第二章 半导体二极管及其基本电路

第二章 半导体二极管及其基本电路

半导体基本知识

PN结及其特性

半导体二极管特性及其应用

稳压二极管

§2.1 半导体基础知识

2.1.1 概念

根据物体导电能力 ( 电阻率 ) 的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等

2. 绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等

3. 半导体

半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为 10-3 ～ 109 cm 。典型的半导体有硅 Si 和锗 Ge 以及砷化镓 GaAs 等。

半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。

2.1.2 本征半导体

1. 本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999% ，常称为“九个 9” 。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。硅和锗都是 4 价元素，它们的外层电子都是 4 个。其简化原子结构模型如下图：

锗硅

电子 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 。

2. 本征半导体的共价键结构

本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：

硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图

共价键性质

共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度 T=0K （ -273 C ）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。

3. 电子与空穴

+4 +4

+4 +4

自由电子空穴 束缚电子

共价键

当导体处于热力学温度 0K 时，导体中没有自由电子。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，而参与导电，成为自由电子。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

电子与空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

电子与空穴的复合

可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

本征激发和复合的过程（动画）

空穴的移动

由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移—电流。

空穴在晶体中的移动（动画）

电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。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。

2.1.3 杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

(1) N型半导体

(2) P型半导体

1. N 型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N 型半导体 ,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 自由电子 在 N 型半导体中自由电子是多数载流子 , 它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。

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单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 N 型半导体的结构示意图如下图所示。

磷原子核自由电子

所以， N 型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子

2. P 型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了 P 型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。

P 型半导体结构

在 P 型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以 P 型半导体的结构示意图如图所示。

硼原子核

空穴

P 型半导体中：空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。

3. 杂质对半导体导电性的影响

掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下 :

T=300 K室温下 ,本征硅的电子和空穴浓度 : n = p =1.4×1010/cm3

1

2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3

本征硅的原子浓度 : 4.96×1022/cm3 3

以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3 。

本节中的有关概念

• 本征半导体、杂质半导体

• 自由电子、空穴

• N 型半导体、 P 型半导体

• 多数载流子、少数载流子

• 施主杂质、受主杂质

2.2 PN 结及其特性

PN结的形成

PN结的单向导电性

PN结的电容效应

1. PN 结的形成

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 ,分别形成 N 型半导体和 P 型半导体。此时将在 N 型半导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程 :

因浓度差 多子扩散 形成空间电荷区促使少子漂移

阻止多子扩散

扩散到对方的载流子在 P区和 N区的交界处附近被相互中和掉，使 P区一侧因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、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。由于 P区一侧带负电， N区一侧带正电，所以出现了方向由 N区指向 P区的内电场

PN 结的形成

当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽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

PN 结的形成

对于 P 型半导体和 N 型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在， PN结的电阻很大。

PN结的形成过程（动画）

PN 结的形成过程中的两种运动： 多数载流子扩散 少数载流子飘移

2. PN 结的单向导电性

PN 结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P区流到 N区， PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使 PN 结中： P区的电位高于 N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； P区的电位低于 N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。

(1) PN 结加正向电压时的导电情况

外加的正向电压有一部分降落在 PN 结区，方向与 PN 结内电场方向相反，削弱了内电场。于是 ,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响， PN 结呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况（动画）

内电场方向

iD/mA

1.0

0.5

– 0.5– 1.0 0.50 1.0 D/V

PN 结的伏安特性

• 低电阻• 大的正向扩散电流

(2) PN 结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压方向与 PN 结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时 PN 结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流， PN 结呈现高阻性。

PN结加反向电压时的导电情况（动画）

内电场方向

iD/mA

1.0

0.5

iD=– IS

– 0.5– 1.0 0.50 1.0 D/V

PN 结的伏安特性

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

• 高电阻• 很小的反向漂移电流

（ 3 ） PN 结的伏安特性

PN 结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论： PN 结具有单向导电性。

V

IF

FOA

B

C

3. PN 结方程

根据理论分析， PN 结两端的电压 V 与流过 PN 结的电流 I 之间的关系为：

)(eII TVV

S 1-=其中：IS 为 PN 结的反向饱和电流；VT 称为温度电压当量，在温度为 300K(27°C)

时， VT 约为 26mV；

所以上式常写为： )1-(= 26mV

V

S eII

PN 结方程

PN 结正偏时，如果 V> VT 几倍以上，上式可改写为：

即 I随 V按指数规律变化。

mV

V

SeII 26

PN 结反偏时，如果│ V │> VT 几倍以上，

上式可改写为： 其中负号表示为反向。

SII

4. PN 结的击穿特性

如图所示，当加在 PN 结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大， PN 结产生电击穿—这就是PN 结的击穿特性。

发生击穿时的反偏电压称为 PN 结的反向击穿电压 VB

R 。V

IFFO

VBR

PN 结被击穿后， PN 结上的压降高，电流大，功率大。当PN 结上的功耗使 PN 结发热，并超过它的耗散功率时， PN 结将发生热击穿。这时 PN 结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致 PN 结烧毁。

热击穿——不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿

电击穿——可逆

5 . PN 结的电容效应

PN 结除了具有单向导电性外，还有一定的电容效应。按产生电容的原因可分为：

势垒电容 CB ，

扩散电容 CD 。

(1) 势垒电容 CB

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使 PN 结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当 PN 结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下图。

势垒电容示意图

(2) 扩散电容 CD

扩散电容是由多子扩散后，在 PN 结的另一侧面积累而形成的。因 PN结正偏时，由 N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠 PN 结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。

扩散电容示意图反之，由 P区扩散到 N区的空穴，在 N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。

扩散电容 CD

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以 PN 结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

扩散电容示意图PN 结在反偏时主要考虑势垒电容。PN 结在正偏时主要考虑扩散电容。

§2.3 半导体二极管及其应用

半导体二极管的结构类

型 半导体二极管的伏安特性曲

线 半导体二极管的参

数 半导体二极管的温度特

性 半导体二极管的型

号 稳压二极

管半导体二极管及其分析方

法

2.3.1 半导体二极管的结构类型

在 PN 结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如下图所示。

(1) 点接触型二极管—

PN 结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

点接触型二极管的结构示意图

二极管的结构

平面型

(3) 平面型二极管—

往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

(2) 面接触型二极管— PN 结面积大，用于工频大电流整流电路。

面接触型

2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线

半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安 特性曲线。

二极管的伏安特性曲线

根据理论推导，二极管的伏安 特性曲线可用下式表示

式中 IS 为反向饱和电流， V 为二极管两端的电压降， VT =kT/q 称为温度的电压当量， k 为玻耳兹曼常数， q 为电子电荷量， T 为热力学温度。对于室温（相当 T=300 K ），则有 VT=26 mV

。

)1(e TS V

V

II

硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。

当 0＜ V＜ Vth 时，正向电流为零， Vth 称为死区电压或开启电压。

当 V＞ 0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当 V＞ Vth 时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。

(1) 正向特性

当 V＜ 0 时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当 VBR＜ V＜ 0 时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流 IS 。

当 V≥VBR 时，反向电流急剧增加， VBR

称为反向击穿电压 。

(2) 反向特性

反向特性

在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 从击穿的机理上看，硅二极管若 |VBR|≥7V 时 ,主要是雪崩击穿；若 |VBR|≤4V 时 , 则主要是齐纳击穿。当在 4V ～ 7V 之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。

2.3.3 半导体二极管的参数

半导体二极管的参数包括最大整流电流 IF 、反向击穿电压 VBR 、最大反向工作电压 VRM 、反向电流 IR 、

最高工作频率 fmax 和结电容 Cj 等。几个主要的参数介绍如下：

(1) 最大整流电流 IF——

二极管长期连续工作时，允许通过二

极管的最大整流电流的平均值。

(2) 反向击穿电压 VBR———

和最大反向工作电压 VRM

二极管反向电流急剧增加时对应的反向

电压值称为反向击穿电压 VBR 。

为安全计 ，在实际工作时，最大反向工作电压VRM 一般只按反向击穿电压

VBR 的一半计算。

半导体二极管的参数

(3) 反向电流 IR : 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安 (nA)级；锗二极管在微安 (A)级。 (4) 正向压降 VF ：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约 0.6 ～ 0.8V；锗二极管约 0.2 ～ 0.3V 。(5) 动态电阻 rd ：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd 与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF

2.3.4 半导体二极管的温度特性

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加 8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加 12℃，反向电流大约增加一倍。

另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加 1℃，正向压降 VF(VD) 大约减小 2mV ，即具有负的温度系数。这些可以从所示二极管的伏安 特性曲线上看出。

2.3.5 半导体二极管的型号

国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

二极管符号：+ -

D代表 P 型 Ge

半导体二极管图片

半导体二极管图片

半导体二极管图片

2.3.6 二极管电路及其分析方法

简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和电压源组成，其分析方法一般有两种： 图解法、模型法（等效电路法）。

DR

V I

A B

+

_VD

I

OVBR

IS

1. 图解法

图示电路可分为 A 、 B 两部分。

DR

V I

A B

+

_VD

A 部分的电压与电流关系： VD=V - IR B 部分的电压与电流关系就是二极管的伏安 特性。在二极管的伏安 特性上画出 VD=V - IR ，如图所示：

(V,0)

RV(0, )

QID

VD

最后得出二极管两端的电压 VD 和流过二极管的电流 I ，如图所示。

2. 模型分析法

(1) 二极管的大信号模型：根据二极管伏安 特性，可把它分成导通和截止

两种状态。ID

O0.7V

如图所示，VD<0.7V 截止VD>0.7V 导通VD<0.2V 截止VD>0.2V 导通这就是二极管的大信号模型。

硅管

锗管

大信号模型

所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流可表示为：

一般硅二极管正向导通压降为 0.6V~0.8V

锗二极管正向导通压降为 0.1V~0.3V

以 0.7 或 0.2计算将引入 10% 的误差。但如果 V 足够大，则 VD实际引入的误差并不大。

R

VI

VVD

7.0

7.0

硅管R

VI

VVD

2.0

2.0

锗管

R

V

R

VVI

D

如果 V >>0.7V(0.3V):

理想模型

ID

O

0.7V

理想二极管

大信号模型

0.7V

小信号模型

(2) 二极管的小信号模型：从二极管伏安 特性上看出，

二极管导通后，其电压变化量与电流变化量之比近似于常数：

此时的二极管相当于一个动态电阻，其阻值是正向特性曲线在工作点上的斜率的倒数，如图所示。

dI

dV

I

VD

DDr ≈= Δ

Δ

ID

O0.7V

dVdI

D

2.3.7 二极管基本应用

1.利用伏安 特性的非线性构成（限幅电路）

例 1 ：如图所示：

D2

D1

R

+

_

Vi

+

_

VoD1

D2

vi vo 1.4V

vo

vi

二极管基本应用

|vi |<0.7V 时， D1 、 D2截止，所以 vo=vi

| vi |>0.7V 时， D1 、 D2 中有一个导通，所以 vo =0.7V

D1D2R+

_

+

_

例 2 ：如图所示：

vovi

D2

D1

0.7V

-0.7V

vo

vi

二极管基本应用

2. 利用单向导电性构成整流和开关电路

不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。

全波整流电路：

RL

R1 D1

D2 D3

D4+

_Vi +

_Vo

vi

vo D3

D4

D2

D1

vi

vo

二极管基本应用

Va 、 Vb 有一个是低电平（ 0V ）： VO 为低电平Va 、 Vb 为高电平（ 5V ）： VO 为高电平

所以 F=A•B

开关电路：RD1

D2 VoVa

Vb

Va (A)

Vb (B)VO (F)

D1

D2

5V

2.4 稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安 特性曲线与硅二极管的伏安 特性曲线完全一样，稳压二极管伏安 特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。

符号 应用电路

伏安特性

2.4.1 稳压二极管参数

从稳压二极管的伏安 特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。 (1) 稳定电压 VZ —— 在规定的稳压管反向工作电流 IZ 下，所 对应的反向工作电压。 (2) 动态电阻 rZ —— 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ

(3) 稳定电压温度系数—— VZ。温度的变化将使 VZ改变，在

稳压管中当 VZ ＞ 7 V 时， VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当 VZ＜ 4 V 时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当 4 V＜ VZ ＜ 7 V 时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。

稳压二极管参数

(4) 最大耗散功率 PZM —— 稳压管的最大功率损耗取决于PN 结的面积和散热等条件。反向工作时 PN 结的功率损耗为

PZ= VZ IZ ，由 PZM 和 VZ 可以决定 IZmax 。

(5) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin ——

稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即 PZmax =VZIZmax 。而 Izmin

对应 VZmin 。 若 IZ＜ IZmin

则不能稳压。

2.4.2 稳压管应用

稳压管正常工作的两个条件： a. 必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）； b. 流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。

典型应用如图所示：当输入电压 vi 和负载电阻RL 在一定范围内变化时，流过稳压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压Vz 变化很小，即输出电压vo 基本稳定。

R

IR v

Rz LI I

+

_

+_

+

_v Li oVz

问题：不加问题：不加 RR 可以吗？可以吗？ 稳压条件是什么？稳压条件是什么？

电阻 R 的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

稳压管应用

如果输入电压 Vi （ Vi >VZ ）确定，稳压管处于稳压状态。

R

IR v

Rz LI I

+

_

+_

+

_v Li oVz

负载电阻 RL太大， IL减小， IZ 增大，只要 IZ < IZmax ，稳压管仍能正常工作。 负载电阻 RL太小， IL 增大， IZ减小，只要 IZ > IZmin ，稳压管仍能正常工作。

ZoRLZ

ZiR

VvIIIR

VVI

不变

本章作业

2.4.32.4.52.4.82.5.4 选作