第一章半導體二極管§1.1半導體的基礎知識一、本征半導體1．導電材料分類：導體：電的良導體，如純金屬及其合金、酸堿鹽水溶液等。絕緣體：電的不良導體，如陶瓷、橡膠等。半導體：

導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，如硅、鍺、砷化鎵等。2．本征半導體：純凈的晶體結構完整的半導體。如硅、鍺單晶體。（均為4價元素）本征半導體：四價元素外層四個電子原子實或慣性核為原子核和內層電子組成價電子為相鄰兩原子所共有+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激發電子空穴成對產生自由電子（帶負電-e)空穴（帶正電+e)

3.本征激發：4.載流子：自由運動的帶電粒子：電子帶負電：

－e=-1.6×10-19c,

空穴帶正電:

e=1.6×10-19c.

+4+4+4+4+4+4+4+4+4復合（電子空穴對成對消失）5.復合：

自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。E外電子電流:IN空穴電流:IP6.漂移：自由電子在電場作用下沿電場的反方向定向運動形成電子電流IN。共有電子的遞補運動，相當于空穴沿電場的方向運動形成空穴電流IP。共有電子遞補運動

7.

兩種載流子:電子(自由電子)和空穴。

8.

兩種載流子的運動：自由電子(在共價鍵以外)的運動；空穴(在共價鍵以內)的運動。結論：1.本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少；2.半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；3.本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。二、雜質半導體在本征半導體中參入微量雜質元素可提高半導體的導電能力，參雜后的半導體稱為雜質半導體。根據參入雜質的不同可分為N型半導體和P型半導體。1.N型半導體和P型半導體電子為多數載流子空穴為少數載流子空穴為多數載流子電子為少數載流子2.雜質半導體的導電性能:主要取決于多子濃度，而多子濃度主要取決于摻雜濃度，其值較大且穩定，因此導電性能得到明顯提高。少子濃度主要與本征激發有關，對溫度敏感，溫度升高，其值增大。電子電流空穴電流三、PN結1.PN結（PNJunction）的形成P區和N區交界面處形成的區域稱為PN結。形成原因主要有以下三個：(1)載流子的濃度差引起多子的擴散(2)復合使交界面形成空間電荷區(耗盡層)(3)擴散和漂移達到動態平衡

擴散運動是濃度差決定的自然現象；漂移運動則是電場作用下產生的。

2.PN結的單向導電性（1）正向偏置：P區接高電位，N區接低電位，簡稱PN結正偏。PN結正偏:外電場使多子向PN結移動，中和部分離子使空間電荷區變窄。擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子-I少子≈I多子PN結處于導通狀態且呈低阻特性。（2）反向偏置：P區接低電位，N區接高電位，簡稱PN結反偏。PN結反偏：外電場使多子子背離PN結移動，空間電荷區變寬。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子≈0PN結處于截至狀態且呈高阻特性。結論：正偏導通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。3.PN結的擊穿特性（5）齊納擊穿：由高濃度摻雜材料制成的PN結中耗盡區寬度很窄，即使反向電壓不高也容易在很窄的耗盡區中形成很強的電場，將價電子直接從共價鍵中拉出來產生電子-空穴對，致使反向電流急劇增加，這種擊穿稱為齊納擊穿。（1）反向擊穿：當加于PN結兩端的反向電壓增大到一定值時，二極管的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現象稱為反向擊穿。（2）電擊穿：反向擊穿后，只要反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率，PN結一般不會損壞。若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿；（3）熱擊穿：若反向擊穿電流過大，則會導致PN結結溫過高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。（4）雪崩擊穿：當反向電壓足夠大時，PN結的內電場加強，使少子漂移速度加快，動能增大，通過空間電荷區與原子相撞，產生很多的新電子-空穴對，這些新產生的電子又會去撞擊更多的原子，這種作用如同雪崩一樣，使電流急劇增加，這種擊穿稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿發生在摻雜濃度較低的PN結中，因為這種PN結的阻擋層寬，因碰撞而電離的機會就多。一、半導體二極管的結構和類型

構成：PN結+引線+管殼=二極管(Diode)符號：陽極（正極）陰極（負極）分類：1.根據材料

硅二極管、鍺二極管2.根據結構

點接觸型、面接觸型、平面型1．二極管的結構和符號二極管常見外型圖：§1.2二極管的特性及主要參數

二極管由一個PN結構成，具有單向導電性。二極管電流ID隨外加于二極管兩端的電壓uD的變化規律

，稱為二極管的伏安特性曲線。二、二極管的伏安特性1．二極管的伏安特性曲線2.PN結的伏安方程：3.二極管的伏安特性a.當外加正向電壓小于Uth時，外電場不足以克服PN結的內電場對多子擴散運動造成的阻力，正向電流幾乎為零，二極管呈現為一個大電阻，好像有一個門坎，因此將電壓Uth稱為門檻電壓(又稱死區電壓)。在室溫下硅管Uth≈0.5V，鍺管Uth≈0.1V。b.當外加正向電壓大于Uth后，PN結的內電場大為削弱，二極管的電流隨外加電壓增加而顯著增大，電流與外加電壓呈指數關系.（1）正向特性：導通電壓:正向壓降:硅管約為0.6～0.8V;鍺管約為0.1～0.3V;用UD(ｏn)表示。uD＜UD(ｏn)時：iD很小，二極管截止；工程上一般取：硅管UD(ｏn)=0.7V，鍺管UD(ｏn)=0.2V。a.反向擊穿類型：

電擊穿—PN結未損壞，斷電即恢復。

熱擊穿—PN結燒毀。（2）反向特性：二極管兩端加上反向電壓時，反向飽和電流IS很小（室溫下，小功率硅管的反向飽和電流IS小于0.1μA。（3）反向擊穿特性二極管兩端反向電壓超過U(BR)時，反向電流IR隨反向電壓的增大而急劇增大，

U(BR)稱為反向擊穿電壓。b.反向擊穿原因：齊納擊穿(Zener)：反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。(擊穿電壓<6V，負溫度系數)雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數突增。(擊穿電壓>6V，正溫度系數)擊穿電壓在6V左右時，溫度系數趨近零。(4)溫度對二極管特性的影響

溫度對二極管的特性有顯著影響。在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降約減小2-2.5mV。三、二極管的主要參數IF—最大整流電流(最大正向平均電流)

URM—最高反向工作電壓，為U(BR)/2IR—反向電流(越小單向導電性越好)

fM—最高工作頻率(超過時單向導電性變差)影響工作頻率的原因—PN結的電容效應結論：1.低頻時，因結電容很小，對PN結影響很小。高頻時，因容抗減小，使結電容分流，導致單向導電性變差。2.結面積小時結電容小，工作頻率高。一、理想二極管及二極管特性的折線近似理想二極管：正向偏置時導通，電壓降為零；反向偏置時截止，電流為零；反向擊穿電壓為無窮大。將二極管的伏安特性曲線用兩段直線來逼近，稱為二極管特性曲線折線近似。1.理想二極管模型2.二極管的恒壓降模型忽略二極管的導通電阻rD的二極管特性曲線和等效電路,稱為二極管恒壓降模型.如下圖所示.§1.3二極管電路的分析方法

3.二極管的折線近似模型

外加電壓遠大于二極管的導通電壓UD(on)時,忽略UD(on)的影響,將二極管的特性曲線用從坐標原點出發的兩段折線逼近,稱為二極管的折線模型.4.直流電阻：QIDUD5.交流電阻：例1、二極管為硅管，其中R=3k，試分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出VDD=3V和VDD=10V時IO和UO的值。

解：1、VDD=3V

（1）理想：UO=VDD=3V；IO

=VDD/R=3/3=1(mA)

（2）恒壓降：UO=VDD–UD(on)=30.7=2.3(V)

IO

=UO/R=2.3/3=0.77(mA)

2、VDD=10V

（1）理想:

IO=VDD/R=10/3=3.33(mA)

（2）恒壓降:

UO=VDD–UD(on)

=100.7=9.3(V)

IO=UO/R=9.3/3=3.1(mA)

結論：VDD大，采用理想模型；VDD小，采用恒壓降模型。例2

試求電路中電流I1、I2、IO及輸出電壓UO的值。

解：假設二極管斷開

UP=15V

輸入電壓理想二極管輸出電壓UOVAVBV1V20V0V正偏導通正偏導通0V0V3V正偏導通反偏截止0V3V0V反偏截止正偏導通0V3V3V正偏導通正偏導通3V歸納：1、理想二極管：

正偏導通，電壓降為零，相當于開關閉合；反偏截止，電流為零，相當于開關斷開。2、恒壓降模型：

正偏電壓>UD(on)時導通，等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當于二極管支路斷開。一、穩壓二極管

1.穩壓二極管的伏安特性:反向擊穿區，且為工作區。正向運用：相當于導通二極管VZ=0.7V反向運用：VZ=V反，起穩壓作用§1.4特殊二極管

2、穩壓二極管主要參數（1）穩定電壓UZ。穩定電壓指流過規定電流時穩壓二極管兩端的反向電壓值。（2）穩定電流IZ。穩定電流是穩壓二極管穩壓工作時的參考電流值，通常為工作電壓等于UZ時所對應的電流值。當工作電流低于IZ時，穩壓效果變差，若低于IZmin時，穩壓管將失去穩壓作用。(3)最大耗散功率PZM和最大工作電流IZM。PZM和IZM是為了保證管子不被熱擊穿而規定的極限參數，由管子允許的最高結溫決定，PZM=IZMUZ。(4)動態電阻rZ。動態電阻是穩壓范圍內電壓變化量與相應的電流變化量之比，即rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ值很小，約幾歐到幾十歐。rZ越小，即反向擊穿特性越陡，穩壓性能就越好。(5)電壓溫度系數CT。電壓溫度系數指溫度每增加1℃時，穩定電壓的相對變化量，即CT=ΔUZ/UZΔT×100%例1.試分析如圖所示簡單穩壓電路的工作原理，其中R為限流電阻。分析：

IR=IZ+IL

UO=UI–IRR

當UI波動時（RL不變）IZUOUIIRUO增減相消當RL變化時（UI不變）RLUOIZIRUO減增相消例2、圖中信號電源電壓為正弦電壓，設二極管是理想二極管，試畫出電路的輸出電壓。解：ui=Uimsinωtui正半周，VD導通，uo=uiUi負半周，VD截止，uo=0例3、圖中信號電源電壓為正弦電壓ui=5sinωt(V)，二極管為理想二極管，試畫出電路的輸出電壓。解（1）ui正半周：V2截止，ui<3V時V1不導通，uo=ui;ui>3V時V1導通，uo=3V.(2)ui負半周：V1截止，︱ui︱<3V時