半导体二极管及其基本电路-3
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。
二极管及其基本电路
6
杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导 电性能发生显著的改变。 因掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为空穴(P) 型半导体和电子(N)型半导体两大类。
7
P型半导体
在硅或锗的晶体内渗入少量三价元素杂质，如硼(或 铟)等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原于 组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便产生一个 空位。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发获得 能量时，有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移 动的负离子；而原来硅原子的共价键，则因缺少一个 电子，形成了空穴。 因为硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主杂 质或P型杂质，受主杂质除硼外, 尚有铟和铝。加入砷 化镓的受主原子包括元素周期表中的II族元素(作为镓 原子的受主)或IV族元素(作为砷原子的受主)。
12
PN结的形成
P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就 出现了电子和空穴的浓度差别，N型区内电子多而空 穴少，P型区内则相反，空穴多而电子少。 电子和空穴都要从浓度高的地方向着浓度低的地方扩 散。电子要从N型区向P型区扩散，空穴要从P型区向 N型区扩散。 电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和 N区中原来保持的电中性被破坏了。
N型半导体的共价键结构
在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。 若每个受主杂质都能产生一个空穴，或者每个施主杂 质都能产生一个自由电子，则尽管杂质含量很微，但 它们对半导体的导电能力却有很大的影响。
chap3半导体二极管及其基本电路
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子 （价电子）。它们分别与周围的四个原子的价电子形 成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并 为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意
硅图原子空间排列及共价键结构平面示意图
杂质 因而也称为受主杂质（接受电子）。P型半导体 的结构如图所示。
P型半导体的结构示意图
*3.1.5半导体的载流子运动和温度特性
载流子的运动
扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓 度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运 动。
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场 的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向 一致。
4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
3.2 PN结
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的击穿特性
3.2.2 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成 N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导 体的结合面上形成如下物理过程:
N型半导体结构示意图
3.1.4 杂质半导体
N型半导体
多数载流子：自由电子（它主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 本征激发形成） 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（提供多余电 子）。N型半导体的结构示意图如图所示：
3.1.4 杂质半导体
因浓度差→多子的扩散运动由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
3.2.2 PN结的形成
chap2 半导体二极管及其基本电路
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构类型 2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线 2.3.3 半导体二极管的参数
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构类型
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二 极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大 PN结面积小，结电容小 类。它们的结构示意图如图所示。 (1) 点接触型二极管— 用于检波和变频等高频电路。
2.2 PN结
PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散 运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移 电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
PN结加正偏
2.2 PN结
PN结加反向电压时的导电情况
2.1.3 本征半导体及其导电性
电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自 由电子。当温度升高或受到光的照射时，价 电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核 的束缚，而参与导电，成为自由电子。（这 一现象称为本征激发） 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相 等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
P型半导体的结构示意图
2.1.4 杂质半导体
P型半导体
多数载流子：空穴（掺杂形成）
少数载流子：自由电子（ 本征激发形成） 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（接受电子）。P型半导体 的结构如图所示。
P型半导体的结构示意图
*2.1.5半导体的载流子运动和温度特性
第01章 半导体二极管及基本电路
38
分析：
• 1）正向特性：
• OA段：当 UF ＜ UT （死区电压）时外电场不 足
以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故 正向电流 IF 很小(I F ≈0)， D处于截止状态。
• 硅(Si)：U T ≈0.5V; 锗(Ge): U T ≈0.1V。 • AB段：当 U F ＞U T后， Ed↓↓→扩散运动↑ ↑ → I
N 型半导体示意图
第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/杂质半导体
26
硅
2. P 型半导体
晶
体
掺
硼
出
现
硼原子的结构
空 穴
• 自由电子数 ＜＜ 空穴数
少数载流子 多数载流子
• 以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空
穴半导体或 P型半导体 (P —type semiconductor ) 。
4）PN结的电容效应
•加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的
变化，说明PN结具电容效应。PN结的结电容的数 值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考 虑PN结的结电容作用。
第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结
Байду номын сангаас
35
1.2 半导体二极管
一. 点接触式和面接触式二极管的结构
1、理想二极管模型 2、理想+串联恒压降模型 3理想+串联+折线模型
30
1. PN结的形成 扩散运动
随Ed
漂移运动
达到动态平衡
形成稳定的PN 结
Ed 不变化
注意：
1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移 动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所 以空间电荷区的电阻率很高。
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特性
iD uD
符号及 等效模型
S
S
正偏导通， uD = 0；
反偏截止 iD = 0 UBR =
模 拟电子技术
2 ）二极管的恒压源模型
iD/mA
+ Uon
0
Uon uD/V
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.3V (Ge)
模 拟电子技术
3）二极管的折线模型
iD/mA
ΔU
rD
=
ΔU ΔI
ΔI
+ Uon rD
0 Uon
uD/V
模 拟电子技术
4） 二极管的交流小信号模型
iD/mA ΔiD IDQ
Q点处的切线
+ ΔuD
ΔiD rd
0
uD/V
ΔuD
UDQ
1 iD diD I SeuD UT I DQ
rd uD Q duD Q
UT Q U T
C
R 500Ω
ui
VD
uo
2V
图1-19（a）
模 拟电子技术
1.3 半导体二极管的应用
二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向 导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做 元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。
1.3.1 二极管在限幅电路中的应用
限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、 和双向限幅电路三种 。
当VDD=10V时
采用理想二极管模型分析
UO=VDD =10V IO=UO/R=10V/2k=5mA
模 拟电子技术
【例 1- 2】电路如图1-19（ a） 所示。R 500， 设二极管为硅管， 工作于常温下。 电容阻抗 Z 0， 输入信号ui 10sin(ωt)mV, 试计算流过二极管上的工作点电流和 交流分量。
rd
UT I DQ
图解法
模 拟电子技术
【例1-1】 电路如图1-15所示，VD为硅二极管，R=2k，
求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。
解: 当VDD=2V时
采用恒压源模型进行分析
IO VD
+
VDD
R
UO
UO=VDD﹣Uon=2V﹣0.7V=1.3V
IO=UO/R=1.3V/2k=0.65mA
模 拟电子技术
1.2.4 二极管的主要参数
iD IF
U (BR) URM O
Байду номын сангаас
uD
1. IF — 最大整流电流(最大正向平均电流) 2. URM — 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR — 反向电流(越小单向导电性越好)
4. fM — 最高工作频率(超过时单向导电性变差)
模 拟电子技术
影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应
结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。
高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。
模 拟电子技术
1.2.5 半导体二极管型号及选择
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
模 拟电子技术