1

第二章 半导体二极管及其应用

1 PN结

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为

半导体，半导体器件中用的最多的是硅和锗。

半导体的特点：

• 当受外界热和光的作用时，它的导电能

力明显变化。

• 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。

2

一、本征半导体的结构特点

Ge Si

通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们

的最外层电子（价电子）都是四个。

3

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。

4

硅和锗的共价键结构

共价键共

用电子对

+4 +4

+4 +4+4表示除

去价电子

后的原子

5

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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自

由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以

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

八个，构成稳定结构。

共价键有很强的结合力，使原子规

则排列，形成晶体。

+4 +4

+4 +4

6

二、本征半导体的导电机理

在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价

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（即载流子），它的导电

能力为 0，相当于绝缘体。

在常温下，使一些价电子获得足够的能量

而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价

键上留下一个空位，称为空穴。

1.载流子、自由电子和空穴

这一现象称为本征激发，也称热激发。

7

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

8

2.本征半导体的导电机理

+4 +4

+4 +4

在其它力的作用下，

空穴吸引附近的电子

来填补，这样的结果

相当于空穴的迁移，

而空穴的迁移相当于

正电荷的移动，因此

可以认为空穴是载流

子。

本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即

自由电子和空穴。

9

温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半

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

大特点。

本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。

本征半导体中电流由两部分组成：

1. 自由电子移动产生的电流。

2. 空穴移动产生的电流。

10

三 杂质半导体

在本征半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：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也

称为空穴半导体。

N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，

也称为电子半导体。

11

1)N 型半导体

在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷

（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被

杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，

其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，

必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，

很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子

就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原

子给出一个电子，称为施主原子。

12

+4 +4

+5 +4

多余

电子

磷原子

N 型半导体中

的载流子是什

么？

1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。

2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。

掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自

由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流

子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

13

2)P 型半导体

在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼

（或铟），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

半导体原子形成共价键时，

产生一个空穴。这个空穴

可能吸引束缚电子来填补，

使得硼原子成为不能移动

的带负电的离子。由于硼

原子接受电子，所以称为

受主原子。

+4 +4

+3 +4

空穴

硼原子

P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。

14

四、杂质半导体的示意表示法

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

P 型半导体

++++

++++

++++

++++

++++

++++

N 型半导体

杂质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。

近似认为多子与杂质浓度相等。

15

五 PN 结的形成

在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导

体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的

交界面处就形成了PN 结。

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P型半导体

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

N型半导体

++++

++++

++++

++++

++++

++++

扩散运动

内电场E

漂移运动

扩散的结果是使空间电

荷区逐渐加宽。

空间电荷区越宽,内电场

越强，就使漂移运动越

强，而漂移使空间电荷

区变薄。

空间电荷区，

也称耗尽层。

17

漂移运动

P型半导体

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

N型半导体

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

扩散运动

内电场E

所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，

相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚

度固定不变。

18

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

空间

电荷

区

N型区P型区

电位V V0

19

1、空间电荷区中没有载流子。

2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散

运动）。

3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少

子），数量有限，因此由它们形成的电流

很小。

注意:

20

六 PN结的单向导电性

PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。

PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。

21

－

－

－

－

++++

R E

1）PN 结正向偏置

内电场

外电场

变薄

P N+ _

内电场被削弱，多子

的扩散加强能够形成

较大的扩散电流。

22

2）PN 结反向偏置

－

－

－

－

++++

内电场

外电场

变厚

NP +_

内电场被被加强，多子

的扩散受抑制。少子漂

移加强，但少子数量有

限，只能形成较小的反

向电流。

R E

23

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。

24

3） PN结方程

其中

IS ——反向饱和电流

UT ——温度的电压当量

且在常温下（T=300K）

V026.0q

kT

UT

mV26 开启

电压

反向饱

和电流

击穿

电压

)(ufi mV)26( )1e( TS T UIi U

u常温下

25

从二极管的伏安特性可以反映出：

1. 单向导电性

TeSTUu

IiUu ，则若正向电压

)1e( TS Uu

Ii

2. 伏安特性受温度影响

T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓

T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移

正向特性为

指数曲线

反向特性为横轴的平行线

增大1倍/10℃

ST IiUu ，则若反向电压

26

七 PN结的反向击穿

当PN结的反向电压

增加到一定数值时，反

向电流突然快速增加，

此现象称为PN结的反向

击穿。

iD

OVBR D

热击穿——不可逆

电击穿——可逆

雪崩击穿-碰撞电离

齐纳击穿-场致激发效应

27

八、 PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的

因素决定。

一是势垒电容CB ，二是扩散电容CD 。

28

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。

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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。

2） 扩散电容CD

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

如下页所示。

30

扩散电容示意图

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。

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2 半导体二极管

PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。

引线

外壳线

触丝线

基片

点接触型

PN结

面接触型

P N二极管的电路符号：

32

半导体二极管图片

33

一 伏安特性

U

I

死区电压 硅管

0.5V,锗管0.1V。

导通压降:

硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V。

反向击穿

电压UBR

34

二 二极管的等效电路

1. 理想模型 3. 折线模型2. 恒压降模型

35

4. 微变等效电路

DT

DDd I

Uiur

根据电流方程， Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极

管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。

ui=0时直流电源作用

小信号作用

静态电流

36

三 主要参数

1） 最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大

正向平均电流。

2）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电

流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至

过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电

压UWRM一般是UBR的一半。

37

3） 反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电

流。反向电流大，说明管子的单向导电性

差，因此反向电流越小越好。反向电流受

温度的影响，温度越高反向电流越大。硅

管的反向电流较小，锗管的反向电流要比

硅管大几十到几百倍。

以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是

主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、

保护等等。下面介绍两个交流参数。

38

4） 微变电阻 rD iD

uD

ID

UD

Q iDuD

rD 是二极管特性曲线上工

作点Q 附近电压的变化与

电流的变化之比：

DDD i

ur

显然，rD是对Q附近的微小

变化区域内的电阻。

5） 最高工作频率

39

二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0

RLui uo

ui

uo

t

t

二极管的应用举例 二极管半波整流

40

电路如图，求：UAB

V阳

=－6 V V阴

=－12 VV阳

>V阴

二极管导通

若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V

例2。1：

取 B 点作参考点，

断开二极管，分析二

极管阳极和阴极的电

位。

D

6V 12V3k

B

AUAB

+

–

41

两个二极管的阴极接在一起

取 B 点作参考点，断开二极

管，分析二极管阳极和阴极

的电位。

V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 VUD1 = 6V，UD2 =12V∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。

若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V

例2.2:

D1承受反向电压为－6 V流过 D2 的电流为 mA43

122D I

求：UAB

B

D1

6V 12V3k

A

D2

UAB+

–

42

ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8Vui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui

已知：

二极管是理想的，试画

出 uo 波形。

V sin18i tu

8V

例3.3：

二极管的用途：

整流、检波、

限幅、钳位、开

关、元件保护、

温度补偿等。

ui

t 18V 参考点

二极管阴极电位为 8 V

D8V

R

uoui+ +

– –

43

3 稳压二极管

U

I

IZ

IZmaxUZIZ

稳压

误差

曲线越陡，

电压越稳

定。+

-

UZ动态电阻：

ZZI

UZr

rz越小，稳

压性能越好。

44

（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。

（5）最大允许功耗 maxZZZM IUP

稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。

（3）动态电阻 ZZI

UZr

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稳压二极管的应用举例

uoiZDZR

iLiui RL5mA

20mA, V,10min

max

z

zzWI

IU稳压管的技术参数:

k2LR负载电阻 。要求当输入电压由正常值发

生20%波动时，负载电压基本不变。

解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电

流为Izmax 。

求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。

mA25max LZWz R

UIi102521 RUiRu. zWi ——方程1

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令输入电压降到下限

时，流过稳压管的电

流为Izmin 。

mA10min LZWz R

UIi101080 RUiRu. zWi ——方程2

uoiZDZR

iLiui RL

联立方程1、2，可解得：

k50V7518 .R,.ui

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稳压二极管在工作时应反接，并

串入一只电阻。

电阻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，取出误差信号以调节稳压管

的工作电流，从而起到稳压作用。