电子技术(模拟部分)-2-二极管及其典型应用
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相反；自由电子始终在导带内运动。
空穴流 价电子递补空穴形成的；方向与外电场方向相同； 始终在价带内运动。
3. 注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激 发下，晶体内无自由电子，不导电。
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• 本征半导体的载流子的浓度
电子浓度 ni :表示单位体积内的自由电子数
空穴浓度 pi :表示单位体积内的空穴数。
半导体: 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷 化镓等。
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 半导体元件
温度特性 温度增加使导电率大为增加
热敏元件
光照特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
光敏元件、光电元件
12/51
本征半导体
完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
19/51
• P型半导体
+4
++34
在本征半导体中掺入的三价元素如 B。
因留下的空穴很容易俘获
电子，使杂质原子成为负
+4
离子。三价杂质 因而也
称为受主杂质。
+4
+4
+4
导带
+4
+43
+4
受主 - - - - - - - 能级
杂质原子提供 空穴是多子
价带
由热激发形成
自由电子是少子
20/51
举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3 ，锗本征半导
晶体特征 在晶体中，质点的排列有一定的规律。
常用的本征半导体
价电子
+4
正离子
硅（锗）的原子 结构简化模型
注意：为了方便， 原子结构常用二维 结构描述，实际上 是三维结构。
13/51
• 本征半导体的原子结构和共价键
共价键内的电子 称为束缚电子
+4
+4
+4
导带
自由电子定向移动 形成电子流
外电场E
+4
+4
4/51
第二章 晶体二极管及应用电路
2.1二极管特性 2.2二极管工作原理 2.3二极管结构 2.4二极管典型应用电路 2.5 二极管主要参数 2.6常用二极管器件介绍
5/51
2.1 二极管特性
一、二极管符号及其特性 二、二极管的模型
6/51
一、二极管符号及其特性
1．正向特性
2．反向特性
iD
3. 二极管温度特性
9/51
3.二极管交流模型
当二极管在正偏情况下，若叠加的交流为低频小信号仍能 保持二极管正偏，则可忽略二极管结电容和体电阻，其等
效模型就是一个交流电阻rD。
+ ui -
+5v
D
iL +
RL uL -
(a)二极管应用电路
iD iD I D
Q UD , ID
o Uon U D uD uD
（b)二极管特性曲线
应用: (1)电路简化定性分析; (2)大信号时电路的近似分析。
8/51 2. 折线二极管模型
+ uD -
Uon rd
iD
二极管等效电路
iD uD
iD uD
o Uon uA
二极管伏安特性曲线
交流等效电阻rd
uD iD
（Si管Uon ≈ 0.7V ，Ge管0.3V)；
特点：(1) 正偏电压>Uon时，导通； 应用：工程计算。 (2) 反偏电压<Uon时，截止。
1/51
课程主要内容
1. 绪论 2. 二极管及其典型应用 3. 晶体三极管及其放大电路 4. 场效应管及其放大电路 5. 级联放大电路 6. 集成运放及其典型应用 7. 负反馈放大电路 8. 典型功能电路设计及仿真调试
2/51
•半导体二极管图片
3/51
问题： 1.二极管具有怎样的物理结构？ 2.二极管两端的电压和电流符合欧姆定律吗？ 3.二极管有哪些类型？ 4.二极管有哪些典型应用？
4. 二极管单向导电性
阳极 + uD - 阴极 iD
U(BR)
uD
Uon
反向击穿区 反向偏置区 正向偏置区
(a)二极管符号
（b) 二极管的特性曲线
7/51
二、二极管模型
正极、wenku.baidu.com+ 阳极
1.理想二极管模型
负极、 阴极
阳 极
+ uD
-
阴 极
理想二i极D 管 等效电路
iD
uD o 理想二极管特性 曲线
特点：(1) 正偏时导通，压降为0V； (2) 反偏时截止，反向电流为0。
18/51
• N型半导体 在本征半导体中掺入的五价元素，如P。
+4
++54
+4
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子。
+4
+4
+4
+4
+45
+4
导带 施主
+ + + + + + + 能级
杂质原子提供
价带
自由电子是多子（即多数载流子）
由热激发形成 空穴是少子
3
ni
pi
A T e2 EG0/2kT o
A0 — 与材料有关的常数 EG0 — 禁带宽度 T — 绝对温度
k — 玻尔曼常数
结论 1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi
2. 载流子的浓度与T、EG0有关
16/51
• 载流子的产生与复合
g——载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。
R——载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。
当达到动态平衡时 g=R R = r nipi
其中r—复合系数，与材料有关。
17/51
掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝） 等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。
杂质半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。
掺入的五价元素如P（磷） 、砷等，形 成N型半导体，也称电子型半导体。
rD
+
iL
ui
+
-
RL uL
-
(c)交流等效电路
10/51
2.2 二极管工作原理
一、半导体基础知识 二、PN结及其特性
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一、 半导体基础知识
• 什么是半导体？
导 体: 导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)
绝缘体: 导电率为10-22～10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云 母、塑料等。
ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺
杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了
10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个砷原子。 则施主杂质浓
度为：
ND= 4.4×1018/cm3
（比n 大一万倍） i
+4
禁带EG
+4
+4
+4
价带
挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
锗晶价体带的中共留价下键的结空构位示称意为图空穴半导体能带结构示意图
14/51
载流子概念：运载电荷的粒子。 1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴
它们是成对出现的 2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的；方向与外电场方向
空穴流 价电子递补空穴形成的；方向与外电场方向相同； 始终在价带内运动。
3. 注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激 发下，晶体内无自由电子，不导电。
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• 本征半导体的载流子的浓度
电子浓度 ni :表示单位体积内的自由电子数
空穴浓度 pi :表示单位体积内的空穴数。
半导体: 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷 化镓等。
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 半导体元件
温度特性 温度增加使导电率大为增加
热敏元件
光照特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
光敏元件、光电元件
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本征半导体
完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
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• P型半导体
+4
++34
在本征半导体中掺入的三价元素如 B。
因留下的空穴很容易俘获
电子，使杂质原子成为负
+4
离子。三价杂质 因而也
称为受主杂质。
+4
+4
+4
导带
+4
+43
+4
受主 - - - - - - - 能级
杂质原子提供 空穴是多子
价带
由热激发形成
自由电子是少子
20/51
举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3 ，锗本征半导
晶体特征 在晶体中，质点的排列有一定的规律。
常用的本征半导体
价电子
+4
正离子
硅（锗）的原子 结构简化模型
注意：为了方便， 原子结构常用二维 结构描述，实际上 是三维结构。
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• 本征半导体的原子结构和共价键
共价键内的电子 称为束缚电子
+4
+4
+4
导带
自由电子定向移动 形成电子流
外电场E
+4
+4
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第二章 晶体二极管及应用电路
2.1二极管特性 2.2二极管工作原理 2.3二极管结构 2.4二极管典型应用电路 2.5 二极管主要参数 2.6常用二极管器件介绍
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2.1 二极管特性
一、二极管符号及其特性 二、二极管的模型
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一、二极管符号及其特性
1．正向特性
2．反向特性
iD
3. 二极管温度特性
9/51
3.二极管交流模型
当二极管在正偏情况下，若叠加的交流为低频小信号仍能 保持二极管正偏，则可忽略二极管结电容和体电阻，其等
效模型就是一个交流电阻rD。
+ ui -
+5v
D
iL +
RL uL -
(a)二极管应用电路
iD iD I D
Q UD , ID
o Uon U D uD uD
（b)二极管特性曲线
应用: (1)电路简化定性分析; (2)大信号时电路的近似分析。
8/51 2. 折线二极管模型
+ uD -
Uon rd
iD
二极管等效电路
iD uD
iD uD
o Uon uA
二极管伏安特性曲线
交流等效电阻rd
uD iD
（Si管Uon ≈ 0.7V ，Ge管0.3V)；
特点：(1) 正偏电压>Uon时，导通； 应用：工程计算。 (2) 反偏电压<Uon时，截止。
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课程主要内容
1. 绪论 2. 二极管及其典型应用 3. 晶体三极管及其放大电路 4. 场效应管及其放大电路 5. 级联放大电路 6. 集成运放及其典型应用 7. 负反馈放大电路 8. 典型功能电路设计及仿真调试
2/51
•半导体二极管图片
3/51
问题： 1.二极管具有怎样的物理结构？ 2.二极管两端的电压和电流符合欧姆定律吗？ 3.二极管有哪些类型？ 4.二极管有哪些典型应用？
4. 二极管单向导电性
阳极 + uD - 阴极 iD
U(BR)
uD
Uon
反向击穿区 反向偏置区 正向偏置区
(a)二极管符号
（b) 二极管的特性曲线
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二、二极管模型
正极、wenku.baidu.com+ 阳极
1.理想二极管模型
负极、 阴极
阳 极
+ uD
-
阴 极
理想二i极D 管 等效电路
iD
uD o 理想二极管特性 曲线
特点：(1) 正偏时导通，压降为0V； (2) 反偏时截止，反向电流为0。
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• N型半导体 在本征半导体中掺入的五价元素，如P。
+4
++54
+4
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子。
+4
+4
+4
+4
+45
+4
导带 施主
+ + + + + + + 能级
杂质原子提供
价带
自由电子是多子（即多数载流子）
由热激发形成 空穴是少子
3
ni
pi
A T e2 EG0/2kT o
A0 — 与材料有关的常数 EG0 — 禁带宽度 T — 绝对温度
k — 玻尔曼常数
结论 1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi
2. 载流子的浓度与T、EG0有关
16/51
• 载流子的产生与复合
g——载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。
R——载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。
当达到动态平衡时 g=R R = r nipi
其中r—复合系数，与材料有关。
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掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝） 等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。
杂质半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。
掺入的五价元素如P（磷） 、砷等，形 成N型半导体，也称电子型半导体。
rD
+
iL
ui
+
-
RL uL
-
(c)交流等效电路
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2.2 二极管工作原理
一、半导体基础知识 二、PN结及其特性
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一、 半导体基础知识
• 什么是半导体？
导 体: 导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)
绝缘体: 导电率为10-22～10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云 母、塑料等。
ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺
杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了
10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个砷原子。 则施主杂质浓
度为：
ND= 4.4×1018/cm3
（比n 大一万倍） i
+4
禁带EG
+4
+4
+4
价带
挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
锗晶价体带的中共留价下键的结空构位示称意为图空穴半导体能带结构示意图
14/51
载流子概念：运载电荷的粒子。 1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴
它们是成对出现的 2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的；方向与外电场方向