1、School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六第第5 5章章 半导体器件基半导体器件基础与二极管电路础与二极管电路School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六本章内容概述本章内容概述u导体器件的出现改变了电子电路的组成格局，从导体器件的出现改变了电子电路的组成格局，从20世纪世纪60年代开始，半导体器件开始逐步取代真空管年代开始，半导体器件开始逐步取代真空管器件，在电子电路中占据绝对
2、主导地位。器件，在电子电路中占据绝对主导地位。u本章首先介绍半导体器件的基础知识，介绍本章首先介绍半导体器件的基础知识，介绍PN结的结的单向导电原理，然后着重介绍半导体二极管器件的单向导电原理，然后着重介绍半导体二极管器件的外部特性和主要参数，为正确使用器件打下基础，外部特性和主要参数，为正确使用器件打下基础，最后介绍几种常用的二极管应用电路。最后介绍几种常用的二极管应用电路。School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体一、导体一、导体 自然界中很
3、容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体。金属一般都是导体。二、绝缘体二、绝缘体 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、半导体三、半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体有半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。温敏、光敏和掺杂等导电特性。5.1 5.1 半导体二极管的工作原理与特性半导体二极管的工作原理与特性School
4、of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 半导体的导电特性半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于此类。此类。往纯净的半导体中掺入某些杂质，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。二极管、三极会使它的导电能力明显改变。二极管、三极管属于此类。管属于此类。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半
5、导体。化学成分纯净的半导体。制造半导体制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称，常称为为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技电子技术中用的最多的是术中用的最多的是硅硅和和锗锗。它们的最外层电子（价电。它们的最外层电子（价电子）都是四个。子）都是四个。一、本征半导体1、本征半导体结构、本征半导体结构图图5.1 Ge和和Si原子的模型原子的模型 GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的。
6、纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。Ge或或Si原子生成晶体时，其原子排列就由杂乱无章的原子生成晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态，原子间的距离都是状态变成了非常整齐的状态，原子间的距离都是相等的。研究一块纯净的相等的。研究一块纯净的Ge或或Si晶体时，可发现每晶体时，可发现每个原子有个原子有4个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子间共有一对电子间共有一对电子(称为价电子称为价电子)，组成共价键结构，组成共价键结构，共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束
7、缚，在空间形成排列有序的晶体。如图所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如图5.2所所示。其本征半导体晶体结构如图示。其本征半导体晶体结构如图5.3所示。所示。图图5.2 Ge或或Si晶体的共价键结构晶体的共价键结构 共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子+4+4+4+4图5.3 本征半导体晶体结构示意图共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电
8、子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。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。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+42 2、本征激发、本征激发在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有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（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。当温度升高
9、或受到光的照射时，价电子能当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为而参与导电，成为自由电子自由电子，同时共价键上留，同时共价键上留下一个空位，称为下一个空位，称为空穴空穴。1 1）.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子空穴显示出的功效类似空穴显示出的功效类似正正电荷电荷(严格地说，空穴不是严格地说，空穴不是正电荷正电荷)，所以，空穴也是一种载流子。，所以，空穴也是一种载流子。
10、2 2）.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填穴吸引附近的电子来填补（但是，当一个自由补（但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为复就会消失，这称为复合），这样的结果相当合），这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的的迁移相当于正电荷的移动移动电流电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力
11、越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。二、杂质半导体在本征半
12、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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。掺杂的半导体称为杂质半导体。掺杂的方掺杂的半导体称为杂质半导体。掺杂的方法是将少量的杂质元素加入到加热了的法是将少量的杂质元素加入到加热了的Ge或或Si晶体中。如果在晶体中。如果在Si晶体中掺入少量的五价杂质晶体中掺入少量的五价杂
13、质元素，例如磷元素，例如磷(P)元素，则元素，则P原子将全部扩散到原子将全部扩散到加热了的加热了的Si晶体中。因为晶体中。因为P原子比原子比Si原子数目少原子数目少得多，所以当冷却后形成固态晶体时，整个晶得多，所以当冷却后形成固态晶体时，整个晶体结构不变，只是某些位置上的体结构不变，只是某些位置上的Si原子被原子被P原子原子代替了。因为每个代替了。因为每个P原子有原子有5个外层子，所以组个外层子，所以组成共价键后就自然而然地多出一个电子，此电成共价键后就自然而然地多出一个电子，此电子受原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子受原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子。子。1.N型半导体 在本征半导
14、体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型型半导体半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电四个价电子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一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自自由由电子是多数载流子电子是多数载流子,它它主要由主要由杂质原子提供杂质原子提供；另外，硅晶体另外，硅晶体由于热激由于热激发发会产生少量的电子空会产生少量的电子空穴对，所以穴对，
15、所以空穴是少数空穴是少数载流子。载流子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为单位正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主原子施主原子。N型半导体的结构示意图如下图所示。型半导体的结构示意图如下图所示。磷原子核自由电子+4+4+5+4N N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体
16、中成对产生的电子和空穴。2.P 2.P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼
17、原子硼原子P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。杂质半导体的示意表示法：杂质半导体的示意表示法：P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。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但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。3.杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据
18、如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。小小 结结 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。生自由电子和空穴对
19、，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。和材料性质有关。School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月
20、28日星期六日星期六u载流子的运动载流子的运动载流子在电场作用下的漂移运动载流子在电场作用下的漂移运动没有电场作用时没有电场作用时,半导体内部的自由电子和空穴的运动半导体内部的自由电子和空穴的运动是杂乱无章的热骚动，其运动方向不断改变，因此从是杂乱无章的热骚动，其运动方向不断改变，因此从平均的意义上来说不会产生电流。平均的意义上来说不会产生电流。当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还要叠当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还要叠加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向的加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向的运动。运动。在电场作用下载流子的运动称为在电场作用下载流子的运动称为
21、漂移运动漂移运动。由漂移运动产生的电。由漂移运动产生的电流为流为漂移电流漂移电流。电场电场 E+-eqSchool of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六u载流子的运动载流子的运动(续续)载流子的扩散运动载流子的扩散运动如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散。扩散。由于浓度差引起的载流子由于浓度差引起的载流子运动为运动为扩散运动扩散运动。相应产。相
22、应产生的电流为生的电流为扩散电流扩散电流。1.PN1.PN结的形成结的形成 物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散。物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散。当当P型半导体和型半导体和N型半导体结合在一起时，因为空穴型半导体结合在一起时，因为空穴在在P区中是多子，在区中是多子，在N区中是少子；同样，电子在区中是少子；同样，电子在N区中是多子，在区中是多子，在P区中是少子，所以在区中是少子，所以在P、N两区交界两区交界处，由于载流子浓度的差异，要发生电子和空穴的处，由于载流子浓度的差异，要发生电子和空穴的扩散运动，多子都要向对方区域移动。当电子和空扩散运动，多子都要向对方区域移动。当电子和
23、空穴相遇时会复合消失。假设扩散运动的方向由正指穴相遇时会复合消失。假设扩散运动的方向由正指向负向负(P区指向区指向N区区)，则空穴将顺扩散运动方向移动，则空穴将顺扩散运动方向移动，电子将逆扩散运动方向移动。电子将逆扩散运动方向移动。5.1.1 PN结及其单向导电特性P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。扩散到对方的载流子在扩散到对方的载流子在P区和区和N区的交区的交界处附近被相互中和掉，使界处附近被相互
24、中和掉，使P区一侧因区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的渐形成由正、负离子组成的空间电荷空间电荷区（耗尽层）区（耗尽层）。由于。由于P区一侧带负电，区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向区指向P区的区的内电场内电场内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽
25、度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区 扩散的结果在两区交界处的扩散的结果在两区交界处的P区一侧，区一侧，出现了一层带负电荷的粒子区出现了一层带负电荷的粒子区(即不能移动即不能移动的负离子的负离子)；在；在N区一侧，出现了一层带正电区一侧，出现了一层带正电荷的粒子区荷的粒子区(即不能移动的正离子即不能移动的正离子)，形成了，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是一个很薄的空间电荷区，这就是PN结，如结，如图。图。浓度差浓度差 多子扩散
26、多子扩散 空间电荷区空间电荷区 (杂质离子杂质离子)内电场内电场 促少子促少子 阻多子阻多子 漂移漂移 扩散扩散 动态平衡时动态平衡时PN结形成过程：1).1).空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2).2).空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴.N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3).3).P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少子子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。，数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:2.PN2.PN结的单向导电特性结的单向导
27、电特性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是：P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。一、一、PN 结正向偏置结正向偏置+RUf内电内电场场外电外电场场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。扩散电流的扩散电流。扩散电流远大于漂移电流，可忽远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。(1)当当0UfUT时，时，UT为死区
28、电压，或称门坎为死区电压，或称门坎电压。这时由于外电场还不足以克服内电场对载电压。这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，所以正向电流流子扩散所造成的阻力，所以正向电流If几乎为零，几乎为零，PN结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。(2)当当UfUT后，这时在外电场的作用下，内电后，这时在外电场的作用下，内电场被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且场被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且进入空间电荷区后，一部分空穴会与负离子中和，进入空间电荷区后，一部分空穴会与负离子中和，一部分电子会与正离子中和，使空间电荷量减少，一部分电子会与正离子
29、中和，使空间电荷量减少，PN结变窄。结变窄。空间电荷区中载流子数量的增加，相空间电荷区中载流子数量的增加，相当于当于PN结电阻的减小。这样，载流子就结电阻的减小。这样，载流子就能顺利地越过能顺利地越过PN结，形成闭合的回路，结，形成闭合的回路，产生较大的正向电流产生较大的正向电流If。因为外电源不断。因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子，所以使电地向半导体提供空穴和电子，所以使电流流If得以维持。得以维持。PN结的正向特性曲线如图结的正向特性曲线如图(b)所示。所示。(1)空间电荷区变窄的过程，相当于载流子空间电荷区变窄的过程，相当于载流子充进了充进了PN结。结。P区一侧充正电区一侧充正电(
30、充入空穴充入空穴)，N区区一侧充负电一侧充负电(充入电子充入电子)，这现象如同一个电容器，这现象如同一个电容器的充电，此电容称为耗尽层电容的充电，此电容称为耗尽层电容Ct。它是由耗尽。它是由耗尽层内电荷存储作用引起的。我们知道层内电荷存储作用引起的。我们知道,耗尽层内耗尽层内有不能运动的正负离子有不能运动的正负离子,因而该层缺少载流子因而该层缺少载流子,导电率很低导电率很低,相当于介质相当于介质,而它两边的而它两边的P区和区和N区区导电率相对很高导电率相对很高,相当于金属。当外加电压改变相当于金属。当外加电压改变时时,耗尽层的电荷量也要改变耗尽层的电荷量也要改变,引起电容效应引起电容效应,耗耗
31、尽层有势垒尽层有势垒,因此称为势垒电容。因此称为势垒电容。需要指出的是：需要指出的是：二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制的扩散受抑制(可忽略扩可忽略扩散电流散电流)。少子漂移加强，。少子漂移加强，但少子数量有限，只能但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。形成较小的反向电流。PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。RUR 因此，因此，PN结处于反偏时，电阻是很大的。结处于反偏时，电阻是很大的。PN结的反向特性曲线如图所示。结的反向特性曲线如图所示。IR有时也称为反向饱和电流有时也称为反向饱和电流IS。这是因为
32、当。这是因为当温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的电压范围内，电压范围内，IR几乎不随反偏电压的增加而变几乎不随反偏电压的增加而变大，见图。但温度升高会使少子增加，故大，见图。但温度升高会使少子增加，故IR会会随温度的上升而增长很快，这就是随温度的上升而增长很快，这就是PN结的温度结的温度特性。特性。由此可见，由此可见，PN结具有单向导电的特性及温结具有单向导电的特性及温度特性。度特性。School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六u半导体二极管
33、半导体二极管半导体二极管的电路符号与基本结构半导体二极管的电路符号与基本结构 半导体二极管内部就是一个半导体二极管内部就是一个PN结，将其封装并接出结，将其封装并接出两个引出端，从两个引出端，从 P 区引出的端称为阳极（正极），从区引出的端称为阳极（正极），从 N 区引出的端称为阴极（负极）。电路符号如图所示。区引出的端称为阴极（负极）。电路符号如图所示。阳极阳极阴极阴极D二极管电路符号二极管电路符号根据根据PN结的单向导电性，二极管结的单向导电性，二极管只有当阳极电位高于阴极电位时，只有当阳极电位高于阴极电位时，才能按箭头方向导通电流。才能按箭头方向导通电流。符号箭头指示方向为正，色点则表示
34、该端为正极。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。为了防止使用时极性接错，管壳上标有为了防止使用时极性接错，管壳上标有“”符号或色点，符号或色点，如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常工作，还会烧坏二极管及电路中其他元件。工作，还会烧坏二极管及电路中其他元件。5.1.2 5.1.2 半导体二极管半导体二极管 的基本结构的基本结构School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号(a)点 接 触 型；点 接 触 型；(b)面 接 触 型；
35、面 接 触 型；(C)符符号号:f=1/(2RC)School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性DiD+uDuD/ViD0正向导通正向导通0.5锗锗 硅硅0.21.正向特性正向特性外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为为零。这一段称为“死区死区”。对应于二极管开始导通时的外加。对应于二极管开始导通时的外加电压称为电压称为“死区电压死区电压”。锗管约为。锗管约为0.2V,硅管
36、约硅管约0.5V。School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026.0 qkTVTmV 26 正向：正向：TFVUFeII/S反向：反向：SIIF近似近似)1(/SFTFVUeIIPN结方程结方程School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六半导体二极管的伏安特性（续）半
37、导体二极管的伏安特性（续）2.反向特性反向特性外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流反向饱和电流或或漏电流漏电流。该电流受温度影响很大。该电流受温度影响很大。3.击穿特性击穿特性 外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。对应的对应的电压称为电压称为击穿电压击穿电压。uD/ViD0正向导
38、通正向导通反向截止反向截止击穿击穿0.5锗锗硅硅0.2反向饱和电流反向饱和电流School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六 反向击穿现象有两种类型：反向击穿现象有两种类型：(1)雪崩击穿。当反向电压太高时，载流子在阻挡雪崩击穿。当反向电压太高时，载流子在阻挡层中将受到强烈的电场加速作用，获得足够的能量去层中将受到强烈的电场加速作用，获得足够的能量去碰撞原子，产生新的电子碰撞原子，产生新的电子空穴对。被撞出的载流子获空穴对。被撞出的载流子获得能量后又可能再去碰撞别的原子，如此连锁反应造得能
39、量后又可能再去碰撞别的原子，如此连锁反应造成了载流子的剧增。这种击穿多发生在掺杂浓度不大成了载流子的剧增。这种击穿多发生在掺杂浓度不大的的PN结。雪崩击穿电压一般高于结。雪崩击穿电压一般高于6V。(2)齐纳击穿。当反向电压足够大时，阻挡层中的齐纳击穿。当反向电压足够大时，阻挡层中的强电场会将电子从共价键中强行拉出，产生电子强电场会将电子从共价键中强行拉出，产生电子空穴空穴对，使载流子剧增对，使载流子剧增(其效果与温度升高相仿其效果与温度升高相仿)。这种击穿。这种击穿多发生在掺杂浓度较高的多发生在掺杂浓度较高的PN结。齐纳击穿电压一般低结。齐纳击穿电压一般低于于6V。School of Math
40、ematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六PN结被击穿后，结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，结上的压降高，电流大，功率大。当功率大。当PN结上的功耗使结上的功耗使PN结发热，并超过它结发热，并超过它的耗散功率时，的耗散功率时，PN结将发生结将发生热击穿热击穿。这时。这时PN结的结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧结烧毁。毁。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆School of Mathematics&Compu
41、ter Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六二极管的电路模型二极管的电路模型在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性1.理想二极管的电路模型理想二极管的电路模型iDuDO导通电压导通电压UD与二极管材料有关：与二极管材料有关：硅管为硅管为0.60.7V，锗管为，锗管为0.20.3V。2.考虑导通电压的二极管模型：考虑导通电压的二极管模型：iDuDO_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子
42、 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六3.考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型 以动态电阻以动态电阻rD表示曲线的斜率，表示曲线的斜率，(rD的值随二极管工作点的值随二极管工作点Q变化而变化）变化而变化）iDuDOUDuDUD+uDiD_DDDurirDSchool of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六u理想二极管应用电路实例理想二极管应用电路实例限幅电路限幅电路+ui_+uO_RE输入电压为一正弦波。输入电压为一正弦波。电池电压：电池
43、电压：E=4V8sinViut08t4Ou0t截止截止截止截止导通导通导通导通 如果考虑二极管导通电压，则如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为此时输出电压应为4.7V。当输入电压小于电池电压时，二极管两端电压当输入电压小于电池电压时，二极管两端电压处于反向偏置，截止，没有电流流过，所以输处于反向偏置，截止，没有电流流过，所以输出电压跟随输入电压变化。出电压跟随输入电压变化。当输入电压大于电池电压时，二当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为通，二极管两端电压为0，所以输，所以输出电压与电池电压相同，为出电压与电池电压相同，为
44、4V。School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 解：解：当当ui+10V时：时：VD1正偏短路，正偏短路，VD2反偏开路，反偏开路，uo=+10V。当当ui-10V时：时：VD1反偏开路，反偏开路，VD2正偏短路，正偏短路，uo=-10V。当当-10VUI+10V时：时：VD1、VD2均反偏开路，均反偏开路，uo=ui。uo波形如图波形如图(b)所示。所示。例例 电路及输入电压电路及输入电压Ui的波形如图所示，画出输出的波形如图所示，画出输出电压电压uo的波形。的波形。School of Mathematics&Compu
45、ter Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 图 二极管双向限幅电路 (a)电路；(b)波形School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 补充：二极管与门和或门电路补充：二极管与门和或门电路 电路工作原理A、B为输入信号 （+3V或0V）Y 为输出信号 VCC+10V电路输入与输出电压的关系AB0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V一、二极管与门一、二极管与门School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 用逻辑1 1表示
46、高电平（此例为+3V+3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.7V0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABY000010100111 二极管与门的真值表A A、B B全1，Y Y才为1。可见实现了与逻辑School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 逻辑符号工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）逻辑表达式YA B二极管与门二极管与门（a a）电路）电路 （b b）逻辑符号）逻辑符号 （c c）工作波形）工作波形School of Mathematics
47、&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 电路2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号 二、二极管或门二、二极管或门School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑3.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+2.3V+2.3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0V0V）ABF000011101
48、111A A、B B有1，F F就1。二极管或门的真值表School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 二极管或门二极管或门（a a）电路）电路 （b b）逻辑符号）逻辑符号 （c c）工作波形）工作波形逻辑符号工作波形逻辑表达式FA+BSchool of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六u半导体二极管主要参数半导体二极管主要参数uDiD0URWMIRIOMUBR1.最大整流电流最大整流电流 IOM：二极管长时间安全工作所允许流过
49、的：二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由最大正向平均电流。由PN结结面积和散热条件决定，超结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。过此值工作可能导致过热而损坏。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM：为保证二极管不被反向击穿而规为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。School of Mathematics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 表表5.1 Si和和Ge二极管的二极管的UT、UD及及IS值值 School of Mathem
50、atics&Computer Science 电电 工工 电电 子子 技技 术术 2023年年1月月28日星期六日星期六uDiD0URWMIRIOMUBR3.反向电流反向电流 IR：二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。4.最高工作频率最高工作频率 fM：二极管维持单向导电性的最高工作频率。二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直接通由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。过结电容，破坏二
