半导体器件是构成电子电路的基本元件。本章从制造电子元件的半导体材料 入手，介绍常用半导体材料及其特性，PN 结的结构及其单向导电性。重点介绍二 极管的结构原理、伏安特性、主要参数、电路模型以及二极管几种常用的应用电 路及其分析方法。 电路是由电气元件和导线构成，电路种类很多，有一类叫电子电路，如收音 机、电视机、计算机等内部的电路。拆解这些电路，观察其电路板上的元件，可 以看到，电子电路通常包含一些大小和形状各异的半导体元件。PN 结是半导体元 件内部的一个基本结构，二极管是应用广泛的半导体元件之一。那么，什么是半 导体？PN 结是怎么形成的？二极管具有什么样的结构和特性？有何用途？
1.1
半导体基础知识
本节从本征半导体的共价键结构出发，介绍半导体中参与导电的两种载流子， 当本征半导体中掺入不同类型的杂质元素后可以形成 P 型和 N 型半导体，将 P 型 和 N 型半导体按照一定的加工工艺结合在一起就可以构成 PN 结，而 PN 结是构 成二极管、三极管等半导体电子器件的基础。 1.1.1 半导体材料及其特性 在电工材料中，电阻率范围在10 ～4 106 m的称为半导体（Semiconductor）， 其导电能力介于导体（如金属铝、铜和银等）和绝缘体（如陶瓷、玻璃、橡胶和 塑料等）之间。构成半导体器件的半导体材料主要有两大类：单晶体半导体和复 合晶体半导体。单晶体半导体有重复的晶体结构，如硅（Si）和锗（Ge）。而复合 晶体半导体是由不同原子结 构的两种或更多种半 导体材料构成 ，如砷化镓 （GaAs）、硫化镉（CdS）、氮化镓（GaN）和磷砷化镓（GaAsP）等。常用的半 导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。其中硅和锗是目前制作集成器件的主要材料，而砷化镓主要用于制作高频高速器件。 1．半导体的特殊性质 半导体在电子技术中获得了广泛的应用，是因为它的特殊结构以及由此带来 的许多特殊性质，例如： （1）热敏性。 某些半导体材料的导电能力随着温度的变化而明显变化，称为热敏性。半导 体的电阻率对温度十分敏感，具有负温度特性。以锗为例，当温度从 20℃升高到 30℃时，其电阻率几乎减小一半。利用热敏性可制成热敏电阻。 （2）光敏性。 某些半导体材料的导电能力随着光照的变化而显著变化，称为光敏性。例如 硫化镉，在暗处时其电阻值为几十兆欧姆；受光照后，其电阻值可以降低到几十 千欧姆，只有原来的 1‰。利用光敏性可制作光敏电阻和光电池。 （3）掺杂性。 掺杂性也称为杂敏性，是指半导体的导电能力因掺入特殊的杂质而发生显著 的变化。在本征硅中，只要掺入亿分之一的三价元素硼，其电阻率将下降到原来 的几万分之一。利用掺杂特性可制作具有不同用途的半导体器件，如二极管、晶 体管和场效应晶体管等。 除了以上广泛应用的三个特性之外，半导体材料还有压敏、气敏、湿敏、磁 敏、射线敏等特性，利用这些特性，可以制作敏感电阻或传感器等。 2．本征半导体的共价键结构 本征半导体（Intrinsic Semiconductor）是一种纯净的、具有完整晶体结构的 半导体，是制作半导体器件的基础材料。半导体通常为四价元素（如硅或锗），其 原子结构的最外层有 4 个价电子。如图 1-1 所示，中心标有+4 的圆圈代表原子核 及内层电子，周围的 4 个圆点代表最外层的 4 个价电子。每个原子都与周围的 4 个原子通过共价键（Covalent Bond）形式紧密地连接在一起，并在空间排列成规 则的晶格（Crystal Lattice）。由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度 T=0K （相当于-273℃）时，价电子（Valence Electron）的能量不足以挣脱共价键的束 缚，因此晶体中没有自由电子（Free Electron），此时硅半导体近似为绝缘体。硅 和锗晶体的共价键结构如图 1-1 所示。 3．本征激发与复合 在常温下，极少数的价电子由于热运动获得足够的能量，从而挣脱共价键 的束缚成为自由电子，这个过程称为本征激发（Intrinsic Excitation）或热激发， 如图 1-2 所示。当某个价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子时，就会在原来的 共价键中留下一个空位，这种空位称为空穴（Hole）。原子失去一个价电子后带
正电，因此可以认为空穴带正电。由于空穴的存在，自由电子有可能进来填补 空穴，使得自由电子和空穴成对消失，这个过程称为复合（Recombination）。显 然，在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，通常认为本征激发将产生 电子－空穴对。 图 1-1 硅和锗晶体的共价键结构 图 1-2 本征半导体中的电子－空穴对 在本征半导体两端外加一个电场时，则自由电子将逆着电场方向定向移动形 成电子电流；另一方面由于空穴的存在，价电子也可能逆电场方向依次填补空穴， 就好像空穴顺着电场方向移动，从而形成了空穴电流。可以认为，导体中只有自 由电子参与导电，而半导体中自由电子和空穴都参与导电，有两种承载电荷的粒 子，即两种载流子（Carrier），这是半导体导电的特殊之处。 4．温度对半导体和导体的不同影响 半导体与导体有一个重要的区别就是两者受热后的反应不同。对于导体，其 电阻会随着温度升高而增大，这是因为导体中的载流子数量不会随着温度的升高 而发生明显的变化，并且导体相对位置的振动模式使得通过导体的载流子流动更 加困难。如果某种材料的电阻随着温度升高而增大，通常认为这种热效应材料具 有“正温度系数”。 而半导体在受热后具有良好的导电性能，因为当温度升高时，更多的价电子 吸收到足够的热能来挣脱共价键，从而增加了载流子数量。因此，半导体材料具 有“负温度系数”。 温度对本征半导体中载流子浓度的影响很大。在一定温度下，热激发和复合 过程将不断地进行下去并达到动态平衡，使电子－空穴对的浓度一定。本征半导 体中载流子的浓度是环境温度的函数，而且随着环境温度的升高近似按指数规律
增加。因此，半导体的导电性能对温度很敏感，这一特性可以用来制作热敏器件， 但这也是造成半导体器件温度稳定性差的原因。 1.1.2 杂质半导体 【问题引导】杂质半导体有几种类型？各是如何形成的？ 在 本 征 半 导 体 中 掺 入 微 量 的 其 他 元 素 ， 就 构 成 了 掺 杂 半 导 体 （ Doped Semiconductor）或杂质半导体。当掺入微量的五价元素时可以形成 N 型半导体； 而掺入微量的三价元素时可以形成 P 型半导体，它们是制作电子元器件的基础 材料。 由于硅是最常用的电子元件制作材料，而其他半导体材料具有类似的共价键 结构，下面以硅半导体材料为例进行的讨论，其结论很容易延伸到其他材料制成 的半导体。 1．N 型半导体
N 型 半 导 体 （ N-type Semiconductor ） 也 称 为 电 子 型 半 导 体 （ Electronic Semiconductor）。若在四价的半导体硅晶体中，掺入微量的五价元素（如磷、砷或 锑），可使晶体中的自由电子的浓度大大增加，如图 1-3 所示。由于杂质原子最外 层有 5 个价电子，当它们取代晶格中硅原子的位置而与周围的硅原子形成共价键 时，还会多出一个不受共价键束缚的电子，在常温下，由于热激发就可以使它们 成为自由电子。杂质原子处于晶格的位置上，由于释放了一个电子而成为不能移 动的正离子（也称为空间电荷）。自由电子带有一个单位的负电荷，所以电子型半 导体也称为 N（Negative）型半导体。 在 N 型半导体中，电子来自两个方面：一部分由本征激发产生（数量极少）； 另一部分与杂质正离子同时产生（数量取决于杂质浓度，且与正离子数量相等）。 所以在 N 型半导体中，自由电子的数量等于正离子数加空穴数，自由电子成为多 数载流子，简称多子（Majority Carriers）；而空穴成为少数载流子，简称少子 （Minority Carriers）。杂质原子可以提供电子，故称为施主杂质（Donor Impurity）。
2．P 型半导体
P 型半导体（P-type Semiconductor）也称为空穴型半导体（Hole Semiconductor）。 若在四价的半导体硅晶体中，掺入微量的三价元素（如硼、镓或铟），可使晶体中 空穴的浓度大大增加，如图 1-4 所示。由于杂质原子最外层有 3 个价电子，它们会 取代晶格中硅原子的位置而与周围的硅原子形成共价键结构，杂质原子因为缺少一 个价电子而同时产生一个空位（即空穴）。在常温下，当共价键中硅原子的价电子 由于热运动而填补此空位时，杂质原子因为获得了一个电子而成为负离子，同时硅 原子的共价键因为缺少一个价电子而产生了一个空穴。杂质负离子处于晶格的位置
上不能自由移动而成为空间电荷。可以认为空穴是带有一个单位的正电荷，所以空 穴型半导体也称为 P（Positive）型半导体。 图 1-3 N 型半导体结构示意图 图 1-4 P 型半导体结构示意图 在 P 型半导体中，空穴来自两个方面：一部分由本征激发产生（数量极少）； 另一部分与杂质负离子同时产生（数量取决于杂质浓度，且与负离子数量相等）。 所以，在 P 型半导体中，空穴的数量等于负离子数加自由电子数，空穴成为多子， 而自由电子成为少子。杂质原子因为其中的空位吸收电子，而称为受主杂质 （Acceptor Impurity）。 3．杂质半导体中的载流子浓度 掺入杂质对半导体的导电性能有很大的影响，以硅半导体为例，一些典型数 据如下： 本征硅原子浓度约为4.96 10 22/ cm3。 杂质半导体中载流子的浓度约为5 10 / cm 16 3。 常温（T=300K）下，本征硅中载流子的浓度为 10 3 1.5 10 / cm 。 可见，本征硅原子浓度、掺杂后载流子浓度、本征硅中载流子的浓度，三者 依次成百万倍的关系。 由于掺入杂质，杂质半导体中多子与少子复合的机会也增多，使多子的数量 大大高于少子。可以认为，多子的浓度近似等于杂质离子的浓度。而少子的浓度 又近似为多子浓度的百万分之一。 1.1.3 PN 结 将 P 型半导体与 N 型半导体按一定的加工工艺结合在一起，可以形成 PN 结。 PN 结具有单向导电性，是众多半导体元器件的基本组成部分。
1．PN 结的形成 如果将一块半导体的一侧掺杂成为 P 型半导体，而另一侧掺杂成为 N 型半导 体，在交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，N 区中的多子（自由 电子）要向 P 区扩散，同时 P 区中的多子（空穴）也要向 N 区扩散，并且当电子 和空穴相遇时，将发生复合而消失，如图 1-5（a）所示。于是，在交界面两侧将 分别形成不能移动的正、负离子区，称为空间电荷区。由于空间电荷区内的载流 子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以也称其为耗尽层。 空间电荷区（亦称为势垒区）一侧带正电另一侧带负电，形成了内电场 Ein， 其方向由 N 区指向 P 区。在内电场 Ein的作用下，P 区和 N 区中的少子会向对方 漂移；同时，内电场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动（Diffusion Motion）的 多子数量与漂移运动（Drift Motion）的少子数量相等，两种运动达到动态平衡时， 空间电荷区的宽度一定，PN 结就形成了，如图 1-5（b）所示。在 PN 结两端不加 偏置电压时，在单一方向上电荷的净流量为零。 图 1-5 PN 结的形成 一般，空间电荷区的宽度很薄，约为几微米至几十微米；由于空间电荷区内 几乎没有载流子，其电阻率很高。 2．PN 结的单向导电性 【问题引导】PN 结的单向导电性是如何体现的？ 在 PN 结的两端分别引出电极，P 区的一端称为阳极，N 区的一端称为阴极。 在 PN 结的两端外加不同极性的电压时，PN 结将表现出截然不同的导电性能，即 PN 结具有单方向的导电性，简称单向导电性（Unilateral Conductivity）。其基本原 理如下： （1）外加正向电压时 PN 结处于导通状态。 当外加电压使 PN 结的阳极电位高于阴极时，称 PN 结外加正向电压或 PN 结 正向偏置（Forward Bias），简称正偏，如图 1-6 所示。此时，外加电场 Eout与内
电场驱使 P 区的多子（空穴）进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，也使 N 区 的多子（电子）进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，其结果是使空间电荷区 变窄，PN 结呈现低电阻。同时由于扩散运动占主导，形成较大的正向电流（小功 率器件一般为 mA 级），此时 PN 结导通，其阳极和阴极之间的电位差只有零点几 伏，且呈现低电阻（一般为几百欧姆）状态。PN 结导通时，将其理想化后可以相 当于开关的闭合状态。 图 1-6 PN 结加正向偏置导通时的情况 在实际应用中，应该在 PN 结所在回路串联一个限流电阻 R，以防止 PN 结因 过流而损坏。 （2）外加反向电压时 PN 结处于截止状态。 当外加电压使 PN 结的阳极电位低于阴极时，称 PN 结外加反向电压或 PN 结 反向偏置（Reverse Bias），简称反偏，如图 1-7 所示。此时，外加电场 Eout与内电
场 Ein的方向一致，并与内电场一起阻止扩散运动而促进漂移运动。其结果是使空 间电荷区变宽，PN 结呈现高电阻（一般为几千欧姆至几百千欧姆）。同时由于少 子漂移运动占主导，而少子由本征激发产生数量极少，因而由少子形成的反向电 流很小（一般为 μA 级），近似分析时可忽略不计。此时 PN 结截止，将其理想化 后可以相当于开关的断开状态。 图 1-7 PN 结加反向偏置截止时的情况 在一定温度下，当外加反向电压超过某个值（大约零点几伏）后，反向电流 将不再随外加反向电压的增加而增大，所以又称其为反向饱和电流 Is。这是由于
当 PN 结两端外加反向电压时，PN 结内电场进一步增强，使扩散更难进行，这时 只有少子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流 IR，因而反向电流很 小。且当反向电压小于 UBR时 IR几乎不随反向电压的增大而增大。
半导体基础知识小结： *半导体之所以在电子技术中得到了广泛应用，主要是它的光敏性、热敏性 及掺杂性等，尤其是掺杂性。 *半导体与金属导电机理不同，在半导体中自由电子和空穴都参与导电。 *在本征半导体中掺入微量的五价元素，形成 N 型半导体，其多子是电子， 少子是空穴；在本征半导体中掺入微量的三价元素，形成 P 型半导体，其多子 是空穴，少子是电子。由于少子是本征激发产生的，尽管数量极少，却对温度 非常敏感，所以它对半导体器件的温度特性影响很大。 *将 P 型半导体与 N 型半导体按照一定的加工工艺结合在一起，会形成 PN 结，它是 P 型半导体与 N 型半导体的交界面处形成的一个空间电荷区，或称耗 尽区、势垒区。PN 结在外加极性相反的电压时表现出单向导电性。 *PN 结具有单向导电性：当外加电源使 P（+）、N（-）时，PN 结处于正向 偏置，空间电荷区变窄，有电流流过，PN 结导通；当外加电源使 P（-）、N（+） 时，PN 结处于反向偏置，空间电荷区变宽，没有电流或仅有很小的电流流过， PN 结截止。 *PN 结是构成各种半导体器件的基础。1.2
半导体二极管
半导体二极管（简称二极管）是非线性器件，最主要的特性是单向导电性。 下面介绍二极管的结构类型、伏安特性、主要参数、电容效应、温度特性以及进 行电路分析时常用的电路模型。 1.2.1 二极管的结构与类型 二极管是由 1 个 PN 结外加欧姆接触电极、引线和管壳封装后制成的，其种 类繁多、外形各异。按照制造二极管的材料，有硅二极管、锗二极管和砷化镓二 极管等；按工作频率，有高频二极管和中低频二极管；按工作功率，有大、中、 小功率二极管；按功能和应用分类就更多了，例如普通二极管（开关二极管和整 流二极管）、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管和阻尼二极管等。按内部结构大致可以分为三种，如图 1-8 所示。 图 1-8 二极管的结构及符号 （1）点接型：由一根金属丝与半导体表面接触，在熔接点上形成 PN 结，接 出引线并封装在管壳内而构成。其优点是 PN 结的结面积小，结电容小，工作频 率可达 200MHz 以上。常用于高频检波、小电流整流和小功率开关电路。 （2）面接型：用合金法或扩散法制成。PN 结的结面积较大，结电容也较大， 工作频率低，能通过较大的正向电流，承受较高的反向电压。常用于低频整流和 低速开关电路。 （3）平面型：平面型二极管又有两种类型，结面积较小的管子，等效电容小， 适用于做脉冲数字电路中的开关管；结面积大的管子，可通过较大电流，适用于 大功率整流，常用于高频、高速开关电路。 1.2.2 二极管的伏安特性 二极管具有非线性电阻的伏安特性，与 PN 结有相同的电流方程。在二极管 的伏安特性上最常用的有两个工作区：导通区和截止区，分别相当于开关的闭合 与断开状态。 1．二极管结电流方程 在规定的参考方向下，流过二极管的电流 iD与端电压 uD之间的关系可表 示为： D/ T D S(e 1) u U i I （1-1）
式中：iD为流过 PN 结的电流；IS为反向饱和电流；uD为外加电压；UT为温度电
压当量，UTkT q/ ，其中 k 为波耳兹曼常数，T 为绝对温度，q 为电子的电量， 在常温 T = 300K 时，UT = 26mV。
图 1-9 中所描述的是二极管的伏安特性示意图。二极管与 PN 结伏安特性 的主要区别在于，由于引线和外壳封装的影响，二极管的正向伏安特性与构成 它的 PN 结相比会右移，而反向饱和特性会略微下移。在工程估算时一般不加 以区分。 图 1-9 硅二极管伏安特性曲线 二极管的伏安特性可以分为正向特性和反向特性。正向特性又可以分为死区 和导通区；反向特性可以分为截止区和击穿区。 （1）正向死区：0uDUth（死区电压）的区域，此时i 。 D 0 （2）正向导通区：uDUth而二极管又没有因过流而损坏的区域。 当uDUT时， D/ T D Se u U i I ，即二极管的正向电压与流过电流之间近似成指 数关系。并且当二极管导通电流较大，即二极管处于良好导通状态时，其导通压 降U 变化不大，这种现象称为二极管的钳位作用。 D 硅管的导通电压UD(on)一般在 0.6～0.8V，而锗管一般在 0.2～0.4V。工程估算 时，一般硅管的导通电压取 0.7V，而锗管的导通电压取 0.3V。 （3）反向截止区：二极管反偏且uD UBR的区域。当uD UT时，PN 结 的反向电流 iR可以近似认为等于其反向饱和电流 IS。 （4）反向击穿区：当二极管的反向电压增大到一定值 UBR时，反向电流急剧 增大，这种现象称为“反向击穿”，UBR称为反向击穿电压。由反向电压增大引起 的击穿称为电击穿（Electric Breakdown）。PN 结产生电击穿时反向电流很大，但 是不超过 PN 结允许功耗，所以去掉外加反向电压后，PN 结特性仍可恢复。如果 因为击穿电流过大而造成 PN 结被破坏，则称为热击穿（Thermal Runaway）。
根据造成电击穿的不同机理，可以分为雪崩击穿（Avalanche Breakdown）和 齐纳击穿（Zener Breakdown）两种。 雪崩击穿：当 PN 结两端反向电压足够大时，内电场也随之增强，电子和空 穴通过空间电荷区时，在内电场的作用下获得的能量也显著增加，运动速度大大 加快。这些载流子在运动过程中，会与半导体的晶体原子发生碰撞，将一部分动 能转移给共价键中的价电子，使价电子脱离共价键的束缚变成自由电子，从而产 生了电子－空穴对。新产生的电子－空穴对又会被内电场加速去撞击其他原子， 再产生新的电子－空穴对，这就是载流子的倍增效应。这种现象与高原雪山发生 的雪崩类似，因此称为雪崩击穿。 齐纳击穿：在一些杂质浓度较高的 PN 结中，空间电荷区中的正负离子浓度 大，电荷区很薄。这样，只要加不大的反向电压，就可以使内电场达到足够的强 度，从而将价电子从共价键中直接拉出来产生电子－空穴对，形成较大的反向电 流。基于这种现象产生的反向击穿称为齐纳击穿。 对于硅 PN 结来说，反向电压 7V 以上的击穿一般是雪崩击穿；4V 以下的反 向击穿一般是齐纳击穿；在 4～7V 之间时，两种击穿可能同时存在。发生雪崩击 穿时，PN 结的电压温度系数为正（即温度升高时，击穿电压也升高）；发生齐纳 击穿时，PN 结的电压温度系数为负（即温度升高时，击穿电压降低）。两种击穿 同时存在时，电压温度系数趋近于零。 2．不同类型和材料的二极管伏安特性比较 不同类型（如点接型和面接型）的二极管伏安特性比较如图 1-10（a）、（b） 所示，不同材料二极管（硅和锗）的伏安特性比较如图 1-10（c）所示。 图 1-10 不同类型和材料的二极管伏安特性比较
图 1-10 不同类型和材料的二极管伏安特性比较（续图） 3．温度对二极管伏安特性的影响 随着温度的升高，PN 结的反向饱和电流 IS增大，而接触电位差减小，即 PN 结正向压降减小，故以 PN 结为基础的半导体器件的特性和参数都随温度变化而 漂移。 当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂的浓 度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时 PN 结就不存在了。因此，为了 保证 PN 结正常工作，其最高工作温度有一个限制，对硅材料一般在 150～200℃； 对锗材料一般在 75～100℃；砷化镓二极管可以工作在–200～+200℃甚至更高。 图 1-11 所示为硅二极管特性随温度变化而变化的情况。 利用 PN 结的温度特性可以制作温度补偿器件和传感器件。 锗管对光和热敏感，并且反向饱和电流较大，一般在高速射频以及光检测器、 安全系统等场合应用。 硅管的成本低、温度特性和击穿特性好，是所有电子设备中使用最广泛的半 导体器件。 砷化镓具有反向饱和电流低、响应速度快、温度特性良好及击穿电压高等特
性，目前在光电领域得到了广泛的应用。随着制造成本的降低，在超大规模集成 电路领域将会有更为广阔的前景。 图 1-11 硅二极管特性随温度变化而变化的情况 1.2.3 二极管的势垒电容和扩散电容 在由 PN 结构成的二极管中，其内部电荷量随外加电压的变化而呈现非线性 电容的特性。根据 PN 结电容产生的机理，需要考虑两种电容效应。 （1）势垒电容 Cb。 势垒电容是由耗尽层内的空间离子电荷随外加电压变化引起的电容，用 Cb 表示。当外加反向电压时，Cb的变化明显，一般随反向电压的增加而减小，其值 通常在 0.5～100pF 范围内。势垒电容的大小与 PN 结的结构、制作工艺和掺杂浓 度有关。 （2）扩散电容 Cd。 扩散电容是在 PN 结加正向电压时，多子在扩散的过程中引起电荷积累而产 生的，用 Cd表示。P 区的多子（空穴）进入 N 区后，在 PN 结边界处浓度较大， 然后依指数规律扩散；同样，N 区的多子（电子）进入 P 区后，在 PN 边界处的
浓度也较高。正向电压增大时，扩散的电子和空穴的浓度梯度增加，反之减小。 这种电容效应称为 PN 结的扩散电容（Diffusion Capacitance）。 当 PN 结处于正偏时，扩散电容的影响占主导。而反偏时，势垒电容占主导。 硅二极管的容压特性曲线以及考虑电容效应时的二极管如图 1-12 所示。 图 1-12 硅二极管的容压特性曲线以及考虑电容效应时的二极管 在低频和结电容较小时，可以忽略结电容的影响，只考虑二极管的单向导电 性。而在高频时，结电容的阻抗很小，可能使二极管失去单向导电性。 需要说明的是，事情总是有两面性，利用 PN 结电容随反偏电压变化的特性 可以制成变容二极管。 1.2.4 二极管的主要参数 为了准确选用及判断二极管的性能，就需要对二极管的参数有所了解。二极 管的参数可以分为直流参数和交流参数两大类。 1．直流参数 （1）最大整流电流 IF。 IF是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与 PN 结的面 积、材料及散热条件有关。实际应用时平均工作电流应小于 IF，否则可能导致结 温过高而烧毁 PN 结。 （2）反向击穿电压 UBR。 URM是指二极管反向工作时，所允许施加的最高反向电压。实际工作中，当 反向电压增加到 UBR时，二极管可能被击穿损坏。为了留有余地，URM通常取 (1/2～1/3)UBR。 （3）反向电流 IR。 IR为二极管未击穿时的反向工作电流。IR越小，二极管的单向导电性越好。 实际应用时可以认为 IR与反向偏压无关而近似等于 IS（反向饱和电流）。但是 IR
与温度密切相关，使用时应注意 IR的温度条件。 （4）直流电阻 RD。 直流电阻 RD也称为静态电阻，其定义为二极管两端的直流电压 UD与流过二 极管的直流电流 ID之比，可以用式（1-2）计算。 D D D Q U R I （1-2） 就二极管的伏安关系而言，RD是一个非线性电阻，其大小与二极管工作点 Q 的位置有关。 以硅管为例，如图 1-13 所示，由式（1-2）可以计算出 A、B、C 三点处的直 流电阻：A 点 40Ω 为二极管正向导通电阻值，B 点 250Ω 为二极管死区拐点处的 电阻值，C 点 10MΩ 为二极管反向截止电阻。 图 1-13 二极管的直流电阻 使用不同的欧姆挡测量出来的二极管直流电阻不同。为了保证测量过程不损 坏二极管和万用表，一般用×100 或×1kΩ 挡测量二极管的正向和反向电阻。 一般地，二极管的正向直流电阻在几十至几千欧姆，反向直流电阻在几十千 至几百千欧姆。正、反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。 2．交流参数 （1）交流电阻r 。 d 交流电阻r 也称为动态电阻，其定义为二极管直流工作点（假设为 Q 点）附d 近电压的微变量与电流的微变量之比，即 D D T d D Q D Q D D d 26mV ( ) d mA U u U r I i I I （1-3）
交流电阻的大小与工作点处的直流电流 ID密切相关。如图 1-14 所示，由（1-3） 式可以计算出 A、B 两点的交流电阻值分别为 2Ω 和 27.5Ω，可见二极管的工作点 位置越高，其动态电阻越小。 （2）最高工作频率 fM。 二极管正常工作时，允许通过的交流信号的最高频率值，定义为 fM。实际应 用时不允许超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。fM的大小主要由二 极管的结电容来决定。 （3）反向恢复时间t 。 rr 当二极管从导通状态转换到截止状态时，需要存储电荷消散时间，即反向恢 复时间t ，如图 1-15 所示。理想情况下，我们希望二极管正偏时导通，而反偏时rr 立刻截止。但实际情况是，二极管在正偏时多子向对方扩散，使得 P 区和 N 区中 都聚集了大量的非平衡少子。此时如果将外加电压反偏，二极管电流将反向并在ts （存储时间）内保持较大的数值，以便非平衡少子在一定时间内消散然后迅速下 降到截止时的水平。二极管在高速开关应用中，t 是一个主要的性能指标，一般rr 在几纳秒至 1 微秒之间，也有一些仅为几百皮秒的高速器件。 图 1-14 二极管的交流电阻 图 1-15 反向恢复时间 1.2.5 二极管等效电路 二极管是非线性器件，在满足工程需要的前提下，应该在一定条件下采用尽 量简化的模型（Model）来分析电路的响应。下面介绍几种最常用的模型。
1．二极管工作在直流或低频大信号时的电路模型 （1）理想模型。 理想二极管模型（简称理想模型）是将二极管的单向导电性作理想化处理， 将二极管看成理想的压控开关，如图 1-16（a）所示。 ①正向偏置时，二极管导通且导通压降为 0，有较大的正向电流（取决于外 电路）。 ②反向偏置时，二极管截止，反向电流为零。 （2）恒压降模型。 在相当多的情况下，二极管本身的导通压降（也称为管压降）不能忽略。 这时可以采用理想二极管串联电压源的模型（简称恒压降模型），如图 1-16（b） 所示。 （a）理想特性和等效电路 （b）恒压降特性和等效电路 图 1-16 二极管常用大信号模型 ①当二极管两端的电压小于 UD(on)时，二极管完全截止，流经二极管的电流 为 0。 ②二极管导通时，其端电压为常量 UD(on)；理想二极管反映实际二极管的单向 导电性，电压源 UD(on)代表二极管的正向导通压降。工程估算值一般对于硅二极管 取 UD(on) = 0.7V；对于锗二极管取 UD(on) = 0.3V。 2．二极管低频小信号模型 二极管低频小信号工作电路如图 1-17 所示。直流电压源 E 和信号源 us同时作用 于电路，因而回路中除了有直流分量 UD和 ID外，还叠加有交流分量 ud和 id，总的响 应是 uD和 iD。在信号足够小的情况下，实 际工作点将在直流工作点附近微小的范围 图 1-17 二极管低频小信号工作电路
内变化，可以将二极管在直流工作点附近看成线性器件，从而在求解电路响应时 利用叠加原理，将直流响应和交流响应分开来计算，如图 1-18（a）、（b）所示。 图 1-18 二极管在直流工作点附近利用叠加原理示意图 图 1-18（a）所示的直流响应计算电路可以称为直流等效电路，其中二极管用 理想模型替换了。由此可求得二极管的直流电流： D 15V 5 mA 9k 3 E I R （1-4） 图 1-18（b）所示的交流响应计算电路可以称为交流等效电路，其中二极管 用交流电阻r 替换了。在小信号范围内，将二极管这个非线性元件作线性化处理。d 仅考虑信号作用时，可以将二极管看成一个动态电阻r ，这就是二极管的低频小d 信号模型，如图 1-19 所示。 图 1-19 二极管的低频交流小信号模型 根据交流电阻计算公式求得： T d D 26mV 15.6 5 / 3mA U r I （1-5） 再根据图 1-18（b）即可求得信号响应电流的有效值为： s d d 10mV 1μA (9000 15.6) U I R r （1-6）
1.3
稳压二极管
稳压管也称为齐纳二极管（Zener Diode），正常工作在反向击穿状态以获得稳 定电压，是用特殊工艺制作的硅二极管。 1.3.1 稳压二极管的工作原理 稳压管的伏安特性、符号以及等效电路如图 1-20 所示。当稳压管反向击穿时， 电流变化范围很大（IZK～IZM），而电压变化很小，即获得了稳定的输出电压 UZ （也称为额定齐纳电压）。控制半导体的掺杂浓度，可制造出不同稳定电压 UZ的 稳压管。由于具有良好的温度特性和电流负载能力，硅是制作稳压管的最好材料。 图 1-20 稳压管的伏安特性、符号以及不同区域的等效电路 稳压管的动态电阻r 在不同的工作区域其阻值相差很大： Z ①稳压管正偏导通时，r 很小，可以忽略。 Z ②稳压管反偏截止时，r 很大，可以认为Z r 。 Z ③稳压管反向击穿时，r 很小，约为几欧至几十欧姆。 Z1.3.2 稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压 UZ。 当稳压管中的电流在规定范围（IZK～IZM）时，稳压管两端的电压值称为稳定 电压 UZ。目前，稳压管的稳定电压一般为 1.8～200V，额定功率一般为 1/4～50W。 （2）稳定电流 IZ。 一般指稳压管具有稳压作用时所对应的最小电流。稳压管正常工作电流要求 在（IZK～IZM）范围内，电流小于 IZK时没有稳压作用，而大于 IZM则可能因热击 穿而烧坏。 （3）动态电阻 rZ。 指稳压管两端电压变化量 ΔUZ与对应的电流变化量 ΔIZ之比。在不超过额定 功耗的情况下，反向击穿电流越大、动态电阻越小，则稳压性能越好。 （4）电压温度系数 。 表示温度每升高 1℃时稳定电压值的变化量，即 Z/ U T （1-7） 稳压管的温度系数与 UZ有关： ①UZ > 7V 的稳压管具有正温度系数。 ②UZ < 4V 的稳压管具有负温度系数。 ③4V < UZ < 7V 的稳压管温度系数最小。UZ≈6V 时的稳压管温度稳定性好。 在温度稳定性要求较高的场合，应选用有温度补偿作用的双稳压管（如 2DW7 型），如图 1-21 所示。它由两个相同的稳压管反向串联组成，其中一个击穿稳压 时，另一个正向工作（相当于普通二极管）作温度补偿，使 α 最小。 图 1-21 双稳压管 2DW7 （5）最大耗散功率 PZM和最大工作电流 IZM。 PZM（也称为额定功耗）和 IZM是稳压管允许温升所决定的极限参数，与散热 条件有关。两者有如下关系： PZM =UZ IZM （1-8） 对于给定的稳压管，可以根据其 PZM和 UZ 值，按式（1-8）计算最大工作电 流 IZM。
半导体二极管小结： *半导体二极管实质就是一个 PN 结，所以二极管的主要应用就是利用它的 单向导电性。普通二极管有两种稳定工作状态：正向导通时钳位、反向截止时 饱和，禁止工作在反向击穿区。 *二极管伏安特性呈非线性，二极管电路的分析主要采用模型分析法。在满 足工程需要的前提下，可以采用简化的模型来分析电路的响应。二极管在直流 或低频大信号情况下工作在开关状态，一般采用理想模型或恒压降模型，后者 比前者要更接近实际的二极管特性，计算精度更高。但是在满足精度要求的前 提下，应该优先选用理想模型。 *二极管低频小信号模型是在一定条件下将非线性器件进行线性化处理的 典型范例，利用叠加原理将交直流混合工作的电路等效为一个直流通路和一个 交流通路分别工作的情况。在直流通路中，二极管可以用理想模型或恒压降模 型替换；在交流通路中二极管用动态电阻r 替换。 d *稳压管是一种特殊的硅二极管，通常工作在反向击穿区。它的正向特性与 普通二极管相近；利用它在反向击穿状态下的恒压特性，可以在一定的电流范 围内获得稳定的电压。稳压管配合限流电阻可以构成简单的稳压电路。 *由于半导体器件的参数具有分散性，同一型号的二极管其参数值也可能相 差很大，厂家产品手册中所给出的参数只能作为参考。但是具体到某一只二极 管，其参数是确定的。1.4
二极管典型应用电路
利用二极管、稳压管工作在其伏安特性曲线中的不同区段，可以构成各种不 同的应用电路。例如：它可在函数发生器、波形整形和逻辑门电路中作为整流、 检波、钳位、限幅和稳压元件等。 含二极管电路在大信号情况下的基本分析步骤如下： （1）首先根据外电路情况选用二极管等效模型：当外电路的电压远大于二极 管的管压降时，应选用理想模型；否则用恒压降模型。 （2）断开二极管所在支路，分别判断阳极和阴极电位。 ①采用理想模型时：阳极电位高于阴极则导通，导通后二极管的管压降为 0， 电流由外电路决定；截止时，流过二极管的电流为 0，端电压由外电路决定。 ②采用恒压降模型时：阳极电位比阴极高 0.7V（硅管）/0.3V（锗管）则导通，导通后二极管的管压降为 0.7V（硅管）/0.3V（锗管），电流由外电路决定。截止 时，流过二极管的电流为 0，端电压由外电路决定。 下面就二极管的五种典型应用进行举例。 1．二极管的整流与检波 整流是将极性周期性变化的交流电变换成极性单一的直流电的过程。 检波是将调制在高频电磁波上的低频信号捡取下来，比如在收音机的检波电 路中，利用二极管单向导电性的同时，利用电容将高频信号旁路，从而将音频信 号从载波中提取出来。检波电路在形式上与整流电路很近似，原理也相近。 例 1-1 假定有一正弦信号作用于图 1-22（a）所示电路的输入端，试分析其 输出波形。 分析 在整流电路中，外电路的电压通常远远大于（工程上取 5～10 倍以上） 二极管的导通压降，可以将二极管看成理想器件，采用理想模型进行电路分析。 对于周期性变化的输入信号，通常按正半周和负半周分别进行分析。 解 ①在输入信号的正半周，二极管 VD 导通，其端电压为零，所以uoui； ②在输入信号的负半周，二极管 VD 截止，相当于开关断开，所以u ； o 0 由此可以画出电路的工作波形如图 1-22（b）所示。 图 1-22 二极管整流电路及工作波形 【问题拓展】图 1-22 所示为半波整流电路，仅半个周期有信号输出，电能的 利用效率很低。为了每半个周期均有信号输出，可以采用图 1-23（a）所示的全波 整流电路。让两个二极管在输入信号的正、负半周轮流导通，从而获得全波输出， 如图 1-23（b）所示。其工作原理请读者自行分析。 2．二极管限幅电路 限幅也称为削波，是指电路输出信号的幅度或波形受到规定电压（即限幅电 压）的限制。按电路的结构特点，限幅电路可以分为串联型和并联型两种类型。 例 1-2 串联型正向限幅电路如图 1-24（a）所示，已知输入信号如图 1-24（b） 所示。试画出传输特性uo f u( )i 及相应的输出波形u t 。 o( )
图 1-23 全波整流电路及工作波形 （a）限幅电路；（b）输入信号波形；（c）电压传输特性；（d）输出波形 图 1-24 正向限幅电路及其工作波形 分析 二极管 VD 在低频大信号情况下工作在开关状态，为了简化分析，假 定E 0.7V，采用理想二极管模型分析该电路。R 为限流电阻，是为防止因电流 过大烧坏二极管而设置的。E 为限幅电压，将电路的输出电压值限制在 E 以下。 解 讨论 ui≥E 和 ui < E 两种情况： （1）当输入信号 ui≥E 时，二极管 VD 正偏导通，忽略二极管导通压降，则 o u E。此时输出信号被限制在限幅电压 E 值上。 （2）当 ui < E 时，二极管 VD 反偏截止，将其所在支路看成断开，忽略电阻 R 上的压降，则输出电压 uo=ui。 总结该电路输出电压与输入信号电压之间的关系有：
i o i i E u E u u u E ，（ ≥ ） ，（ ） 由此可得该限幅电路的电压传输特性uo f u( )i 如图 1-24（c）所示，输出波 形u t 如图 1-24（d）所示。 o( ) 【问题拓展】对于不同极性和数值的限幅电压及采用不同接法的限幅二极管， 可组成多种不同的限幅电路，得到不同的限幅效果。若将 1-24（a）中的二极管极 性交换，电路就变成了负向限幅。 若将正向限幅电路与负向限幅电路并联起来，就构成了并联型双向限幅电路， 如图 1-25（a）所示；若将正向限幅电路与负向限幅电路级联起来，就可以构成串 联型双向限幅，如图 1-25（b）所示。这两种限幅电路的工作波形相同，如图 1-25 （c）所示。工作原理请读者自行分析。 图 1-25 双向限幅电路 3．二极管钳位电路 钳位电路由一个二极管 VD、一个电阻 R 和一个电容 C 就可以组成，其基本 原理是利用二极管正向导通电压近似为恒定值的特性，将电路的输出限制在一定 范围。 当一个平均值不为零（即直流电平不为零）的矩形脉冲系列通过钳位电路时， 若 RC 时间常数足够大，可以保证在二极管截止时电容基本不会放电，则输出电 压将重现输入电压的波形，但会出现直流电平的渐移现象。 例 1-3 如图 1-26（a）所示为二极管钳位电路，已知输入波形为矩形波，试 画出电路的输出波形。 分析 二极管钳位电路的构成对元件参数有特定的要求：①将二极管看成理
想器件；②二极管导通时，电容经过二极管充电，充电时间常数可以忽略；③二 极管截止时，电容经过电阻 R 放电时，放电时间常数足够大，以保证电容基本不 会放电。 图 1-26 二极管钳位电路及工作等效电路 钳位电路的分析可遵循如下步骤进行： ①首先分析当二极管正向导通时，输入信号对应的输出响应。 ②假设在二极管导通阶段电容充电时间常数可以忽略。 ③假设在二极管截止阶段电容放电时间常数为无穷大，即电容端电压可以 保持。 ④检查输出的总摆动值是否与输入信号一致，这是所有钳位电路的特征，可 以用来检验分析结果的正确性。 解 对于图 1-26（a），考虑输入信号正、负半周两种情况： （1）在输入信号正半周ui E，二极管导通，与之并联的电阻被旁路，u ，o 0 同时电容快速充电到 E 值。 （2）在输入信号负半周ui ，此时，二极管截止，电容没有放电回路，E 电容两端电压保持 E 不变，根据 KVL 可得uo 2E。输出电压波形如图 1-27 （b）所示。 图 1-27 二极管钳位电路工作波形 【问题拓展】钳位电路中的电容与输入和输出直接相连，而电阻和二极管均
与输出信号并联。若在二极管支路附加直流电源，则可以将输入电压偏移到另一 个不同的电压值上。附加偏移的二极管钳位电路及工作波形如图 1-28 所示。电路 的工作原理请读者自行分析。 图 1-28 附加偏移的二极管钳位电路及工作波形 4．二极管在逻辑电路中的应用 在逻辑门电路中，常用多个二极管共阳或共阴连接来实现与逻辑或者或逻辑。 例 1-4 二极管与门电路如图 1-29（a）所示，假定二极管的导通压降为U D 0.7V 。试在给定输入条件下，计算相应的输出值。 图 1-29 与门电路及输入输出关系 分析 共阳或共阴连接的多个二极管存在“优先”导通现象，即两端电位差 大的二极管会优先导通。 ①对于共阳接法的多个二极管，当分别考虑各二极管都具备导通条件时，阴 极电位最低的二极管会优先导通。 ②对于共阴接法的多个二极管，当分别考虑各二极管都具备导通条件时，阳 极电位最高的二极管会优先导通。 解 根据二极管基本分析方法，再结合共阳接法的优先导通条件，可以分两 种情况讨论：
（1）当VA VB时：VD1和 VD2分别考虑时均具备导通条件；两只二极管共 阳的同时阴极电位也相同，所以同时导通，则VY VAUD。 当V A 0V时，V Y 0.7V。 当V A 3V时，V Y 3.7V。 （2）当VA VB时：VD1和 VD2分别考虑时均具备导通条件；此时阴极电位 为 0V 的二极管会优先导通，所以VY UD0.7V。 电路的输入输出关系如图 1-29（b）所示，当两输入端均为高电平时，输出 才是高电平。显然，输入与输出之间构成了与逻辑关系。 【问题拓展】共阴接法的二极管可以构成或门电路。对于共阴接法的多个二 极管，当分别考虑各二极管都具备导通条件时，则阳极电位最高的二极管会优先 导通。 据此可以分析得出图 1-30（a）所示电路的输入输出关系，如图 1-30（b）所 示，当多输入端中有高电平输入时，输出即为高电平。显然，输入与输出之间构 成了或逻辑关系。 图 1-30 或门电路及输入输出关系 5．稳压管基本稳压电路 由稳压管构成的最简单的稳压电路如图 1-31 所示。由于稳压管与负载并联， 又称为并联型稳压电路。uI为输入直流电压； uO为向负载提供的稳定直流电压（其值应近 似等于 UZ）；R 为限流电阻，它有两个作用： 一是将流过稳压管的电流限制在IZK～IZM 范围，以确保稳压管有稳压作用而又不至于 损坏；二是当 uI或 RL发生变化时与稳压管一 起共同调整输出电压尽量保持不变。 以输入电压 uI变化为例，图 1-31 的稳压过程如下： 图 1-31 稳压管基本稳压电路
I O Z Z R u u U I U O u 【问题拓展】稳压管在电路中既可以起稳压作用输出稳定的直流电压，还可 以起限幅作用，请读者自行分析。 例 1-5 对于图 1-31 所示的电路，已知稳压管的稳定电压值为U ，输入波形Z 分别由图 1-32 中的u 给出，试分别画出两种输入情况下的输出波形i u 。 o 分析 由稳压管的反向特性可知，当输入电压ui UZ，稳压管始终处于反向 击穿状态，这时稳压管起稳压作用，可以获得稳定的输出电压 UZ；当u 只是部分i 大于 UZ时，则大于的部分被削波（或限幅），小于 UZ的部分跟随输入信号。 解 由上述分析可知，根据输入信号的最小幅值是大于还是小于 UZ，输出波 形有两种情况： （1）获得稳压输出，如图 1-32（a）所示。 （2）获得限幅输出，如图 1-32（b）所示。 图 1-32 基本稳压电路的工作波形
半导体二极管应用小结： *利用二极管的单向导电性，可以构成整流、检波、限幅及开关电路等应用 电路。 *利用稳压管在反向击穿区的稳压特性，可以获得稳定的直流电压。1.5
辅修内容
1.5.1 发光二极管半导体元件。发光二极管有多种类型，按照发出的光线可以分为：可见光、不可 见光、激光等；按照功能可以分为：普通发光二极管、高亮度发光二极管、超高 亮度发光二极管、闪烁压控发光二极管、变色发光二极管和负阻发光二极管等。 发光二极管的外形、符号和典型应用电路如图 1-33 所示。 （a）外形 （b）符号 （c）典型应用电路 图 1-33 发光二极管的外形、符号和典型应用电路 发光二极管与普通二极管一样由PN 结构成，结构类似，伏安特性也类似，同 样具有单向导电性。当给发光二极管加上正向偏置电压后，从 P 区注入到 N 区的 空穴和由 N 区注入到 P 区的电子复合而释放出能量，产生自发辐射的荧光。光线 的波长和颜色与发光二极管所采用的半导体材料的种类和掺入的杂质元素有关。 常用的是发红光、绿光、黄光和红外光的发光二极管。 发光二极管的工作电流一般为几至几十毫安，典型工作电流为 10mA，使用 时需要串联限流电阻将工作电流限制在规定范围内。正偏导通压降一般为 1.5～ 3V。反向击穿电压一般大于 5V，为了使发光二极管稳定可靠工作，一般使反压 小于 5V。 发光二极管具有体积小、功耗低、稳定可靠、寿命长、光输出响应速度快、 可直接与集成电路连接使用的特点，广泛应用于仪器仪表和家用电器的信号灯指 示、数字和字符显示。 随着技术的不断进步，二极管已经可以发出白光，并应用于照明领域。 1.5.2 光电二极管 光电二极管（Photo Diode）也称为光敏二极管，是将光信号变换成电信号的 半导体器件。其结构与普通二极管类似，管壳上有一个玻璃窗口用于接收外部的 光。光电二极管正常工作状态是反向偏置，主要特点是反向电流与光的照度成正 比，灵敏度的典型值为 0.1mA/lx 数量级。光电二极管的外形和电路符号如图 1-34 所示。 在反向电压作用下，无光照时，反向电流为很小的暗电流；当光照射到 PN
结上时，它的反向电流随光照度的增加而上升称为光电流，此时光电二极管处于 导通状态。 光电二极管作为光控元件时可用于物体的检测、光电控制和自动报警等方面。 如遥控接收器、光纤通讯、激光头、光电传感器等。当制成大面积的光电二极管 时，就称为光电池，此时它可以将光能转换为电能。 目前光电二极管广泛应用于光纤通讯和远距离信号传输领域。图 1-34（c）所 示为远距离光电传输系统工作示意图。 图 1-34 光电二极管及应用电路 1.5.3 变容二极管 变容二极管（Variable-Capacitance Diode）是根据 PN 结的结电容随反向偏置 电压变化的特性设计制造的一种特殊二极管。 PN 结具有电容效应。在加反向电压时，PN 结等效电阻很大，其等效电容与 所加反向偏压的大小有关。改变反向偏压，即可改变其等效电容的大小。变容二 极管的符号和容压特性曲线如图 1-35 所示。变容二极管的电容量很小，不同型号 管子的电容最大值不同，范围一般在 5～300pF。 图 1-35 变容二极管的符号及容压特性曲线 变容二极管在电路中主要作为压控可变电容使用，在自动控制和高频电路中
有广泛的应用。例如彩色电视机调谐电路中用变容二极管来遥控选台。 1.5.4 肖特基二极管
肖特基二极管（或肖特基势垒二极管 Schottky Barrier Diode，简称 SBD），是 以发明人肖特基（Schottky）博士的姓名命名的。SBD 是一种特殊工艺制作的硅 二极管。它不是利用 PN 结原理制作，而是利用金属与 N 型半导体接触时在交界 面处形成的势垒区制作的二极管。肖特基二极管的结构示意图和电路符号如图 1-36 所示。 图 1-36 肖特基二极管结构示意图和电路符号 SBD 的导通电压较低，约为 0.3V，而且存储效应小，反向恢复时间短，开关 速度快，是一种低功耗、超高速半导体器件。SBD 广泛应用于开关电源、变频器、 驱动电路等场合。可作为高频低压大电流的整流二极管、续流二极管和保护二极 管使用，或在微波通讯电路中作为整流二极管、小信号检波二极管使用。
特殊半导体二极管小结： * PN 结的温度特性可能影响其单向导电性，但是也可以加以利用制作温度 补偿器件和传感器件。 * PN 结的电容效应在高频工作时可能影响其单向导电性，但是也可以加以 利用制作变容二极管。 *PN 结可以由特殊工艺制成，可以拥有除了单向导电性之外的特殊性能， 比如开关速度更快、可以发光、可以进行光电转换等。本章小结
本章对二极管的结构原理、特性曲线、主要参数以及电路模型进行了介绍。 重点介绍了二极管的分析方法和典型应用电路。 1．本章要点 （1）半导体依靠自由电子和空穴这两种载流子参与导电。其导电方式也有两 种：一是在电场作用下形成的漂移电流，与电场强度成正比；二是非平衡载流子在浓度差作用下形成的扩散电流，与载流子的浓度梯度成正比。 （2）掺杂可以改变半导体的导电能力。在纯净半导体中掺入三价元素的杂质 可以形成 P 型半导体，空穴成为多数载流子；掺入五价元素的杂质可以形成 N 型 半导体，自由电子成为多数载流子。多子的浓度近似等于掺杂浓度。少子的浓度 随温度升高而显著增大，是半导体器件温度稳定性差的主要原因。 （3）PN 结具有单向导电性，是电子元件的主要构成单元。PN 结还具有电容 效应，在高频应用时，其结电容对于 PN 结单向导电性的影响不可忽视。 （4）二极管有三个工作区：正向导通区、反向截止区、反向击穿区。普通二 极管只能在正向导通和反向截止两个区工作。而稳压管可以在三个区工作，并且 正常工作在击穿区，以获得稳定的电压输出。 （5）进行二极管电路分析时，需要根据电路条件选用合适的二极管电路模型。 在直流或大信号情况下，可以根据精度要求选用理想模型或恒压降模型。而在二 极管已经良好导通的直流工作点附近，可以利用叠加原理，在直流通路中用大信 号模型分析直流响应；而在交流通路中，用低频小信号模型分析其交流响应。 （6）多个二极管共阴或者共阳连接时，存在优先导通现象。共阴连接时，阳 极电位高的二极管会优先导通；而共阳连接时，阴极电位低的二极管会优先导通。 （7）利用 PN 结的一些特殊性质可以制作特殊用途的二极管。 利用 PN 结的反向击穿特性可以制作稳压二极管；利用光电效应可以制作光 电二极管；利用电致发光效应可以制作发光二极管；利用二极管结电容随外加反 向电压而显著变化的特性，可以制作变容二极管。 （8）二极管有一些重要的参数，例如正向平均电流 IF、反向击穿电压 UBR、 反向饱和电流 IS、特征频率 fT等。这些参数是选用二极管的依据，可以参照本套 系列教材的《电路与电子技术实验教程》。 2．本章主要概念和术语 本征半导体、共价键、自由电子—空穴对、多数载流子、少数载流子、杂质 半导体、施主杂质、受主杂质、扩散电流、漂移电流、PN 结、导通、截止、死区、 钳位、正偏、反偏、单向导电性、结电容、理想二极管、恒压降模型、直流电阻、 交流电阻、正向平均电流、反向饱和电流、反向击穿电压、齐纳击穿、雪崩击穿、 稳压管、稳定电压、限幅、正/负温度系数。 3．本章基本要求 （1）理解 PN 结的单向导电性。 （2）理解二极管的伏安特性，主要参数。 （3）掌握二极管的三种电路模型及其使用条件。 （4）掌握二极管典型应用电路的分析方法。
习题一
1.1 判断下列说法的正、误，在括号内画“√”表示正确，画“×”表示错误。 （1）本征半导体是指没有掺杂的纯净晶体半导体。（ ） （2）本征半导体温度升高后两种载流子浓度仍然相等。（ ） （3）P 型半导体带正电（ ），N 型半导体带负电（ ）。 （4）空间电荷区内的漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。（ ） （5）当二极管外加正向电压增大时，其动态电阻增大。（ ） （6）只要在稳压管两端加反向电压就能起稳压作用。（ ） （7）分别用万用表的 Ω×10 挡和 Ω×1k 挡测量同一个二极管的正向电阻，读数一样大。 （ ） 1.2 选择合适答案填入括号内。 （1）在本征半导体中加入（ ）元素可形成 N 型半导体，加入（ ）元素可形成 P 型 半导体。 A．五价 B．四价 C．三价 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将（ ）。 A．增大 B．不变 C．减小（3）工作在放大区的某三极管，如果当 IB从 12μA 增大到 22μA 时，IC从 1mA 变为 2mA，
那么它的 β 约为（ ）。 A．83 B．91 C．100 1.3 在图 1-37 所示电路中，发光二极管导通电压 UD=1.5V，正向电流在 5～15mA 时才能 正常工作。试问： （1）开关 S 在什么位置时发光二极管才能发光？ （2）R 的取值范围是多少？ 图 1-37 习题 1.3 图
1.4 在图 1-38（a）所示电路中，设二极管的导通电压 UD均为 0.7V。A 点的电压波形 VA 见图 1-38（b）所示，试画出 B 点的电压波形 VB。 图 1-38 习题 1.4 图 1.5 图 1-39 所示各电路中，已知两串联稳压管的稳压值分别为 Z1 VD U =8V、 Z2 VD U =10V， 求 UO值。 图 1-39 习题 1.5 图 1.6 由理想二极管组成的幅度选择电路如图 1-40 所示，试确定各电路的输出电压Vo1、 o2 V 和Vo3。 图 1-40 习题 1.6 图 1.7 由理想二极管组成的电路如图 1-41 所示，若输入电压为u ti( )Asint(V)。试画出 稳定状态下输出电压的波形并写出数学表达式 uo(t)。
图 1-41 习题 1.7 图 1.8 二极管的折线近似伏安特性曲线如图 1-42（a）所示，构成的电路如图 1-42（b）所 示，输入电压是振幅为±15V 的方波，如图 1-42（c）所示。 （1）首先用戴维南定理简化除二极管以外的有源二端网络。 （2）画出输出电压波形 uo(t)和流过二极管的电流波形 iD(t)。 图 1-42 习题 1.8 图 1.9 已知二极管的导通电压 UD=0.7V。试分析图 1-43 中各电路的工作状态（导通或截止）， 并求电路的输出电压值。 图 1-43 习题 1.9 图 1.10 试求图 1-44 所示二极管中的电流 I1和 I2，设二极管是理想的，其他电路参数如图 所示。 图 1-44 习题 1.10 图
1.11 设图 1-45 所示电路中，已知二极管的导通电压 UD=0.7V，两个继电器激磁绕组 A 和 B 的内阻均为 430Ω。当激磁电流为 10mA 时，继电器动作，接通触点。试分别求能使两个 继电器动作的输入电压 VI的临界值。 1.12 画出图 1-46 所示电路的电压传输特性曲线。设图中的 VD1和 VD2均为理想二极管。 图 1-45 习题 1.11 图 图 1-46 习题 1.12 图 1.13 已知二极管 2CP1 的伏安特性曲线如图 1-47 所示，试求： （1）当ID0.4mA时二极管的直流电阻R 和交流电阻D r 。 d （2）若将一个电压为 1.5V、内阻为 0.1Ω 的电池正向接在二极管两端，会出现什么现象？ （3）若将一个电压为 300V 的电池反向接在该二极管两端，会出现什么情况？ 图 1-47 习题 1.13 图 1.14 电 路 如 图 1-48 所 示 ， 已 知 二 极 管 的 导 通 电 压 UD=0.7V ， 输 入 电 压 为 i 10sin100π (V) u t 的工频信号。试对应画出各图中u 和i u 的波形，并在图上标出幅值。o 图 1-48 习题 1.14 图 1.15 如 图 1-49 所 示 电 路 中 ， 已 知 二 极 管 的 导 通 电 压 UD=0.7V ， 输 入 电 压 i 50sin 20000π (mV) u t 。试计算输出电压u 中的直流电压值o U和交流有效值U~。
图 1-49 习题 1.15 图
1.16 电路如图 1-50（a）、（b）所示，稳压管的稳定电压 UZ =3V，R 的取值合适，ui的波
形如图（c）所示。试分别画出 uo1和 uo2的波形。
