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1、2.1 半导体的基本知识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2.2 PN结的形成及特性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2.1.1 半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体（半导体（SemiconductorsSemiconductors）: :导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，都是 半导体。2.1.2 半导体的共价键结构硅晶体的空间排列2.1.2 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构
2、简化模型及晶体结构价电子：最外层原子轨道上具有的电子（4个）。2.1.3 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单 晶体形态。空穴共价键中的空位。电子空穴对由热激发而 产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。2.1.4 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）的半导体。 （Negative负的字头 ） P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。（Positive 正的字头
3、)1. N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。2. P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。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。 本征半
4、导体、杂质半导体本节中的有关概念end 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质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:因浓度差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 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。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。 多子
5、的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区2.2.1 PN结的形成1. 扩散运动 2. PN 结3. 漂移运动2.2.2 PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏 。 (1) PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况 低电阻 大的正向扩散电流PN结的伏安特性PN结的伏安特性2.2.2 PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏 。 (2) PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况 高电阻 很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激
6、发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关， 这个电流也称为反向饱和电流。 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流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。2.2.2 PN结的单向导电性(3) PN结V- I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）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，反向电 流突然快速增加，此现 象称为PN结的反向击穿。 热击穿不可逆 PN结的电流和温升不断增 加，使PN结的发
7、热超过它 的耗散功率。电击穿可逆雪崩击穿：由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大 。齐纳击穿：在杂质浓度特别大的PN结中加有较高的反向电压，破坏共价键 将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。2.3 半导体二极管2.3.1 半导体二极管的结构2.3.2 二极管的伏安特性2.3.3 二极管的参数2.3.1 半导体二极管的结构在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 面型三大类。(1) 点接触型二极管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 二极管的结构示意图(3) 平面型二极管往往用于集成电路制造工
8、 艺中。PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管PN结面积大，用 于工频大电流整流电路 。(b)面接触型(c)平面型(4) 二极管的代表符号D2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性2.3.3 二极管的参数(1) 最大整流电流IF(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CBPN结的电容效应(A) 势垒电容CB 势垒电容示意图（Barrier Capacitance)用来描述势垒区的空 间
9、电荷随电压变化而 产生的电容效应。在高频、反向偏置时CB起主要作用。PN结的电容效应(B) 扩散电容CD扩散电容示意图（Diffusion Capacitance)反映了在外加正电压作 用下，载流子在扩散过 程中积累的电容效应。在高频、正向偏置时CD起主要作用。半导体二极管图片end2.4 二极管基本电路及其分析方法2.4.1 二极管V- I 特性的建模2.4.2 应用举例2.4.1 二极管V- I 特性的建 模1. 理想模型3. 折线模型 2. 恒压降模型4. 小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。常温下（T=300K）2.4.1 二极管V- I
10、特性的建 模2.4.2 应用举例1. 二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V 时（自看）例：电路如图所示，已知E=5V，ui=10sint V ，二极管的正向压降可忽略不计，试画出uo的波 形RDEu0ui0tuiu0解：当当ui 5V5V时，二时，二 极管才可导通极管才可导通例：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。 DA12VFAB DB R解： DA优先导通，则VF=30.3=2.7V DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作
11、用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V 。 2.4.2 应用举例3.开关电路 例2.4.3 （略）规律：共阳极接法，电压低者先导通；共阴极接法，电压高者先导通。4.低电压稳压电路 （略）2.5 特殊体二极管2.5.1 稳压二极管2.5.2 变容二极管2.5.3 光电子器件1. 光电二极管2. 发光二极管3. 激光二极管2.5.1 稳压二极管1. 符号及稳压特性(a)符号(b) 伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压 。(1) 稳定电压VZ(2) 动态电阻rZ在规定的稳压管反向 工作电流IZ下，所对应的 反向工作电压。r
12、Z =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数VZ2. 稳压二极管主要参数2.5.1 稳压二极管稳压二极管3 稳压电路 正常稳压时 VO =VZ# # 不加不加R R可以吗？可以吗？# # 上述电路上述电路V VI I为正弦波，且幅为正弦波，且幅 值大于值大于V VZ Z， V VOO的波形是怎样的波形是怎样 的？的？（1 1）. .设电源电压波动设电源电压波动( (负载不变负载不变) )UUOUZ IZ UOUR IR （2 2）. .设负载变化设负载变化( (电源不变电源不变) ) 略略例：稳压二极管的应
13、用RLuiuOR DZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V， Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入 电压ui=12V，限流电阻R=200 。若负载电阻变化范围为1.5 k - 4 k ，是否 还能稳压？RLuiuOR DZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）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）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
