二极管及其基本电路
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2
教学要求： 本章需要重点掌握二极管模型及其电
路分析，特别要注意器件模型的使用范围 和条件。对于半导体器件，主要着眼于在 电路中的使用，关于器件内部的物理过程 只要求有一定的了解。
3
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
? 20
V th
? D/V
? 30
③
? 40
iD/? A
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
4
2.1.2 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
自由电子 ＝ 空穴 ＝
空间电荷
多子 少子
杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下 : 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
因浓度差 PN结形成的物理过程：
?
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 。
13
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
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
VBR
5 ? 40 ? 20 0
0.2 0.4 0.6
②
? 10
2.3.1 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
2.3.2 二极管的伏安特性
2.3.3 二极管的参数
阳极 a 阴极 k
18
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
19
半导体二极管图片
20
21
22
2.3.2 二极管的伏安特性
内电场 N区
N型
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
12
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。
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
14
2.2.2 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
iD ? I S (e vD /VT ? 1)
? 多数载流子、少数载流子
10
2.2 PN结的形成及特性
2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 * 2.2.3 PN结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应
11
2.2.1 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
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
?wk.baidu.com
kT q
?
0.026V ?
26 mV
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： iD ? I S e vD /VT 反向： iD ? ? IS
15
2.2.3 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。
VBR
O
?D
热击穿——不可逆
电击穿 ——可逆
雪崩击穿 齐纳击穿
16
2.2.4 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
17
2.3 半导体二极管
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?
6
*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↑
7
2.1.4 杂质半导体
P型半导体
N型半导体
掺入三价杂质元素（如硼）
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
2 半导体二极管 及其基本电路
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
教学内容： 本章首先简单介绍半导体的基本知识，着
重讨论半导体器件的核心环节--PN结，并重点 讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特 性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分 析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变 容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了 简要的介绍。
2.1.3 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
5
2.1.3 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
以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3 。
9
本节中的有关概念
*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↑
? 本征半导体、本征激发
自由电子 空穴
复合
*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力
?杂质半导体 N型半导体、施主杂质 (5价) P型半导体、受主杂质 (3价)
教学要求： 本章需要重点掌握二极管模型及其电
路分析，特别要注意器件模型的使用范围 和条件。对于半导体器件，主要着眼于在 电路中的使用，关于器件内部的物理过程 只要求有一定的了解。
3
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
? 20
V th
? D/V
? 30
③
? 40
iD/? A
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
4
2.1.2 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
自由电子 ＝ 空穴 ＝
空间电荷
多子 少子
杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下 : 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
因浓度差 PN结形成的物理过程：
?
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 。
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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
iD/mA
20
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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
VBR
5 ? 40 ? 20 0
0.2 0.4 0.6
②
? 10
2.3.1 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
2.3.2 二极管的伏安特性
2.3.3 二极管的参数
阳极 a 阴极 k
18
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
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半导体二极管图片
20
21
22
2.3.2 二极管的伏安特性
内电场 N区
N型
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
12
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。
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
14
2.2.2 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
iD ? I S (e vD /VT ? 1)
? 多数载流子、少数载流子
10
2.2 PN结的形成及特性
2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 * 2.2.3 PN结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应
11
2.2.1 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
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
?wk.baidu.com
kT q
?
0.026V ?
26 mV
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： iD ? I S e vD /VT 反向： iD ? ? IS
15
2.2.3 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。
VBR
O
?D
热击穿——不可逆
电击穿 ——可逆
雪崩击穿 齐纳击穿
16
2.2.4 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
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2.3 半导体二极管
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?
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*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↑
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2.1.4 杂质半导体
P型半导体
N型半导体
掺入三价杂质元素（如硼）
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
2 半导体二极管 及其基本电路
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
教学内容： 本章首先简单介绍半导体的基本知识，着
重讨论半导体器件的核心环节--PN结，并重点 讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特 性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分 析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变 容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了 简要的介绍。
2.1.3 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
5
2.1.3 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
以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3 。
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本节中的有关概念
*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↑
? 本征半导体、本征激发
自由电子 空穴
复合
*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力
?杂质半导体 N型半导体、施主杂质 (5价) P型半导体、受主杂质 (3价)