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。

表第章教学内容与要求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，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。

N 型半导体，N 型半导体中 P 型半导体。

P 型半导体中的掺入杂质越多，多子浓度就越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 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 =ls(e UUT_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；I s 在数值上等于 反向饱和电流； 5=KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ~ 26mV 。

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 C j 由势垒电容C B 和扩散电容C D 组成。

C B 和C D 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 C D 起主要作用，当 PN 结反向偏置时，势垒电容 C B 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 U D 和流过二极管的电流 i D 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温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高 10C , PN 结的正向压降约减小(2~2.5) mV 。

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 10 oC 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 I F ；最高反向工作电压 U R ；反向电流I R ；最高工作频率f M 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：PN 结。

PN 结是(1)正向特性U 0的部分称为正向特性，如满足U U T ,则 I :- I S e U U T, 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 R U T ，则 I「I s ，反向电流(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lb 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 i R 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U on 时，二极管导通，二极管两端电压降为 U on ；当外加电压小于 U on 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U on 后其电流i D 与电压U D 成线性关系，直线斜率为1/8 ；当二极管外加正向电压小于U on 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山，其值与静态工作点有关，即r d = U T /1 DQ 。

6. 半导体二极管的应用(1) 限幅：禾U 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。

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 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， 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U Z ，稳定电流I Z ，最大耗散功率I zmax ，动态电阻r z 和稳定电压的温度系数a(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除外)；二是流过稳压管的电流要在最小稳定电流I zmin 和最大稳定电流2.其它特殊二极管发光二极管 光电二极管 变容二极管利用PN 结的反向击穿特性来实现稳U Z 后，流过管子的 管子两端的反向击穿P CM 和最大工作电流(利用正向特性稳压IZmax 之间。

通以电流时，能发出光来。

将光能转换成电能，它的反向电流与光照强度成正比。

结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。

自测题1.1判断下列说法是否正确，用“V”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D •变宽E .变窄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 .增大B .减小3. 在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于 A •温度 B .掺杂浓度4. P N 结中扩散电流方向是. A .从P 区到N 区5. 当PN 结未加外部电压时， A •大于 B ，而少子的浓度则受 C .掺杂工艺A ;漂移电流方向是_B B .从N 区到P 区扩散电流 C 飘移电流。

B .小于A_的影响很大。

D •晶体缺陷 C .等于 6.当PN 结外加正向电压时， 扩散电流 B 漂移电流，耗尽层 D 。

A .大于B .小于 扩散电流 A 漂移电流, 耗尽层 E_ ;当PN 结外加反向电压时,C .等于 9.稳压管的稳压区是其工作在 A .正向导通C_状态。

B .反向截止C .反向击穿2・A 、0.5」A 、 1.3有A 、B 、C 三个二极管，测得它们的反向电流分别是压时，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 U O ，设二极管的性能理想。

5・A ;在外加相同的正向电(a)(b ) (c)F .不变C .基本不变1.5在图T1.5所示电路中，已知输入电压u=5sinR (V),设二极管的导通电压U°n=0.7V。

分别画出它们的输岀电压波形和传输特性曲线U o=f( U i)o3k QVD tui U VD1 UVD2+VD 2 +U o(c)1.6有两个硅稳压管，VD zi、VD Z2的稳定电压分别为6V和5mA o求图T1.6各个电路的输出电压8V, 正向导通电压为0.7V,稳定电流是U O。

(a)2k Q+U O(b)+U O(d) (e)2k Q(f)图T1.6最大功耗P zM=150mW。

1.7 已知稳压管的稳定电压U z=6V，最小稳定电流l zmin=5mA ,试求图T1.7所示电路中限流电阻R的取值范围。

稳压管稳压电路如图T1.8所示，稳压管的稳定电压U z=8V，动态电阻r z可以忽略，U=20V。

试U O、I O、丨及l z的值。

当U i降低为15V时的U O、I O、1及|z的值。

1.8求：⑴I R R+U I =15V VD Z NM U OU I2k Q IVD z丕U O图T1.7图T1.8【解1.1］：1. X 2. V 3. X 4. V 5. V【解1.2］: 1.A、B 2.C、C 3.B、A 4.A、B 5.C 6.A、E、B、D 7.B、A8.B、A 9.C【解1.3］：二极管在外加相同的正向电压下电流越大，其正向电阻越小；反向电流越小，其单向导电性越好。

所以B管的性能最好。

［解1.4］：二极管电路，通过比较二极管两个电极的电位高低判断二极管工作在导通还是截止状态。

方法是先假设二极管断开，求出二极管阳极和阴极电位，电路中只有一个二极管：若阳极电位高于阴极电位（或二极管两端电压大于其导通电压U on）,二极管正偏导通，导通时压降为0 （对于理想二极管）或U on （对于恒压源模型的二极管）；若阳极电位低于阴极电位（或二极管两端电压小于其导通电压U on）,二极管反偏截止，流过二极管的电流为零。

如果电路中有两个二极管：若一个正偏，一个反偏，则正偏的导通，反偏的截止；若两个都反偏，贝U 都截止；若两个都正偏，正偏电压大的优先导通，进而再判断另一只二极管的工作状态。

图（a）二极管VD导通，U°=5V图（b）二极管VD导通，U°= -7V图？二极管VD截止，U°= -1V图（d）二极管VD1导通，VD2截止，U°=0V图（e）二极管VD1截止，VD2导通，U°= _9V图（f）二极管VD导通，U°=0V【解1.5］：在（a）图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压U VD =U。