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　　半导体基础知识及二极管电路第1页/共108页正确理解以下基本概念半导体导电载流子；

　　二极管的外特性（数学描述）（V－A特性曲线及方程）；二极管的电路模型。3.熟悉

　　二极管的主要参数。第3页/共108页物质的分类导体(电阻率小于)绝缘体(电阻率大于)半导体（电阻率介于两者之间）典型的半导体：如硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等按照导电能力的差别，可以将物质分为：

　　半导体的独特性质：电阻率可因某些外界因素的改变而明显变化掺杂特性热敏特性光敏特性注意：决定物质导电性能的因素？第一节半导体的基本特性第4页/共108页现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。简化模型SiGe第一节半导体的基本特性1.1.1本征半导体一.结构特点第5页/共108页通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅晶体的空间排列完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。

　　在硅和锗晶体中，每个原子附近有四个邻近原子，彼此之间由价电子联系起来，形成共价键，共用一对价电子。1.1.1

　　本征半导体一.结构特点第6页/共108页硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子1.1.1

　　本征半导体一.结构特点第7页/共108页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。特点：+4+4+4+41.1.1

　　本征半导体一.结构特点第8页/共108页在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.1.1

　　本征半导体二.导电机理第9页/共108页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子1.1.1

　　本征半导体二.导电机理第10页/共108页+4+4+4+4空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。1.1.1

　　本征半导体二.导电机理第11页/共108页本征半导体中电流由两部分组成：

　　2.空穴（价电子）移动产生的电流。本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴。导电能力取决于载流子的浓度。1.1.1

　　本征半导体二.导电机理第12页/共108页本征半导体中载流子的浓度：1.1.1

　　在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。掺入微量的+5价元素（磷P）的半导体。第一节半导体的基本特性1.1.2杂质半导体一.N型半导体增加载流子的数量提高导电率注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结构。第14页/共108页施主原子N型半导体结构示意图1.1.2

　　杂质半导体一.N型半导体不能导电第15页/共108页N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。1.1.2

　　杂质半导体一.N型半导体第16页/共108页掺入微量的+3价元素（硼B）的半导体P型半导体结构示意图受主原子1.1.2

　　杂质半导体二.P型半导体不能导电第17页/共108页可以认为空穴带一个单位的正电荷，并且可以移动。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.1.2

　　杂质半导体二.P型半导体第18页/共108页小结杂质原子多子N型半导体+5价施主原子（正离子）电子P型半导体+3价受主原子（负离子）空穴1.1.2

　　杂质半导体第19页/共108页杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。可近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2

　　杂质半导体三.杂质半导体的性质在杂质半导体中：多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度少子的浓度主要取决于温度。存在着自由电子、空穴和杂质离子三种带电粒子；第20页/共108页1.1.2

　　杂质半导体三.杂质半导体的性质++++++------N型半导体的简化表示法P型半导体的简化表示法第21页/共108页

　　掺杂半导体处于平衡状态时，其载流子浓度满足如下关系：p0—平衡空穴浓度；n0－平衡电子浓度;ni－本征电子浓度。1.1.2

　　杂质半导体半导体杂质的补偿原理第22页/共108页1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移，如图（A）所示。（A）电场作用下的漂移运动1.1.2

　　杂质半导体四.载流子的漂移和扩散运动当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电特性。第23页/共108页2、载流子由浓度高流向浓度低的运动称为扩散，如图（B）所示。（B）扩散示意图1.1.2

　　在同一块本征半导体基片上，两侧分别掺入施主杂质和受主杂质制成N型半导体和P型半导体。则在两半导体的结合面上形成如下物理过程:第二节半导体二极管的工作原理及特性1.2.1PN结及其单向导电性一.PN结的形成第25页/共108页一.PN结的形成1.2.1

　　PN结及其单向导电性第26页/共108页++++++------阻挡层(势垒层)：阻挡多子的扩散运动，但引起少子的漂移运动空间电荷区内建电场扩散++++++------漂移耗尽层阻挡层高阻区一.PN结的形成1.2.1

　　PN结及其单向导电性第27页/共108页空间电荷区内建电场扩散++++++------漂移耗尽层阻挡层高阻区一.PN结的形成1.2.1

　　PN结及其单向导电性多子的扩散运动形成扩散电流，并增加空间电荷区的宽度。少子的漂移运动形成漂移电流，并减小空间电荷区的宽度。当两种运动到达平衡时，空间电荷区的宽度也达到稳定。第28页/共108页空间电荷区内建电场扩散++++++------漂移耗尽层阻挡层高阻区一.PN结的形成1.2.1

　　PN结及其单向导电性动态平衡时交界面两侧的空间电荷量、空间电荷区宽度、内建电场等参量均为常数，且与半导体材料、掺杂浓度、温度有关.耗尽层为高阻区，空间电荷区以外的区域为低阻区.第29页/共108页

　　最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区1.2.1

　　PN结及其单向导电性PN结形成过程的总结第30页/共108页接触电位差：阻挡多子的扩散运动，又称为“电位势垒”或“势垒”势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度低的一侧.1.2.1

　　PN结及其单向导电性接触电位差与势垒宽度空间电荷区内建电场++++++------第31页/共108页PN++++++------内电场外电场势垒区的电位差减小阻挡层内的合成电场减小空间电荷总量减小空间电荷区变窄1.2.1

　　PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性1、PN结加正向电压(正向偏置)P区加正、N区加负电压。第32页/共108页PN++++++------内电场外电场1.2.1

　　PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性1、PN结加正向电压(正向偏置)正向电流If加正向电压时（导通）扩散电流加大；漂移电流基本不变；正向电流的方向为由P区至N区，且随外加正向电压增加而增加。第33页/共108页PN++++++------内电场外电场势垒区的电位差增加阻挡层内的合成电场增加空间电荷总量增加空间电荷区变厚1.2.1

　　PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）P区加负、N区加正电压。第34页/共108页PN++++++------1.2.1

　　PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）反向电流Is加反向电压时（截止）内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小.第35页/共108页

　　在一定的温度条件下，由本征激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，对温度变化非常敏感。1.2.1

　　PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）第36页/共108页

　　PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，且正向电流随正向电压的大小急剧改变；

　　PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且反向电流基本不随反向电压的大小变化。

　　由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。二.PN结的单向导电性1.2.1

　　PN结及其单向导电性第37页/共108页电路符号第二节半导体二极管的工作原理及特性1.2.2二极管的结构与类型第38页/共108页(a)点接触型

　　二极管的结构示意图结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。一.点接触型二极管1.2.2二极管的结构与类型第39页/共108页(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。二.面接触型二极管1.2.2二极管的结构与类型第40页/共108页(c)平面型

　　往往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。三.平面型二极管1.2.2二极管的结构与类型第41页/共108页温度电压当量。当在室温条件下T=300K时，约为26mV：外接电压：反向饱和电流1.2.3二极管的伏安特性第二节半导体二极管的工作原理及特性一.二极管电流方程第42页/共108页温度电压当量。当在室温条件下T=300K时，约为26mV：外接电压：反向饱和电流若为正偏且，则有若为反偏且，则有1.2.3二极管的伏安特性第二节半导体二极管的工作原理及特性一.二极管电流方程第43页/共108页应了解二极管理想特性与实际特性之间的区别理想特性实际特性1.2.3二极管的伏安特性第二节半导体二极管的工作原理及特性一.二极管电流方程第44页/共108页正向工作区阈值电压的含义反向工作区反向击穿区反向击穿电压二.

　　二极管的伏安特性1.2.3二极管的伏安特性V(BR)第45页/共108页锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性二.

　　二极管的伏安特性1.2.3二极管的伏安特性材料开启电压Vth导通电压V反向饱和电流Is硅(Si)0.5v0.6~0.8v0.1µA锗(Ge)0.1v0.1~0.3v几十µA第46页/共108页1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应第二节半导体二极管的工作原理及特性V(BR)第47页/共108页：反向击穿电压击穿{电击穿热击穿电击穿{齐纳击穿雪崩击穿(可逆)热击穿：反向高压反向大电流结温升高载流子增多反向电流增大功耗增大。。。(不可逆)一.

　　二极管的反向击穿特性1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应第48页/共108页齐纳击穿：高掺杂，耗尽层宽度小，不太大的电压就在耗尽层形成强电场，直接破坏共价键，使电流急剧上升。雪崩击穿：反向电压为较大值时，耗尽层的电场使少子漂移速度加快，与价电子相碰撞，产生电子空穴对，新的电子空穴被加速后又撞其它价电子，载流子雪崩式增加，使电流急剧上升。一.

　　二极管的反向击穿特性1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应第49页/共108页温度升高时，反向电流增大工程上可近似认为温度每增加10摄氏度，约增大一倍温度升高时，正向伏安特性左移工程上可近似认为电流保持不变时，温度每增加1摄氏度，二极管压降约减小二.

　　二极管的温度特性1.2.4反向击PG电子官方平台入口穿特性、温度特性和电容效应第50页/共108页势垒电容描述的是势垒区内的空间电荷随PN结外加电压变化而产生的电容效应，用表示三.

　　二极管的电容效应1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应PN结两端电压发生变化时，空间电荷区内的电荷量将随之变化。势垒电容(CT)势垒电容示意图反偏时空荷区扩大，等效平板电容的距离增加；正偏时空荷区变小，等效平板电容的距离减小。第51页/共108页三.

　　二极管的电容效应1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应势垒电容是非线性电容，将随着外加电压的变化而改变第52页/共108页三.

　　二极管的电容效应1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应可以据此制成专用的变容二极管。变容二极管皆应用在反向偏置状态。第53页/共108页三.

　　二极管的电容效应1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应2、扩散电容(CD)平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子(npo)。非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴或从N区扩散到P区的电子。扩散电容：非平衡少子随外加电压变化的效应(CD)。扩散电容也是非线性电容，将随着外加电压的变化而改变.第54页/共108页

　　结电容总结1.2.4反向击穿特性、温度特性和电容效应势垒电容与扩散电容为并联，PN结总电容为两者之和：正向偏置时PN结电容以扩散电容为主，反向偏置时以势垒电容为主。PN结的电容效应将影响晶体管的响应速度和高频特性。第55页/共108页1.最大整流电流

　　IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压VR二极管工作时允许外加的最高反向电压。手册上给出的最高反向工作电压VR一般是击穿电压VBR的一半。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。1.2.5

　　二极管的主要参数第二节半导体二极管的工作原理及特性第56页/共108页3.反向电流

　　IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。1.2.5

　　二极管的主要参数第二节半导体二极管的工作原理及特性第57页/共108页4.微变电阻rdiDvDIDVDQiDvDrd

　　是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rd是Q附近的微小变化区域内的电阻。1.2.5

　　二极管的主要参数第二节半导体二极管的工作原理及特性第58页/共108页5.最高工作频率fM指二极管工作的上限频率。因结电容的作用，将不能很好地体现单向导电性。1.2.5

　　二极管的主要参数第二节半导体二极管的工作原理及特性第59页/共108页部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压

　　A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流μA正向压降（平均值）

　　MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83参数型号第60页/共108页正常情况下，工作于反向击穿区。反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，从而具有稳压作用。反向击穿电压最小允许电流最大允许电流1.2.6

　　稳压二极管第61页/共108页反向击穿电压最小允许电流最大允许电流动态电阻：一.

　　稳压二极管1.2.6特殊二极管稳压误差曲线越陡，电压越稳定。rz越小，稳压性能越好。第62页/共108页反向击穿电压最小允许电流最大允许电流一.

　　稳压二极管1.2.6特殊二极管稳压误差曲线越陡，电压越稳定。稳压管在使用时应串接限流电阻以保证反向电流值在合适范围内。第63页/共108页二.

　　变容二极管1.2.6特殊二极管第64页/共108页特点：1、内部为金属半导体结，也具有单向导电性2、电子（多子）导电没有少子存储现象工作速度快。3、势垒区薄正向导通电压和反向击穿电压都低。1.2.6特殊二极管三.

　　肖特基二极管N型硅中的自由电子比金属中的自由电子更容易克服原子的束缚而逸出第65页/共108页材料和结构：

　　发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成,由于电子空穴的复合产生发光能量，是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。1、发光二极管1.2.6特殊二极管四.

　　光电子器件单个发光二极管七段显示发光二极管第66页/共108页发光二极管的主要特性颜色波长（nm）基本材料正向电压（10mA时）V光强（10mA时，张角±45°）（mcd）光功率（μW）红外900砷化镓1.3~1.5100~500红655磷砷化镓1.6~1.80.4~11~2鲜红635磷砷化镓2.0~2.22~45~10黄583磷砷化镓2.0~2.21~33~8绿565磷化镓2.2~2.40.5~11.5~8第67页/共108页半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下，很容易脱离共价键而成为自由电子，因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比，用感光灵敏度来衡量。典型值为：0.1μA/Lx2、光电二极管1.2.6特殊二极管四.

　　光电子器件第68页/共108页反向电流随光照强度的增加而上升。1.2.6特殊二极管四.

　　静态电阻由二极管、线性元件和独立电源构成的电路称为二极管电路，属于非线性电路。当电路中只有直流电源、没有交流信号源时，二极管对外呈现的直流电阻称为静态电阻第71页/共108页一.

　　静态电阻1.3.1二极管的等效电阻静态电阻：rD=VD/ID（非线性）当管子的工作电流和电压都确定后就在特性曲线上确定了静态(直流)工作点Q。第72页/共108页二.

　　动态电阻1.3.1二极管的等效电阻动态电阻：微变电阻或交流电阻。表示小信号工作情况下，交流电流与交流电压的变化关系。第73页/共108页静态工作点二.

　　动态电阻1.3.1二极管的等效电阻第74页/共108页能够近似表征器件特性的图表、曲线、函数表达式，或者由基本电路元件构成的电路都可以称为器件的模型用数学表达式来表征器件特性的模型称为数学模型；用基本电路元件（如电阻、电容、电感）以及独立电源和受控源构成的模型，称为器件的网络模型（电路模型）。器件模型的精度越高，模型的结构越复杂，要求的模型参数也越多，分析电路时计算量就越大。第三节半导体二极管电路1.3.2

　　二极管的模型第75页/共108页理想化模型恒压降模型分段线性模型交流小信号模型第三节半导体二极管电路1.3.2

　　电路模型交流小信号模型第80页/共108页根据电路的具体情况选择合适的二极管模型，从而把非线性电路转化为线性电路并采用线性电路的分析方法进行分析计算。对于直流电路和大信号工作电路，通常采用理想模型或者恒压降模型进行分析。1.3.2二极管的模型电路中模型的选择第81页/共108页对于既有直流电源又有交流小信号源的电路，一般首先利用恒压降模型进行静态分析，估算电路的Q点；然后根据Q点计算出交流电阻；再用小信号模型法进行动态分析，求出小信号作用下的交流电压、电流；最后，将交流量与静态值相叠加，得到完整的结果。1.3.2二极管的模型电路中模型的选择第82页/共108页例1.3.3

　　二极管的导通电压VD=0.7V，输入信号求输出电压vo(包括直流量和交流量）。4.3k5V第83页/共108页4.3k5V解：可利用叠加原理将直流和交流分开考虑。（1）利用恒压模型进行直流分析，求直流工作点VD

　　假设二极管为硅管，则VO=VDD-VD=5-0.7=4.3V二极管的直流工作点电流第84页/共108页（2）交流分析第85页/共108页第86页/共108页二极管用理想模型：死区电压=0，正向压降=0vsvott半波整流第三节半导体二极管电路1.3.3

　　二极管整流电路第87页/共108页vsvott二极管用恒压模型：正向压降0.7V(硅二极管)半波整流一.

　　二极管整流电路1.3.3二极管模拟电路第88页/共108页vsvott半波整流一.

　　二极管整流电路1.3.3二极管模拟电路利用电子器件的单向导电性将交流电变为直流电的过程称为整流可用滤波器滤除输出电压的交流成分，获得平稳的直流电压。第89页/共108页全波整流+-+-一.

　　二极管整流电路1.3.3二极管模拟电路第90页/共108页按照规定的范围，将输入信号波形的一部分传送到输出端、而将其余部分消去的过程称为限幅。限幅器应能够鉴别信号的幅度，其传输特性必须具有线性区和限幅区。二.

　　二极管限幅电路1.3.3二极管模拟电路第91页/共108页：下门限：上门限二.

　　二极管限幅电路1.3.3二极管模拟电路第92页/共108页一般利用器件的开关特性实现限幅具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅电路，仅有一个门限的称为单向限幅电路。其中，仅有上门限的称为上限幅电路，仅有下门限的称为下限幅电路。二.

　　二极管限幅电路1.3.3二极管模拟电路第93页/共108页二极管导通，二极管截止，以上两图为上限幅电路若改变二极管极性则可得下限幅电路二.

　　二极管限幅电路1.3.3二极管模拟电路1.单向限幅电路第94页/共108页二.

　　二极管限幅电路1.3.3二极管模拟电路2.双向限幅电路第95页/共108页R为限流电阻，其阻值的选择应使稳压二极管工作在稳压区。当流过稳压管的电流IZ有较大幅度的变化ΔIZ时，其两端电压的变化ΔVZ却很小。故当或变化时，电路能自动地调整的大小，以改变上的压降 ，达到维持输出电压基本恒定的目的。稳压过程：三.

　　vi的正常值。当vi由正常值波动20%时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压管的技术参数:曲线页解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。——方程1voiZDZRiLiviRL三.

　　稳压电路1.3.3二极管模拟电路第98页/共108页令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2voiZDZRiLiviRL联立方程1、2，可解得：二.

　　稳压电路1.3.3二极管模拟电路第99页/共108页将周期信号波形的某一部分固定在一个选定的电位上，而信号其余部分波形形状保持不变。即使整个信号电压直流平移，平移程度取决于电路。主要原理：二极管导通与截止时的电阻不同，从而电路的充放电时间常数不同，即“快充慢放”四.

　　二极管开关电路1.3.3二极管模拟电路当输入电压中只要有一个为低电平，则输出为低电平；只有当所有输入电压均为高电平时，输出才为高电平。第103页/共108页2、二极管或门vI1vI2D1D2vo0V0V截止截止0V0V5V截止导通5V（4.3)5V0V导通截止5V（4.3)5V5V导通导通5V（4.3)五.

　　二极管开关电路1.3.3二极管模拟电路当输入电压中只要有一个为高电平，则输出为高电平；只有当所有输入电压均为低电平时，输出才为低电平.第105页/共108页二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo第106页/共108页作业1.1.21.2.21.2.41.3.2(c)1.3.51.3.8

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