3.1.2 杂质半导体
(1) N型半导体 (2) P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作 为杂质，可使半导体的导电性发生显著变 化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称电子型半导体。 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 图2-4 N型半导体结构示意图 因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 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。N型半导 体的结构示意图如图2-4所示。
I I S (e
VD
VT
1)
式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的 电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳 兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对 于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。
(1) 正向特性
当V＞0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：
图 2-8 PN结加反向电压时的 导电情况
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
图 2-8 PN结加反向电压时 的导电情况
（动画1-5）
流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导
电性。
总之：PN结正向电阻小，反向电阻大——单向导电性。
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
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)
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，
2021/3/6
第 1章
半导体二极管及其基本应用电路
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。
二极管基本电路及其分析方法 ppt课件
VD
(DmA)
R6
15 R3 R4
R4
3.5V
VA VB 二极管截止
R4
R2
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15
1) 整流电路
例3.4.2
2 工作波形
P _ vD + N
vs
2U
+
D
+
O
vs _
R vO
_
vo
2U
1 工作原理
O
D断开 ，VP＝VS，VN = 0
vD
vS＞0(正半周)，即VP>VN，D通，v0 = vs O vS＜0(负半周)，即VN>VP，D止， v0 = 0 2U
uD
电路模型
S
S
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2）恒压降模型 ：信号幅度远大于二极管压降
二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不 随电流而变化,典型值是 0.7V。不过，这只有当二 极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确。
iD
电路模型
+ vD
_
vD
0.7V
0.7V
iD
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7
3) 折线模型 ：信号幅度不能远大于二极管压降
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
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1
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
二极管是一种非线性器件，因而其电路一 般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比 较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件
是已知二极管的V -I 特性曲线。
二极管的管压降不
iD
是恒定的，而是随着通
ch3二极管及其基本电路-2
稳压二极管--正偏导通、反偏截止，反向击穿稳压。
作业：
p97 3.41；3.4.5（b),(d); 3.4.9; 3.5.1(a)
3.3.2 二极管的伏安特性
R iD + vD
①
反向 特性
iD/mA
20 15 10
60
40
20
5 0 10 20 0.2 0.4 0.6
正向 特性
D/V
-
VBR
②
Vth
③
30 反向 40 击穿 iD/ A 特性
(1) 正向特性 1) 当 0≤vD＜Vth 时，正向电流为零;
vO
vI
3.7 v
wt
wt
3.5
1.符号及稳压特性 a
稳压二极管
k
稳压二极管符号
稳压二极管也称为齐 纳二极管，是利用二 极管反向击穿特性实 现稳压的特殊硅二极 管。稳压二极管稳压 时工作在反向电击穿 状态。
正向、反向特性同普通硅二极管
反偏 截止， 流过 电流 为0A
I / mA
正偏导 通，导 通压降 为0.7V
iL= vo/RL= VZ/RL= 10/2 = 5（mA）
i = （vi - VZ）/R =（12-10）/0.2 =10 （mA） iZ = i – iL =10-5 = 5 （mA）
负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间, 所以稳压管仍能起稳压作用
RL=1.5 k , iL=10/1.5= 6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4= 2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）
i
iL
解题思路： 计算当RL 变化时电 流iZ 的变化范围是 否在Izmin～Izmax 范 围内。
南邮模电课件-第1章--晶体二极管及其基本电路
28
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。
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。
二极管整流电路及检波电路分析方法
03
检波电路的原理与特性
检波电路的工作原理
检波电路通过将调幅信号转换 为调频信号，实现信号的解调 。
在检波过程中，检波电路利用 二极管的单向导电性，将调幅 信号中的调制信号提取出来。
检波电路通常由二极管、电阻 、电容等元件组成，通过适当 的元件参数设置，实现信号的 有效检波。
检波电路的类型
平衡检波电路
利用两个二极管反向并联，实现输入信号的平衡 输入和输出，提高检波效率。
峰值检波电路
通过检测输入信号的峰值，实现调制信号的提取 ，适用于包络信号的检波。
相干检波电路
利用相干信号进行解调，能够实现高精度、高稳 定性的信号解调。
检波电路的应用
在通信领域中，检波电路常用于 调幅信号的解调，提取出有用的
调制信号。
仿真法具有方便快捷、成本低廉的优点，可以模拟各种不同的输入信号和电路参数，观察电路在不同 条件下的性能表现。
实验法
实验法是通过实际搭建电路并测量其 性能参数来分析电路的性能。实验法 是最直接、最可靠的分析方法，但需 要一定的实验设备和时间。
实验法具有真实性强、可信度高的优 点，但实验结果受到实验条件和操作 人员的影响较大。
在半波整流电路中，当交流电的正半 周通过二极管时，电流通过负载并输 出直流电；在负半周时，二极管截止 ，负载无电流通过。
二极管整流电路的类型
半波整流电路
只有一个二极管，利用其 正向导通特性实现整流。
全波整流电路
使用两个二极管，将交流 电的正负半周都转换为直 流电。
桥式整流电路
使用四个二极管，将交流 电的正负半周都转换为直 流电，输出电压更稳定。
反向截止
当二极管的正极接负电压 ，负极接正电压时，二极 管截止，电流无法通过。
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
40
iD / A
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
注
1. 死区电压（门坎电压） Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（锗）
意
2. 反向饱和电流 硅：0.1A；锗：10A
3. PN结方程（近似）
iDIS(evD/VT1)
18
3.3.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF
1.0
其中 IS ——反向饱和电流
0.5 iD=– IS
VT ——温度的电压当量 且在常温下（T=300K）
–– 1.0
–– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
VT
kT0.026V26mV q
特性平坦PN反结向的伏截安止特性
一
定的温度条件下，由本征激发
决定的少子浓度是一定的
近似 估算
正向： iDISevD/VT 反向： iD IS
二极管及基本电路
3.1 半导体的基本知识
3.1.1 半导体材料
3.1.2 半导体的共价键结构
3.1.3 本征半导体
+4
3.1.4 杂质半导体
半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
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
加反向电压，简称反偏
• 扩散 > 漂移 • 大的正向扩散电流（多子） • 低电阻 正向导通
• 漂移 > 扩散 • 很小的反向漂移电流（少子） • 高电阻 反向截止
12
3.2.2 PN结的单向导电性
陡峭电阻小 正向导通
PN结特性描述
1、PN结的伏安特性
2、PN结方程
非线性 iD/mA
iDIS(evD/VT1)
21
1、二极管电路的分析概述 分析思路
分析任务：求vD、iD
目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。
首先，判断D的状态？
若D反向截止，则相当于开路（ iD 0，ROFF ∞ ）； 若D正向导通，则？
正向导通分析方法：
图解法 等效电路（模型）法 —— 将非线性 线性
(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
iD/m A
20
15
V BR
40
1 0 V th
5
30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8
10 死区
20
30
40Βιβλιοθήκη iD / AD/V
硅二极管2CP10的V-I 特性
19
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.4.1 二极管V- I 特性的建模 3.4.2 应用举例
讲课思路： 1、二极管电路的分析概述
2、二极管状态判断 3、图解分析法 4、等效电路（模型）分析法 5、应用电路分析举例
20
1、二极管电路的分析概述 应用电路举例
整流 D
限幅 R
R
+
vI
iD
R vO vI
2
3.2 PN结的形成及特性
3.2.1 PN结的形成 3.2.2 PN结的单向导电性 * 3.2.3 PN结的反向击穿 3.2.4 PN结的电容效应
9
3.2.1 PN结的形成
载流子的 运动：
P区
P型
扩散运动——浓度差产生的载流子移动
漂移运动——在电场作用下，载流子的移动
内电场 N区
N型
iD
++ vO vi
+
D
vO
VREF
习题2.4.5
习题2.4.6
例2.4.2（习题2.4.12）
初步分析——依据二极管的单向导电性
左图
中图
D导通：vO = vI - vD D导通：vO = vD
D截止：vO = 0
D截止：vO = vI
显然，vO 与 vI 的关系由D的状态决定
而且，D处于反向截止时最简单！
+
ID 10V
+
VD VI
ID
+ 100V
+ VD
正偏
正偏
反偏
反偏
D正向导通？ D正向导通！ D反向截止
D反向击穿
vD = ？
iD > IF ？
iD = ？
二极管状态判断方法
ID = 0 VD = -10V
普通：热击穿－损坏
齐纳：电击穿 VD = - VBR= -40V
假设D截止(开路)， 求D两端开路电压
3.3.1 半导体二极管的结构
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
16
半导体二极管图片
面接触型
阳极 阴极 引线 引线
P N P型支持衬底
平面型
点接触型
17
3.3.2 二极管的伏安特性
iD/m A
13
3.2.3 PN结的反向击穿
当PN结的反向电
压增加到一定数值时，
iD
反向电流突然快速增加，
此现象称为PN结的反
向击穿。
V BR
O
D
热击穿——不可逆
电击穿——可逆
雪崩击穿 齐纳击穿
14
3.2.4 PN结的电容效应
(1) 势垒电容CB
(2) 扩散电容CD
势垒电容示意图
扩散电容示意图 15
3.3 半导体二极管
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。
11
3.2.2 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
先静态（直流），后动态（交流）
静态： vI =0（正弦波过0点） 动态： vI 0
22
2、二极管状态判断例1:V2BCR=P410（V硅。）求，VDI、F=I1D6。mA，
(a)
R=10k
+
VI
ID
10V
(b)
R=1k
++ VD VI
ID 20V
(c) R =10k
(d)
R=10k
+ VD VI
形成过程可分成4步 (动画)
1. 浓度差多子的扩散运动
扩散：空穴 漂移：电子
电子 空穴
2. 扩散空间电荷区内电场 3. 内电场少子的漂移运动
阻止多子的扩散 4、扩散与漂移达到动态平衡
10
对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层 形成的空间电荷区称为PN结。
在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
VD > 0V -VBR < VD 0V
20
15
V BR
40
1 0 V th
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/m A
正向特性
20
反向特性 1 5
①
10
60
V BR
5 40 20 0
②
10
20
0.2 0.4 0.6
V th
30
D/V