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第1章 半导体二极管及其基本电路

1.1 教学内容与要求

本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表1.1所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应用。

表1.1 第1章教学内容与要求

教学内容 本征半导体，杂质半导体 形成 半导体基础知识 PN结 单向导电性 伏安特性 电容效应 结构与类型 伏安特性与主要参数 半导体二极管 型号与选择 模型 应用（限幅、整流） 稳压二极管（稳压原理与√ 稳压电路） 特殊二极管 发光二极管、光电二极管、变容二极管 √ 析 条件及稳压电路分熟练掌握 √ √ √ √ √ 教学要求 重点与难点 正确理解 一般了解 √ √ √ √ 重点：PN结的单向导电性 难点：PN结的形成 重点：二极管应用电路分析 难点：二极管各模型的特点及选择各种模型的条件 重点：稳压管稳压1.2 内容提要

1.2.1半导体的基础知识

1．本征半导体

高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。

本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差， 2．杂质半导体

(1) N型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。N型半导体呈电中性。

(2) P型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P型半导体呈电中性。

在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。

1.2.2 PN结及其特性

1．PN结的形成

在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半

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导体，在P型区和N型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN结。PN结是构成其它半导体器件的基础。 2．PN结的单向导电性

PN结具有单向导电性。外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN结几乎截止。 3. PN结的伏安特性

PN结的伏安特性： I?IS(eUUT?1)

式中，U的参考方向为P区正，N区负，I的参考方向为从P区指向N区；IS在数值上等于反向饱和电流；UT=KT/q，为温度电压当量，在常温下，UT≈26mV。

UU(1) 正向特性 U?0的部分称为正向特性，如满足U??UT，则I?ISeT，PN结的

正向电流I随正向电压U按指数规律变化。

(2) 反向特性 U?0的部分称为反向特性，如满足U??UT，则I??IS，反向电流与反向电压的大小基本无关。

(3) 击穿特性 当加到PN结上的反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿，击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。 4. PN结的电容效应

PN结的结电容CJ由势垒电容CB和扩散电容CD组成。CB和CD都很小，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。当PN结正向偏置时，扩散电容CD起主要作用，当PN结反向偏置时，势垒电容CB起主要作用。

1.2.3 半导体二极管

1. 半导体二极管的结构和类型

半导体二极管是由PN结加上电极引线和管壳组成。

二极管种类很多，按材料来分，有硅管和锗管两种；按结构形式来分，有点接触型、面接触型和硅平面型几种。 2. 半导体二极管的伏安特性

半导体二极管的伏安特性是指二极管两端的电压uD和流过二极管的电流iD之间的关系。它的伏安特性与PN结的伏安特性基本相同，但又有一定的差别。在近似分析时，可采用PN结的伏安特性来描述二极管的伏安特性。 3. 温度对二极管伏安特性的影响

o

温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高1C，PN结的正向压降约减小（2~2.5）mV。

o

二极管的反向特性曲线随温度的升高将向下移动。当温度每升高10C左右时，反向饱和电流将加倍。

4. 半导体二极管的主要参数

二极管的主要参数有：最大整流电流IF ；最高反向工作电压UR；反向电流IR；最高工作频率fM等。由于制造工艺所限，即使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。 5. 半导体二极管的模型

常用的二极管模型有以下几种：

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(1) 理想模型: 理想二极管相当于一个开关。当外加正向电压时，二极管导通，正向压降uD为零，相当于开关闭合；当外加反向电压时，二极管截止，反向电流iR为零，相当于开关断开。

(2) 恒压源模型: 当二极管外加正向电压等于或大于导通电压Uon时，二极管导通，二极管两端电压降为Uon；当外加电压小于Uon时，二极管截止，反向电流为零。

(3) 折线模型: 当二极管外加正向电压大于Uon后其电流iD与电压uD成线性关系，直线斜率为1/rD；当二极管外加正向电压小于Uon时，二极管截止，反向电流为零。

(4) 微变信号模型: 如果在二极管电路中，除直流信号外，还有微变信号，则对微变信号可将二极管等效成一个电阻rd，其值与静态工作点有关，即rd?UT/IDQ。

6．半导体二极管的应用

(1) 限幅：利用二极管的单向导电性将输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。

(2) 整流：正弦交流电压变换为单向脉动电压。

1.2.3 特殊二极管

1．稳压二极管 (1) 稳压原理

稳压管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管。利用PN结的反向击穿特性来实现稳定电压的，正常使用时工作在反向击穿状态。当反向电压达到击穿电压UZ后，流过管子的反向电流会急剧增加，即使通过稳压管的反向电流在较大范围内变化，管子两端的反向击穿电压几乎不变，表现出很好的稳压特性。

(2) 主要参数

稳压管的主要参数有：稳定电压UZ，稳定电流IZ，最大耗散功率PCM和最大工作电流IZmax，动态电阻rz和稳定电压的温度系数α。

(3) 稳压电路

稳压管正常稳压必须满足两个条件：一是必须工作在反向击穿状态（利用正向特性稳压除外）；二是流过稳压管的电流要在最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之间。 2. 其它特殊二极管

发光二极管：通以电流时，能发出光来。

光电二极管：将光能转换成电能，它的反向电流与光照强度成正比。 变容二极管：结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。

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自测题

1.1 判断下列说法是否正确，用“√”和“?”表示判断结果填入空内 1. 半导体中的空穴是带正电的离子。（ ）

2. 温度升高后，本征半导体内自由电子和空穴数目都增多，且增量相等。（ ） 3. 因为P型半导体的多子是空穴，所以它带正电。（ ）

4. 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。（ ） 5. PN结的单向导电性只有在外加电压时才能体现出来。（ ） 1.2 选择填空

1. N型半导体中多数载流子是 A ；P型半导体中多数载流子是 B 。 A．自由电子 B．空穴 2. N型半导体 C ；P型半导体 C 。

A．带正电 B．带负电 C．呈电中性

3. 在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于 B ，而少子的浓度则受 A 的影响很大。 A．温度 B．掺杂浓度 C．掺杂工艺 D．晶体缺陷 4. PN结中扩散电流方向是 A ；漂移电流方向是 B 。 A．从P区到N区 B．从N区到P区 5. 当PN结未加外部电压时，扩散电流 C 飘移电流。

A．大于 B．小于 C．等于

6. 当PN结外加正向电压时，扩散电流 A 漂移电流，耗尽层 E ；当PN结外加反向电压时，扩散电流 B 漂移电流，耗尽层 D 。

A．大于 B．小于 C．等于 D．变宽 E．变窄 F．不变 7. 二极管的正向电阻 B ，反向电阻 A 。 A．大 B．小

8. 当温度升高时，二极管的正向电压 B ，反向电流 A 。

A．增大 B．减小 C．基本不变 9. 稳压管的稳压区是其工作在 C 状态。

A．正向导通 B．反向截止 C．反向击穿

1.3 有A、B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是2?A、0.5?A、5?A；在外加相同的正向电压时，电流分别为10mA、 30mA、15mA。比较而言，哪个管子的性能最好？ 1.4 试求图T1.4所示各电路的输出电压值UO，设二极管的性能理想。

VD +5V3kΩUO? 5V3kΩ+VDUO7V? VD5V3kΩ1V +UO?

（a） （b） （c）

4

VD1VD2+VD1VD2+ +3kΩUO9V5V?3kΩUOVD2kΩ10V6V?.7V3kΩ5VUO_

（d） （e） （f）

图T1.4

1.5 在图T1.5所示电路中，已知输入电压ui=5sin?t（V），设二极管的导通电压Uon=0.7V。分别画出它们的输出电压波形和传输特性曲线uo=f（ui）。

VD+ui?+?UVD3kΩ+uo?+ui?3kΩ+VD+uo?+ui?3kΩ+?VD1VD2+uo?UVD?UVD1?UVD2+

（a） （b） （c）

图T1.5

1.6 有两个硅稳压管，VDZ1、VDZ2的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V，稳定电流是5mA。求图T1.6各个电路的输出电压UO。

2kΩ +VDz120VVDz2? UO20VVDz2? VDz1UO20VVDz2+VDz1UO? 2kΩ +2kΩ

（a） （b） （c）

2kΩ +VDz120VVDz2UO? 20VVDz1VDz2UO? 20V+VDz1VDz2UO? 2kΩ +2kΩ

（d） （e） （f）

图T1.6

1.7

已知稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大功耗PZM=150mW。

试求图T1.7所示电路中限流电阻R的取值范围。

1.8 稳压管稳压电路如图T1.8所示，稳压管的稳定电压UZ=8V，动态电阻rz可以忽略，UI=20V。试求：⑴ UO、IO、I及IZ的值。

⑵ 当UI降低为15V时的UO、IO、I及IZ的值。

IRR+UI=15V_VDZ+UO_R2kΩIZIO+RL2kΩUO_+UI_VDZ

图T1.7 图T1.8

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