第一章 晶体二极管 1.1 半导体物理基本知识 1.2 ＰＮ结 1.3 晶体二极管电路的分析方法 1.4 晶体二极管的应用 1.5 其它二极管

1.1 半导体物理基础知识 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。 锗原子 硅原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。

一. 本征半导体（Intrinsic Semiconductor) 本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 本征半导体的共价键结构 在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。 束缚电子

+4 当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 空穴 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，称为空穴。 自由电子 这一现象称为本征激发，也称热激发。

+4 动画演示 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。 与本征激发相反的现象——复合 自由电子 +4 空穴 与本征激发相反的现象——复合 在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。 常温300K时： 电子空穴对的浓度 硅： 锗： 电子空穴对

E 导电机制 自由电子 带负电荷 电子流 载流子 ＋总电流 空穴 带正电荷 空穴流 +4 ＋ － 动画演示 自由电子 带负电荷 电子流 载流子 ＋总电流 空穴 带正电荷 空穴流 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。

二. 杂质半导体(Doped Semiconductor) 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的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，砷等，称为N型半导体。

N型半导体 硅原子 电子空穴对 自由电子 多余电子 + N型半导体 磷原子 施主离子 多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴

2. P型半导体 多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 电子空穴对 硅原子 空穴 － P型半导体 空穴 硼原子 受主离子 多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子

杂质半导体的示意图 N型半导体 + 多子—电子 多子—空穴 P型半导体 － 少子—电子 少子—空穴 少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关 思考：多子浓度与何相关？

1.2 PN结 一. 动态平衡下的PN结形成 PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区 形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E 空间电荷区 耗尽层 多子扩散电流 少子漂移电流

耗尽层 动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 总电流＝0 势垒 UO 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 多子扩散 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽，E 动画演示 内电场E 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 总电流＝0 势垒 UO 硅 0.5V 锗 0.1V

二. PN结的伏安特性 外电场的方向与内电场方向相反。 1. 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I F 正向电流

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。 2. 加反向电压（反偏）——电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I R P N 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； 动画演示1 动画演示2

3. PN结的伏安特性 根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图 IF（多子扩散） 反向饱和电流 正偏 反向击穿电压 反偏 反向击穿 IR（少子漂移） 电击穿——可逆 自学：PN结的击穿特性 （P18） 思考：温度升高时，曲线有何变化？ 热击穿——烧坏PN结

根据理论分析： u 为PN结两端的电压降 i 为流过PN结的电流 当 u>0 u>>UT时 IS 为反向饱和电流 UT =kT/q 称为温度的电压当量 其中k为玻耳兹曼常数 1.38×10－23 q 为电子电荷量1.6×10－9 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。 当 u<0 |u|>>|U T |时

三. PN结的电容特性 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。 1. 势垒电容CB 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。 变容二极管 振荡电路、调频电路

2. 扩散电容CD 极间电容（结电容） 当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来

1.3 晶体二极管电路的分析方法 一、晶体二极管模型 二极管 = PN结 + 管壳 + 引线 结构 N P 阳极 + 阴极 - 符号

1. 二极管结构 PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路 (1) 点接触型二极管

(2) 面接触型二极管 (3) 平面型二极管 PN结面积大，用 于工频大电流整流电路 用于集成电路制造工艺中 PN 结面积可大可小，用 (2) 面接触型二极管 用于集成电路制造工艺中 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中 (3) 平面型二极管

国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2. 晶体二极管型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2AP9 2代表二极管，3代表三极管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N型Si， D为P型Si。 用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。

3. 晶体二极管的V-A特性曲线 (1) 正向特性 实验曲线 i u E (2) 反向特性 i 硅：0.5 V u E 锗 击穿电压UBR (1) 正向特性 实验曲线 锗 u E i V mA 击穿电压UBR 反向饱和电流 导通压降 硅：0.7 V 锗：0.3V (2) 反向特性 死区 电压 u E i V uA 硅：0.5 V 锗： 0.1 V

二. 晶体二极管电路的分析计算 例： D—非线性器件 i u RLC—线性器件 I R 10V E 1kΩ

二极管的模型 串联电压源模型 二极管的V—A特性 理想二极管模型 导通压降 U 正偏 反偏 D U U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。 理想二极管模型 正偏 反偏

简化电路模型——折线法

线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。 　　（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。 　　（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。 　　（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门限电压Uth，约为0.5V，rD的值为200欧姆。由于二极管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。

如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时uD=UQ、iD=IQ）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rj。 小信号电路模型

晶体二极管电路分析方法 晶体二极管模型不同，采用的分析方法也有所不同， 对一般的二极管电路我们可以有以下分析方法： 晶体二极管模型不同，采用的分析方法也有所不同， 对一般的二极管电路我们可以有以下分析方法： ① 利用伏安特性方程和电路方程联立求解； ② 利用伏安特性曲线求解的图解分析法；（自学） ③ 简化分析法：利用二极管简化模型分析电路； ④ 微变等效电路分析法：将电路中的二极管用微变 等效电路模型代替后来分析电路，常用于交流信 号电路中。

二极管的近似分析计算举例 例1： 串联电压源模型 理想二极管模型 I R 10V E 1kΩ I R 10V E 1kΩ R I 10V E 测量值 9.32mA 相对误差 相对误差 思考：如果二极管等效电路中的电阻不能忽略？

例2：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo 解：（1）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。

（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。 -4V 4V ui t 2V 2V uo t 解：①采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。 思考：若UREF=0V，ui为正弦波， 示意性画出输出波形图。P30

②采用串联电压源模型 分析，波形如图所示。 -4V 4V ui t 2.7V 2.7V uo t ②采用串联电压源模型 分析，波形如图所示。

思 考： 1. 电路中出现多个二极管，怎样分析？自学P28例2 2. 电路中交直流并存，如何分析？自学P28例2 思　考： 1. 电路中出现多个二极管，怎样分析？自学P28例2 2. 电路中交直流并存，如何分析？自学P28例2 3. 自学整流电路，掌握半波整流、全波整流和桥式整 流电路特点、工作原理、输出波形特征。

IO I1 R RL I2 VDD1 VDD2 P N UO 1 kW 3 kW 15 V 12V 练习1 试求左图硅二极管电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 值。 5.1kΩ - + ui 2V VD2 4V uO VD1 练习2 试分析右图所示硅二极管电路 (1) 画出电压传输特性曲线； (2) 已知 ui＝10sin t (V)，画出 ui 和 uo 的波形。

三、稳压二极管 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管 反偏电压≥UZ 反向击穿 ＋ UZ － 稳定电压 正向同二极管 限流电阻 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数

(2) 动态电阻rZ —— rZ =U /I 稳压二极管的主要 参数 (1) 稳定电压UZ —— 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。 (2) 动态电阻rZ —— rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) 最小稳定工作 电流IZmin—— 保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。 (4) 最大稳定工作电流IZmax—— 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 。

稳压原理： (1) 当输入电压变化时 Ui UZ Uo UR I IZ (2) 当负载电流变化时 IL Uo UR IZ IR

1.2 其它二极管 一、肖特基表面势垒二极管 二、光电二极管 1. 发光二极管 2. 光敏二极管 3. 光电偶合器 1. 发光二极管 2. 光敏二极管 3. 光电偶合器 原理、特点、电路符号、应用场合等