第一章 半导体基本器件及应用电路
§ 1.1 半导体材料及导电特性
§ 1.2 PN结原理
§ 1.4 双极型晶体管
§ 1.3 晶体二极管及应用
返回
1.1半导体材料及导电特性
1.1,1 本征半导体
1,1, 2 杂质半导体
1,1, 3 漂移电流与扩散电流
引言
返回
引言：
１,什么是半导体：电阻率 ρ 介于导体和绝缘体之间
固体按导电性能上可分为三类：
导体,ρ ＜ 10 － 4 Ω, c m 如：金、银、铜、铝
绝缘体,ρ ＞ 10 12 Ω, cm 如：云母、陶瓷
半导体, ρ = 10 － 3 ~ 10 9 Ω 。 Cm
如,硅 S i ( S il ic o n ) ρ = 1 0 5 Ω, cm
锗 G e ( G e r m a n iu m ) ρ = 4,7 1 0 3 Ω, cm
砷化镓 G a A s ρ = 1 0 9 Ω, cm
2, 注意 ρ 的单位,Ω 。 Cm
定义,cmcmcmlAR
2 ???? ???
3, 半导体具有其它特性：
对 ρ 影响较大的因素：杂质,温度，光照
1.1半导体材料及导电特性
返回
1.1,1 本征半导体
定义, 没有杂质,纯净的单晶体称为本征半导体,
( 一 ) 本征半导体的共价键结构
1 S i, G e 原子结构模型
14? 32?
4?
4?
惯性核
S
i( 14 ) 和 G
e ( 32 ) 因外
层都有 4 个价电子，由
于外层价电子受原子核
的束缚力小,许多物理
现象是由外层价电子数
决定,为了更方便研究
价电子的作用常 把原子
核和内层电子看作一个
整体,称为 惯性核。
价电子
返回
2 共价键结构
1.1,1 本征半导体 （ intrinsic semiconductor）
当 S i （或 G e ）原子组成单晶体后，各
原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间
靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要
受相邻原子的作用，
量子力学证明,原子中电子具有的能量
状态是离散的，量子化的,每一个能量状态
对应于一个能级，一系列能级形成能带。
根据原子的理论,原子外层电子有 8 个才
能处于稳定状态 。
因此 S i （或 G e ）单晶体每个原子都从四周
相邻原子得到 4 个价电子才能组成稳定状态。即
每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个
原子都共用一对价电子。形成共价键结构。
4?4? 4?
4?4? 4?
4?4? 4?
在 S i 或 G
e 单晶体中，价电子处于束
缚状态，其能量较低，处于较低的能带称为
价带 。而自由电子处较高的能带称为 导带 。
由于价电子至少要获得 E
g
的能量才能挣脱共
价键的束缚成为自由电子，因此自由电子所
占有的最低能级要比价电子可能占有的最高
能级高出 E
g
。于是 S
i （或 G
e ）晶体中的
能量分布中有一段间隙不可能被电子所占
有。其宽度为 E
g
，称为 禁带宽度 。
E g 一般与半导体材料和温度 T 有关：
T= 0 k ( - 2 7 3, 1 6 0 c ) 时,T= 3 0 0 k （室温）
E g0 ( S i ) = 1, 2 1 ev E g (S i ) = 1, 1 2 e v
E g0 ( G e ) = 0, 7 8 5 e v E g (G e ) = 0, 7 2 e
电子能量
禁带Eg
导带
价带
返回
１ T = 0k 且无外界其它能量激发时,Eg 0 较大，
价电子全部束缚在共价键中，导带中无自由
电子。 （此时的本征半导体相当与绝缘体）
2 本征激发：
T ↑ （ or 光照） 价电子获得能量 跃迁导带
自由电子 ~ 位于 导带
空穴 ~ 位于 价带
E g
4?4? 4?
4?4? 4?
4?4? 4?
（二）本征激发和两种载流子
电子能量
禁带Eg
导带
价带
注意,
① 在本征激发 （或热激发）中，电子、空穴成对产生
a:空穴带正电量
b：空穴是半导体中所特有的带单位
正电荷的粒子, 与电子电量相等,
符号相反
c,空穴在价带内运动, 也是一种载
流子 。 在外电场作用下可在晶体内
定向移动
空穴：
载流子：物体内运载电荷的粒子，决定于物体的
导电能力。
自由电子载流子：带单位负电
空穴载流子,带单位正电
在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，对
电流的贡献是迭加的。
②在常温下本征半导体内有两种载流子：
返回
（三） 本征载流子（ intrinsic carrier） 浓度
本征激发 电子空穴
E g
1
电子
空穴
随机碰撞
复合 （ 自由电子释放能量 ） 电子空穴对消失2
3 本征激发
动态平衡
复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式 。
在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的
若设 n i 为电子浓度,p i 为空穴浓度
本征载流子浓度,n i =p i =A o T 3 / 2 e xp(-E g0 /2k T )
其中,A o 为常数，与半导体材料有关：
Si,A o =3.88 × 10 16 (c m -3,k - 2 /3 )
G e, A
o =1.76 × 10
16 (c m -3,k - 2 /3 )
k 为玻耳兹曼常数 k =1.38 × 10 - 2 3 (J, k -1 )
当 T =3 00k （ 室温 ） S i, n i =p i ≈ 1,5 × 10 10 /cm 3
G e,n i =p i ≈ 2, 4 × 10 13 /cm
由上式,T ↑→ n i ( o r p i ) ↑→ 导电能力↑ 可制作热敏元件
影响半导体器件的稳定性
另外 光照 → n i ( o r p i ) ↑→ 导电能力 ↑→ 可制作光电器件
返回
1,1, 2 杂质半导体 （ donor and acceptor impurities）
实际上，制造半导体器件的材料并不是本征半导体，而是 人为地掺入一
定杂质成份的半导体
1 什么是杂质半导体,人为地掺入一定杂质成份的半导体
2 为什么要掺杂：提高半导体的导电能力
例如,S i 本征半导体 （ T ＝ 3 0 0 k ）：
n i =p i =1,5 X 1 0 10 ／ cm 3
原子密度 4,9 6 X 1 0 22 / c m 3
3.3X1012分之一
故：本征半导体的导电能力很弱。
3 在 本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两
种载流子的浓度。
根据掺入杂质的种类可分为,N 型半导体 （掺入 5 价元素杂质）
P 型半导体 （掺入 3 价元素杂质）
返回
（一） N型半导体 （ N Type semiconductor）
4?4? 4?
5?4? 4?
4?4? 4?
在本征半导体中掺入 5 价元素 的杂质
（砷、磷、锑）就成为 N 型杂质半
导体 。
杂质原子 →能 提供多余电子 →称为 施主杂质
→ 多余电子 →位于 施主能级 （进入导带）成为自由电子
室温
T=300k
电子能量
禁带Eg
导带
价带
施主能级 + ++
N 型杂质半导体的特点：
1, 与本征激发不同,施主原子在提供多余电子的同时并
不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由
移动，不起导电作用。
2,在室温下,多余电子全部被激发为自由电子，故 N 型
半导体中自由电子数目很高 （浓度大）,主要靠电子导电。
称为电子半导体。
3,在 N 型半导体中同样也有本征激发产生的电子空
穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。
+
在 N 型半导体中：
自由电子 → 多数载流子 （多子）。且多数载流子浓度＞＞ n i
空穴 → 少数载流子 （少子）。 少数载流子浓度＜＜ p i+5
返回
（二） P型半导体 （ P type semiconductor）
电子能量
禁带Eg
导带
价带
受主能级 - --
在本征半导体中掺入 3 价元素 （如 B 硼），
就成为 P 型半导体。
3 价杂质原子 → 接受电子 → 负离子 → 受主杂质 （ a c c e p t o r i m p u r i t y ）
→ （受主原子） → 位于受主能级 产生空位 （位于价带）
室温
T = 3 0 0 k
带负电离子与带正电空穴间有吸引力，即空穴是受束缚
的，只能在负离子附近活动。但只要赋予它一定的能量，
它挣脱束缚运动到远离负离子的地方，该空穴就和本征
激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献。
杂质产生 （空位） → 受主能级 在价带中形成空穴 → 晶格中留下负离子
接受
电子
P 型半导体的特点,
1, 与本征激发不同。 受主原子接受电子在
价带中产生一个空穴，但并不在导带中产
生电子，而在晶格中留下一个负离子。负
离子不能自由移动，不起导电作用。
2 在室温下 3 价受主原子产生的空位全部可被激发为价
带中的空穴，故 P 型半导体中空穴数很高，主要靠空穴
导电。称为空穴半导体。
4?4? 4?
3?4? 4?
4?4? 4?
-
3 P 型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对，但由
于复合作用，电子数目很小,空穴的浓度远大于电子浓度 。
P 型半导体,多子 → 空穴 且：多子浓度＞＞ p i
少子 → 电子 少子浓度＜＜ n i
返回
（三） 杂质半导体中的载流子浓度
本征半导体中载流子由本征激发产生,ni=pi
掺杂半导体中（ N or P） → 掺杂越多 → 多子浓度 ↑→ 少子浓度 ↓
杂质半导体载流子由两个过程产生, 杂质电离 → 多子
本征激发 → 少子
由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：
1 热平衡条件,温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。
N型半导体：若以 nn表示电子 （ 多子 ）, pn表示空穴 （ 少子 ）
则有 nn.pn=ni2
P型半导体,pp表示空穴 （ 多子 ）, np表示电子浓度 （ 少子 ）
Pp.np=ni2
2 电中性条件,整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等 。
N型,No表示施主杂质浓度, 则,nn=No+pn
P型,NA表示受主杂质浓度, Pp=NA+np
由于一般总有 No>>pn NA>>np
所以有 N型,nn≈ No 且,pn≈ ni2/ND
P型,pp≈ NA np≈ ni2/NA
多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度 ni2有关,
与温度无关 随温度升高而增加, 是半导体
元件温度漂移的主要原因
多子浓度 少子浓度
返回
1,1, 3 漂移电流与扩散电流
半导体中有两种载流子：电子和空穴, 这两种载流子的定向运动会引起导
电电流 。
引起载流子定向运动的原因有两种：
由于电场而引起的定向运动 ――漂移运动 。 （ 漂移电流 ）
由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动 ――扩散运动（扩散电流）
（一）漂移电流 （ drift current）
在电子浓度为 n,空穴浓度为 p的半导体两端外加电压 V，在电场 E的作
用下,空穴将沿电场方向运动, 电子将沿与电场相反方向运动,
E
V
●
●● ●
●○○ ○ ○○
○○
○
○ ○○○○
○
○ ○○○○
○
○ ○○○
●
●● ●
●●
●● ●
●●
●● ●
●●
●● ●
●空穴的平均漂移速度, v p =u p, E
电子的平均漂移速度, v n = - u n, E
其中 u p 和 u n 为空穴和电子的迁移率
（单位电场强度下载流子的平均漂移速度）
所以 空穴的电流密度,J pt =q,p, v p =u p, q,p, E
电子的电流密度,J nt = - q,n,v n =u n, q,n,E 其中 q 为电子电荷量
总的漂移电流密度, J t =J pt +J nt =( u p, p + u n, n ) qE返回
(二）扩散 电 流 （ diffusion current）
载流子注入
光照的作用
非平衡载流子 → 载流子浓度梯度 → 扩散运动 → 扩散电流
扩散电流是半导体中载流子的 一种特殊运动形式,是 由于载流子的浓
度差而引起 的,扩散运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行,
光
照
N型半导体
x
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
n(x)
p(x)
载流子浓度
热平衡值
热平衡值
x
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
若用
dx
)x(dp
,
dx
)x(dn
表示非平衡空穴和电子的浓度梯度，
则沿 X 方向的扩散电流密度分别为：
J po = -q D p
dx
)x(dp
J no = -( -q ) D n
dx
)x(dn
= qD n
dx
)x(dn
式中 D P 和 D n 为空穴和电子扩散系数 （单位 cm 2 /s ）
上式表示,空穴扩散中电流与 x 方向相同
电子扩散电流与 x 方向相反
（因为
dx
)x(dp
＜ 0,
dx
)x(dn
＜ 0 ）
返回
§ 1.2 PN结原理
1.2,2 空间电荷区特点：
1.2.1 PN结的形成及特点
返回
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
§ 1.2 PN结原理 在一块 N 型半导体 （ o r P type ），用杂质补偿的方法掺
入一定数量的 3 价元素 （ or 5 价元素）将这一部分区域转换
成 P 型 （或 N 型），则在它们的界面处便生成 PN 结。 PN 结
是晶体二极管及其它半导体的基本结构,在集成电路中极其重
要。
E
返回
1.2.1 PN结的形成及特点
一 PN结的动态平衡过程和接触电位
（一） 空间电荷区 ( s p a c e c h a r g e r e g i o n )
在 N 型和 P 型半导体的界面两侧，明显
地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的
扩散运动：
P 型半导体中空穴 → N 区扩散 → 与 N 区中电子复合
P 区留下负离子 → N 区生成正离子
N 型半导体中电子 （多子） → P 区扩散 → 与 P 区空穴复合
N 区留下正离子 → P 区生成负离子 。
N 区――则为正
P 区――则为负
形成 内建电场 E
伴随着扩散和复合运动在 PN 结界面附近形成一个空间电荷区：
内建电场 → 形成少子的漂移运动 N 区中空穴 → P 区
P 区中电子 → N 区
消弱 内建电场 E
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
显然半导体中 多子的扩散运动和少子的
漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：
多子扩散运动 → 空间电荷区 ↑→ 内建电场 E ↑
→ 少子漂移 ↑
结果,多子扩散运动 少子的漂移
扩散电流 漂移电流
热平衡 （ 动态平衡 ）
PN 结中总电流为零 。空间电荷区宽度稳定形成 PN 结 。
返回
1.2,2 空间电荷区特点：
1,空间电荷区宽度决定于杂质浓度
一般杂质浓度越高空间电荷区越薄，空
间电荷区伸向杂质浓度低的一侧。 2,扩散在空间电荷区内形成一定的空间电荷
分布 ρ (x), P 区为负,N 区为正,界面处
为零 。
故在 电荷区内形成一定的电场分布：
E= ? ?
? )x(
dx (? 为介质常数 ) 。
从而在空间电荷区内造成一定的电位差
（ 接触电位差 ） ??? E d x?其中内建电位差,
U ? = U T ln p p /p n = U T ln n n /n p
= U T ln p p n n /n i 2 ? U T ln N D N A /n i 2
其中 U T =K T / q （ 热力学电压 ）
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
ρ 电荷密度
E电场强度
φ 电位
qUФ内建电位
势垒 （ 电子势能 ）
qUФ
P N
常温下 （ T ＝ 300K ） U T = 26m V
Si, U Ф = 0,6 —— 0,8v
G e, U Ф = 0,2 —— 0,3v
3,由于电子是带负电荷的，处于高电势
处的电子具有较低位能，而处于低电势处
电子具有较高位能
所以 N 区电子比 P 区能量低 q U Ф,N 区电子
要到达 P 区,或 P 区空穴要到达 N 区必须克
服势垒 q U Ф, 故势垒阻碍了扩散运动。 故空
间电荷区也称为 势垒区 或 阻挡层 。
4,空间电荷区内只有不能移动的离子，是载流子
不能停留的区域或载流子耗尽的区域，故又称耗
尽层 （ d e p l e t i o n l a y e r ）
返回
1.3晶体二极管及应用
1,3,2 二极管的电阻
1,3,3 二极管的交流小信号等效模型
1,3,4 二极管应用电路
1,3,1晶体二极管的伏安特性 引言
返回
1,3,5 稳压管
1,3,6 PN结电容
1,3,7 PN结的温度特性
1,3,8 二极管主要参数
1.3 晶体二极管及应用
晶体二极管
PN 结
欧姆接触电极，引出线
管壳
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
（一） 单向导电
偏置：在 PN 结两端外接电源电压
正向偏置, P 区接正电源,N 区接负
反向偏置, N 区接正,P 区接负
1.3.1 晶体二极管的伏安特性
返回
1,正向偏置，正向电流
R
U
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Uφ
UiD
Uφ
Uφ -U
正向偏置 → 外电场削弱内电场 → 势垒降低 → 阻挡层变窄 → 破坏 PN 结动态平衡
扩散运动占优势 → 漂移减弱 →扩散电流
Di 较大。
扩散电流的全过程：
电子由电源负极 → N 区 PN 结 → P 区 → P 区空穴复合
→ 电源正极向 P 区提供空穴
扩散
iD
+
+
_
_
返回
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2,反向偏置，反向电流
R
U
U iR
Uφ
UФ UФ+U
iR
反向偏置,外电场与内建电场方向一致 → PN 结势垒提高
（阻挡层变宽） → 漂移占优势 → 扩散减弱 → 漂移电流 i R 很小。
由于 反向漂移电流是少数载流子漂移形成的电流,而少数载流
子浓度很低，故 反向电流远小于正向电流,即 i D >>| i R |
+
+
_
_
返回
Si
（ 二） 伏安特性
二极管的电流与端电压之间的关系或曲线
1,二极管的理想伏安特性方程：
i D =I s { e xp （ u D / U T ）－ 1}
式中,u D 二极管端电压,U T ＝ K T / q,（ 当 T ＝ 300K 时 U T ＝ 26 mv ），
I S 为饱和电流，与少数载流子浓度有关。
Ge
1.0
iD
uD
a, 正偏 ( u D >0 的区域是正向工作区 ),
当 u D ＞ 4 U T 时,e x p （ u D / U T ） > > 1,
i D ≈ I s e x p （ u D / U T ） 正偏伏安特性方程
正向电流与正向偏压按指数规律增大。 二极管正向开启（或门 限）电压,
S i, U ON = 0,5 —— 0,6V
G e,U ON = 0,1 —— 0,2V
●
UON
●
UON
返回
一般,S i, I s 在 10 － 9 —— 10 － 15 A 量级
G e, I s 在 uA 量级
Si
（ 二） 伏安特性
1,二极管的理想伏安特性方程：
i D =I s {ex p （ u D / U T ）－ 1}
式中,u D 二极管端电压,U T ＝ K T / q,（ 当 T ＝ 3 0 0 K 时 U T ＝ 26 mv ），
I S 为饱和电流，与少数载流子浓度有关。
iR=-Is
Ge
Si
Ge
U(BR) U(BR)
1.0
iD
uD
b, 反偏 ( U ( B R ) < U D < 0,反向工作区 ),
当 u D ＜＜ - 4 U T 时,e x p ( u D / U T ) ＜＜ 1
i D ＝ i R ≈ -I s
反向电流不随反向偏压而变化
工作在反向区的二级管：
相当于截至、高阻抗元件 返回
一般,
S i, U ( B R ) = 几十 —— 几百 ( V )
G e, U ( B R ) = 十几 —— 几十 ( V )
Si
（ 二） 伏安特性
1,二极管的理想伏安特性方程：
iR=-IsSi
Ge
Ge
U(BR) U(BR)
1.0
iD
uD
c,U D > | U ( B R ) | 击穿区,
Si 管反向击穿电压比 Ge 管高
二极管击穿后端电压几乎
不变，具有稳压特性。
i D =I s {ex p （ u D / U T ）－ 1}
式中,u D 二极管端电压,U T ＝ K T / q,（ 当 T ＝ 3 0 0 K 时 U T ＝ 26 mv ），
I S 为饱和电流，与少数载流子浓度有关。
返回
ID
① 直流电阻
Q●
UD
iD
uD
定义,R D ＝直流偏压／直流电流＝ U D ／ I D
静态工作点（直流工作点） Q,（ U D, I D ）
② 交流电阻 （动态电阻）
定义,
r d = (d i D /d u D ) Q - 1 =2 u D / 2 i D
≈
D
T
T
d
s
D I
U
U
uI
du
d ?
?
?
?
?
?
? ? 1
))e x p ((
( 因为 I D ≈ I s e x p u D / U T )
可见二极管的动态电阻可以用静态电流来计算。
且有 I D ↑→ r d ↓
一般,正偏时：几 ? — 几十 ?
反偏时：几百 K? — 几兆 ?
uD
（忽略 R上的电压）
1,3,2 二极管的电阻
返回
rd CJ
① 实际电路：
u D, 信号源电压
U D,直流偏置电源
R,限流电阻 （偏置电阻）
D,二极管
② 交流小信号电路模型
在直流工作点确定后，小信号作用下，
二极管的交流小信号模型可以等效为：
交流电阻 r d
结电容 C J ＝ C T + C D （具有高频旁路作用）
Si
1.0
iD
uD
●
●
在低频工作时,CJ可忽略。
电路仿真
1,3,3 二极管的交流小信号等效模型
返回
ui
ui
1.3.4 二极管应用电路
1 整流电路
ui<0，二级管截止,iD=0,uo=0
+
uo
-
iDui>0，二级管导通，, uo=ui0i
D ?
电路仿真
2二极管限幅电路
右图为双向的限幅电路
如果设：二极管的开启电压 UON = 0.7V
则有,|ui|<UON 时,D1和 D2都截止，
回路中的电流 iD=0,uo=ui 。
iD
如果,ui> UON, D1导通 D2截止，
回路中的电流,利用二极管正向稳
压特性,uo= UON 。
如果,ui<- UON, D1截止 D2导通，
回路中的电流,uo= -UON 。
uD
iD
UON
电路仿真
+
uo
-
返回
ui
1.3.4二极管应用电路
3 二极管钳位电路
钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，
下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。
uc=2.5V u
o
设输入信号 ui为幅度 +2.5V的方波信号，
ui
2.5V
-2.5V
当 ui<0时,D导通，回路中的电流 iD
对电容 C充电，由于 rd 较小，充电时
间常数 =C rd很小，充电迅速，使,
uc=ui=2.5V,uo=ui – uc= ui–2.5V=0
而当 ui>0时,D截止,iD=0,回路无
法放电，使电容 C的电压保持
uc=ui=2.5V,而输出电压：
uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5V
Vo5V
电路仿真
返回
PN 结击穿后，反向电流急剧增加，但端电压几
乎不变，表明击穿后的 PN 结具有稳压功能，在安全
限流条件下，利用二极管的击穿特性制作稳压管。
IZ min
IZ m a x
●
UZ
IZ
Δ UZ１ 稳压管的伏安特性 正向区：相当普通二极管
反向区：高阻抗器件
反向击穿区：稳压元件
稳定电压 U Z
I Z m in 最小允许电流
I Z m a x 最大允许电流
1,3,5 稳压管 返回
Ui UZ UD
IZ min
IZ m a x
●
UZ
IZ
Δ UZ2 应用电路
U i,输入电压,U D,稳定输出电压
R,限流保护电阻,R L,等效负载
3 限流电阻值 R 的确定
R 必须满足下列关系：
（ 1 ） 当 U i m a x,I Z m a x （即 R L m a x ）时,
要求 I Z <I Zm ax,
即 （ U i m a x - U Z ）／ R － U Z /R L m a x < I Z m a x
得 R >
ZZL
Zi
UIR
UU
?
?
m a xm a x
m a x R L m a x
2 ) 当 U i m i n 和 I Z m i n ( 即 R L m i n ) 时,
要求 I Z > I Z m i n
即, R UU Zi ?m i n -
m inL
Z
R
U > I Z m i n
得,R<
ZZL
Zi
UIR
UU
?
?
m i nm i n
m i n R L m i n
电路仿真
返回
4,稳压管动态阻抗
IZ min
IZ m a x
●
UZ
IZ
Δ UZ
定义,r Z =
QZ
Z
dI
dU
???
?
???
? =
?tg
1
Q
（击穿曲线斜率的倒数）
rz
I z
通常击穿曲线越陡，内阻 r z 越小，
稳压性能越好,
5,稳压管电路模型：
UZ
UZ
返回
6,击穿现象
击穿现象有两类不同机理：
齐纳击穿：高掺杂浓度 PN 结→势垒区薄 空间电荷区内电场大
→大量价电子脱离共价键束缚→产生大量载流子→击穿。
（场致电离而产生的击穿现象）
反偏电压 > 5V
雪崩击穿：掺杂浓度小→势垒区厚 小数载流子动能↑
→撞击价电子→产生大量电子空穴对→雪崩反映→反向电流↑→击穿
（碰撞电离而产生的击穿现象）
反偏电压＞ 6V
返回
1,3,6 PN结电容
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
R
U
U
+
+
_
_
iR
PN 结具有电容效应
一般 点接 触 型 PN 结，结电容小，使用于高频
面接触型，结电容大，用于低频
C J ＝ C T ＋ C D 即：结电容＝势垒电容＋扩散电容
１ 势垒电容 ( B a r r i e r C a p a c i t a n c e )
PN 结空间电荷区随反向电压的变化而产生的电容效应。
PN 结反偏→ Δ U ↑→空间电荷区↑→ Δ Q
Uφ +Δ Q-Δ Q
+Δ U
（ 1 ） 定义：
C T = d Q / d U ? Δ Q/ Δ U
相当于一个平等板电容器
（ 2 ） 变容＝极管特性：
利用 PN 结的势垒电容效应
可制造变容二极管。
变容管电容与反偏电压的关系,
nD
T
T
)Uu-(1
)0(C=C
?
式中,C T （ 0 ） 是 u D =0 时的势垒电容,
U φ 为接触电位差 ( si, 0, 7 V,G e, 0, 3 V )
C
· CT
UD uD n= 1 ／ 2 突变结变容管
n = 1 ／ 3 缓变结
n= 1 ／ 2 － 6 超突变结
变容管模型：
其中,r T 为 P 型和 N 型半导体的体电阻
rT CT
返回
载流子浓度
当正偏↑ Δ U →扩散↑↑→ N → P → Δ Q n
P → N → Δ Q p
。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
2 扩散电容 C D （ D i f fu s i o n C a p a c i t a n c e ）
PN 结正向偏压时载流子在扩散过程中的电荷积累引起的电容效应。
当 PN 结正偏 （ V ）→扩散↑
→ N → P 非平衡少数载流子 （电子）
P → N 非平衡少数载流子 （空穴）
ΔQpΔQn
...
...,.......,
..P N
U+Δ U
⊕⊕
⊕⊕
⊕⊕-
---
-- 。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
一般 C D 可表示为：
C D =
TU
? （ I
D +I S )
式中,? 非为平衡少数载流子的平均寿命，
I D 为正向电流所以, 正偏时, I D > > I S
所以 C D ≈
TU
?
I D
反偏时, I D ≈－ I S, C D ≈ 0,
3 C T 与 C D 比较一般有,C J ＝ C T ＋ C D
C T C D
（ 1 ）空间电荷区内电荷的变化（势垒） 空间电荷区外（扩散）
（ 2 ）在反偏条件下 C J ≈ C T 在正偏条件下 C J ≈ C D
返回
1,3,7 PN结的温度特性：
PN 结的特性和参数随温度的变化而漂移。
1, PN 结正向电压的温度系数
ID
T2>T1
T2 T1
UD1 UD2
iD
uD
定义,α u D = T
u D
?
?
i D= 常数
＝
T
u D
?
? i
D= 常数 =
12
1D2D
TT
UU
?
? <0
2,I S 随 T 按指数规律变化：
I s (T) ≈ I s (T 0 ) × 2
TT 0
2
?
式中,T 0 = 3 0 0 K,I s (T 0 ) 是 T 0 = 3 0 0 K 时的反向饱合电流
一般 T 变化 10 0 C → I s 变化一倍→但 Si 的 I s 比 Ge 的小。
返回
1,3,8 二极管主要参数
1,最大整流电流 I F,
允许最大正向平均电流。 （其大小与面积、散热有关）
2,最大反向工作电压 U R,
二极管上允许的最大反向电压
U R ＜ U （ BR ）
3,反向电流 I R,击穿前的反向电流,I R ≈ I S
4, 最高工作频率 f m, 最高允许工作频率
f m 与 C J ＝ C T ＋ C D 有关
C J 对 PN 结的旁路作用，使单向导电性能变坏。
uD
iD
返回
继续
§ 1.1 半导体材料及导电特性
§ 1.2 PN结原理
§ 1.4 双极型晶体管
§ 1.3 晶体二极管及应用
返回
1.1半导体材料及导电特性
1.1,1 本征半导体
1,1, 2 杂质半导体
1,1, 3 漂移电流与扩散电流
引言
返回
引言：
１,什么是半导体：电阻率 ρ 介于导体和绝缘体之间
固体按导电性能上可分为三类：
导体,ρ ＜ 10 － 4 Ω, c m 如：金、银、铜、铝
绝缘体,ρ ＞ 10 12 Ω, cm 如：云母、陶瓷
半导体, ρ = 10 － 3 ~ 10 9 Ω 。 Cm
如,硅 S i ( S il ic o n ) ρ = 1 0 5 Ω, cm
锗 G e ( G e r m a n iu m ) ρ = 4,7 1 0 3 Ω, cm
砷化镓 G a A s ρ = 1 0 9 Ω, cm
2, 注意 ρ 的单位,Ω 。 Cm
定义,cmcmcmlAR
2 ???? ???
3, 半导体具有其它特性：
对 ρ 影响较大的因素：杂质,温度，光照
1.1半导体材料及导电特性
返回
1.1,1 本征半导体
定义, 没有杂质,纯净的单晶体称为本征半导体,
( 一 ) 本征半导体的共价键结构
1 S i, G e 原子结构模型
14? 32?
4?
4?
惯性核
S
i( 14 ) 和 G
e ( 32 ) 因外
层都有 4 个价电子，由
于外层价电子受原子核
的束缚力小,许多物理
现象是由外层价电子数
决定,为了更方便研究
价电子的作用常 把原子
核和内层电子看作一个
整体,称为 惯性核。
价电子
返回
2 共价键结构
1.1,1 本征半导体 （ intrinsic semiconductor）
当 S i （或 G e ）原子组成单晶体后，各
原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间
靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要
受相邻原子的作用，
量子力学证明,原子中电子具有的能量
状态是离散的，量子化的,每一个能量状态
对应于一个能级，一系列能级形成能带。
根据原子的理论,原子外层电子有 8 个才
能处于稳定状态 。
因此 S i （或 G e ）单晶体每个原子都从四周
相邻原子得到 4 个价电子才能组成稳定状态。即
每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个
原子都共用一对价电子。形成共价键结构。
4?4? 4?
4?4? 4?
4?4? 4?
在 S i 或 G
e 单晶体中，价电子处于束
缚状态，其能量较低，处于较低的能带称为
价带 。而自由电子处较高的能带称为 导带 。
由于价电子至少要获得 E
g
的能量才能挣脱共
价键的束缚成为自由电子，因此自由电子所
占有的最低能级要比价电子可能占有的最高
能级高出 E
g
。于是 S
i （或 G
e ）晶体中的
能量分布中有一段间隙不可能被电子所占
有。其宽度为 E
g
，称为 禁带宽度 。
E g 一般与半导体材料和温度 T 有关：
T= 0 k ( - 2 7 3, 1 6 0 c ) 时,T= 3 0 0 k （室温）
E g0 ( S i ) = 1, 2 1 ev E g (S i ) = 1, 1 2 e v
E g0 ( G e ) = 0, 7 8 5 e v E g (G e ) = 0, 7 2 e
电子能量
禁带Eg
导带
价带
返回
１ T = 0k 且无外界其它能量激发时,Eg 0 较大，
价电子全部束缚在共价键中，导带中无自由
电子。 （此时的本征半导体相当与绝缘体）
2 本征激发：
T ↑ （ or 光照） 价电子获得能量 跃迁导带
自由电子 ~ 位于 导带
空穴 ~ 位于 价带
E g
4?4? 4?
4?4? 4?
4?4? 4?
（二）本征激发和两种载流子
电子能量
禁带Eg
导带
价带
注意,
① 在本征激发 （或热激发）中，电子、空穴成对产生
a:空穴带正电量
b：空穴是半导体中所特有的带单位
正电荷的粒子, 与电子电量相等,
符号相反
c,空穴在价带内运动, 也是一种载
流子 。 在外电场作用下可在晶体内
定向移动
空穴：
载流子：物体内运载电荷的粒子，决定于物体的
导电能力。
自由电子载流子：带单位负电
空穴载流子,带单位正电
在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，对
电流的贡献是迭加的。
②在常温下本征半导体内有两种载流子：
返回
（三） 本征载流子（ intrinsic carrier） 浓度
本征激发 电子空穴
E g
1
电子
空穴
随机碰撞
复合 （ 自由电子释放能量 ） 电子空穴对消失2
3 本征激发
动态平衡
复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式 。
在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的
若设 n i 为电子浓度,p i 为空穴浓度
本征载流子浓度,n i =p i =A o T 3 / 2 e xp(-E g0 /2k T )
其中,A o 为常数，与半导体材料有关：
Si,A o =3.88 × 10 16 (c m -3,k - 2 /3 )
G e, A
o =1.76 × 10
16 (c m -3,k - 2 /3 )
k 为玻耳兹曼常数 k =1.38 × 10 - 2 3 (J, k -1 )
当 T =3 00k （ 室温 ） S i, n i =p i ≈ 1,5 × 10 10 /cm 3
G e,n i =p i ≈ 2, 4 × 10 13 /cm
由上式,T ↑→ n i ( o r p i ) ↑→ 导电能力↑ 可制作热敏元件
影响半导体器件的稳定性
另外 光照 → n i ( o r p i ) ↑→ 导电能力 ↑→ 可制作光电器件
返回
1,1, 2 杂质半导体 （ donor and acceptor impurities）
实际上，制造半导体器件的材料并不是本征半导体，而是 人为地掺入一
定杂质成份的半导体
1 什么是杂质半导体,人为地掺入一定杂质成份的半导体
2 为什么要掺杂：提高半导体的导电能力
例如,S i 本征半导体 （ T ＝ 3 0 0 k ）：
n i =p i =1,5 X 1 0 10 ／ cm 3
原子密度 4,9 6 X 1 0 22 / c m 3
3.3X1012分之一
故：本征半导体的导电能力很弱。
3 在 本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两
种载流子的浓度。
根据掺入杂质的种类可分为,N 型半导体 （掺入 5 价元素杂质）
P 型半导体 （掺入 3 价元素杂质）
返回
（一） N型半导体 （ N Type semiconductor）
4?4? 4?
5?4? 4?
4?4? 4?
在本征半导体中掺入 5 价元素 的杂质
（砷、磷、锑）就成为 N 型杂质半
导体 。
杂质原子 →能 提供多余电子 →称为 施主杂质
→ 多余电子 →位于 施主能级 （进入导带）成为自由电子
室温
T=300k
电子能量
禁带Eg
导带
价带
施主能级 + ++
N 型杂质半导体的特点：
1, 与本征激发不同,施主原子在提供多余电子的同时并
不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由
移动，不起导电作用。
2,在室温下,多余电子全部被激发为自由电子，故 N 型
半导体中自由电子数目很高 （浓度大）,主要靠电子导电。
称为电子半导体。
3,在 N 型半导体中同样也有本征激发产生的电子空
穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。
+
在 N 型半导体中：
自由电子 → 多数载流子 （多子）。且多数载流子浓度＞＞ n i
空穴 → 少数载流子 （少子）。 少数载流子浓度＜＜ p i+5
返回
（二） P型半导体 （ P type semiconductor）
电子能量
禁带Eg
导带
价带
受主能级 - --
在本征半导体中掺入 3 价元素 （如 B 硼），
就成为 P 型半导体。
3 价杂质原子 → 接受电子 → 负离子 → 受主杂质 （ a c c e p t o r i m p u r i t y ）
→ （受主原子） → 位于受主能级 产生空位 （位于价带）
室温
T = 3 0 0 k
带负电离子与带正电空穴间有吸引力，即空穴是受束缚
的，只能在负离子附近活动。但只要赋予它一定的能量，
它挣脱束缚运动到远离负离子的地方，该空穴就和本征
激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献。
杂质产生 （空位） → 受主能级 在价带中形成空穴 → 晶格中留下负离子
接受
电子
P 型半导体的特点,
1, 与本征激发不同。 受主原子接受电子在
价带中产生一个空穴，但并不在导带中产
生电子，而在晶格中留下一个负离子。负
离子不能自由移动，不起导电作用。
2 在室温下 3 价受主原子产生的空位全部可被激发为价
带中的空穴，故 P 型半导体中空穴数很高，主要靠空穴
导电。称为空穴半导体。
4?4? 4?
3?4? 4?
4?4? 4?
-
3 P 型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对，但由
于复合作用，电子数目很小,空穴的浓度远大于电子浓度 。
P 型半导体,多子 → 空穴 且：多子浓度＞＞ p i
少子 → 电子 少子浓度＜＜ n i
返回
（三） 杂质半导体中的载流子浓度
本征半导体中载流子由本征激发产生,ni=pi
掺杂半导体中（ N or P） → 掺杂越多 → 多子浓度 ↑→ 少子浓度 ↓
杂质半导体载流子由两个过程产生, 杂质电离 → 多子
本征激发 → 少子
由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：
1 热平衡条件,温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。
N型半导体：若以 nn表示电子 （ 多子 ）, pn表示空穴 （ 少子 ）
则有 nn.pn=ni2
P型半导体,pp表示空穴 （ 多子 ）, np表示电子浓度 （ 少子 ）
Pp.np=ni2
2 电中性条件,整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等 。
N型,No表示施主杂质浓度, 则,nn=No+pn
P型,NA表示受主杂质浓度, Pp=NA+np
由于一般总有 No>>pn NA>>np
所以有 N型,nn≈ No 且,pn≈ ni2/ND
P型,pp≈ NA np≈ ni2/NA
多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度 ni2有关,
与温度无关 随温度升高而增加, 是半导体
元件温度漂移的主要原因
多子浓度 少子浓度
返回
1,1, 3 漂移电流与扩散电流
半导体中有两种载流子：电子和空穴, 这两种载流子的定向运动会引起导
电电流 。
引起载流子定向运动的原因有两种：
由于电场而引起的定向运动 ――漂移运动 。 （ 漂移电流 ）
由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动 ――扩散运动（扩散电流）
（一）漂移电流 （ drift current）
在电子浓度为 n,空穴浓度为 p的半导体两端外加电压 V，在电场 E的作
用下,空穴将沿电场方向运动, 电子将沿与电场相反方向运动,
E
V
●
●● ●
●○○ ○ ○○
○○
○
○ ○○○○
○
○ ○○○○
○
○ ○○○
●
●● ●
●●
●● ●
●●
●● ●
●●
●● ●
●空穴的平均漂移速度, v p =u p, E
电子的平均漂移速度, v n = - u n, E
其中 u p 和 u n 为空穴和电子的迁移率
（单位电场强度下载流子的平均漂移速度）
所以 空穴的电流密度,J pt =q,p, v p =u p, q,p, E
电子的电流密度,J nt = - q,n,v n =u n, q,n,E 其中 q 为电子电荷量
总的漂移电流密度, J t =J pt +J nt =( u p, p + u n, n ) qE返回
(二）扩散 电 流 （ diffusion current）
载流子注入
光照的作用
非平衡载流子 → 载流子浓度梯度 → 扩散运动 → 扩散电流
扩散电流是半导体中载流子的 一种特殊运动形式,是 由于载流子的浓
度差而引起 的,扩散运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行,
光
照
N型半导体
x
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
n(x)
p(x)
载流子浓度
热平衡值
热平衡值
x
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
●●
●● ●● ●
○
○
○
○○●●
●
若用
dx
)x(dp
,
dx
)x(dn
表示非平衡空穴和电子的浓度梯度，
则沿 X 方向的扩散电流密度分别为：
J po = -q D p
dx
)x(dp
J no = -( -q ) D n
dx
)x(dn
= qD n
dx
)x(dn
式中 D P 和 D n 为空穴和电子扩散系数 （单位 cm 2 /s ）
上式表示,空穴扩散中电流与 x 方向相同
电子扩散电流与 x 方向相反
（因为
dx
)x(dp
＜ 0,
dx
)x(dn
＜ 0 ）
返回
§ 1.2 PN结原理
1.2,2 空间电荷区特点：
1.2.1 PN结的形成及特点
返回
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
§ 1.2 PN结原理 在一块 N 型半导体 （ o r P type ），用杂质补偿的方法掺
入一定数量的 3 价元素 （ or 5 价元素）将这一部分区域转换
成 P 型 （或 N 型），则在它们的界面处便生成 PN 结。 PN 结
是晶体二极管及其它半导体的基本结构,在集成电路中极其重
要。
E
返回
1.2.1 PN结的形成及特点
一 PN结的动态平衡过程和接触电位
（一） 空间电荷区 ( s p a c e c h a r g e r e g i o n )
在 N 型和 P 型半导体的界面两侧，明显
地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的
扩散运动：
P 型半导体中空穴 → N 区扩散 → 与 N 区中电子复合
P 区留下负离子 → N 区生成正离子
N 型半导体中电子 （多子） → P 区扩散 → 与 P 区空穴复合
N 区留下正离子 → P 区生成负离子 。
N 区――则为正
P 区――则为负
形成 内建电场 E
伴随着扩散和复合运动在 PN 结界面附近形成一个空间电荷区：
内建电场 → 形成少子的漂移运动 N 区中空穴 → P 区
P 区中电子 → N 区
消弱 内建电场 E
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
显然半导体中 多子的扩散运动和少子的
漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：
多子扩散运动 → 空间电荷区 ↑→ 内建电场 E ↑
→ 少子漂移 ↑
结果,多子扩散运动 少子的漂移
扩散电流 漂移电流
热平衡 （ 动态平衡 ）
PN 结中总电流为零 。空间电荷区宽度稳定形成 PN 结 。
返回
1.2,2 空间电荷区特点：
1,空间电荷区宽度决定于杂质浓度
一般杂质浓度越高空间电荷区越薄，空
间电荷区伸向杂质浓度低的一侧。 2,扩散在空间电荷区内形成一定的空间电荷
分布 ρ (x), P 区为负,N 区为正,界面处
为零 。
故在 电荷区内形成一定的电场分布：
E= ? ?
? )x(
dx (? 为介质常数 ) 。
从而在空间电荷区内造成一定的电位差
（ 接触电位差 ） ??? E d x?其中内建电位差,
U ? = U T ln p p /p n = U T ln n n /n p
= U T ln p p n n /n i 2 ? U T ln N D N A /n i 2
其中 U T =K T / q （ 热力学电压 ）
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
ρ 电荷密度
E电场强度
φ 电位
qUФ内建电位
势垒 （ 电子势能 ）
qUФ
P N
常温下 （ T ＝ 300K ） U T = 26m V
Si, U Ф = 0,6 —— 0,8v
G e, U Ф = 0,2 —— 0,3v
3,由于电子是带负电荷的，处于高电势
处的电子具有较低位能，而处于低电势处
电子具有较高位能
所以 N 区电子比 P 区能量低 q U Ф,N 区电子
要到达 P 区,或 P 区空穴要到达 N 区必须克
服势垒 q U Ф, 故势垒阻碍了扩散运动。 故空
间电荷区也称为 势垒区 或 阻挡层 。
4,空间电荷区内只有不能移动的离子，是载流子
不能停留的区域或载流子耗尽的区域，故又称耗
尽层 （ d e p l e t i o n l a y e r ）
返回
1.3晶体二极管及应用
1,3,2 二极管的电阻
1,3,3 二极管的交流小信号等效模型
1,3,4 二极管应用电路
1,3,1晶体二极管的伏安特性 引言
返回
1,3,5 稳压管
1,3,6 PN结电容
1,3,7 PN结的温度特性
1,3,8 二极管主要参数
1.3 晶体二极管及应用
晶体二极管
PN 结
欧姆接触电极，引出线
管壳
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
（一） 单向导电
偏置：在 PN 结两端外接电源电压
正向偏置, P 区接正电源,N 区接负
反向偏置, N 区接正,P 区接负
1.3.1 晶体二极管的伏安特性
返回
1,正向偏置，正向电流
R
U
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Uφ
UiD
Uφ
Uφ -U
正向偏置 → 外电场削弱内电场 → 势垒降低 → 阻挡层变窄 → 破坏 PN 结动态平衡
扩散运动占优势 → 漂移减弱 →扩散电流
Di 较大。
扩散电流的全过程：
电子由电源负极 → N 区 PN 结 → P 区 → P 区空穴复合
→ 电源正极向 P 区提供空穴
扩散
iD
+
+
_
_
返回
NP
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2,反向偏置，反向电流
R
U
U iR
Uφ
UФ UФ+U
iR
反向偏置,外电场与内建电场方向一致 → PN 结势垒提高
（阻挡层变宽） → 漂移占优势 → 扩散减弱 → 漂移电流 i R 很小。
由于 反向漂移电流是少数载流子漂移形成的电流,而少数载流
子浓度很低，故 反向电流远小于正向电流,即 i D >>| i R |
+
+
_
_
返回
Si
（ 二） 伏安特性
二极管的电流与端电压之间的关系或曲线
1,二极管的理想伏安特性方程：
i D =I s { e xp （ u D / U T ）－ 1}
式中,u D 二极管端电压,U T ＝ K T / q,（ 当 T ＝ 300K 时 U T ＝ 26 mv ），
I S 为饱和电流，与少数载流子浓度有关。
Ge
1.0
iD
uD
a, 正偏 ( u D >0 的区域是正向工作区 ),
当 u D ＞ 4 U T 时,e x p （ u D / U T ） > > 1,
i D ≈ I s e x p （ u D / U T ） 正偏伏安特性方程
正向电流与正向偏压按指数规律增大。 二极管正向开启（或门 限）电压,
S i, U ON = 0,5 —— 0,6V
G e,U ON = 0,1 —— 0,2V
●
UON
●
UON
返回
一般,S i, I s 在 10 － 9 —— 10 － 15 A 量级
G e, I s 在 uA 量级
Si
（ 二） 伏安特性
1,二极管的理想伏安特性方程：
i D =I s {ex p （ u D / U T ）－ 1}
式中,u D 二极管端电压,U T ＝ K T / q,（ 当 T ＝ 3 0 0 K 时 U T ＝ 26 mv ），
I S 为饱和电流，与少数载流子浓度有关。
iR=-Is
Ge
Si
Ge
U(BR) U(BR)
1.0
iD
uD
b, 反偏 ( U ( B R ) < U D < 0,反向工作区 ),
当 u D ＜＜ - 4 U T 时,e x p ( u D / U T ) ＜＜ 1
i D ＝ i R ≈ -I s
反向电流不随反向偏压而变化
工作在反向区的二级管：
相当于截至、高阻抗元件 返回
一般,
S i, U ( B R ) = 几十 —— 几百 ( V )
G e, U ( B R ) = 十几 —— 几十 ( V )
Si
（ 二） 伏安特性
1,二极管的理想伏安特性方程：
iR=-IsSi
Ge
Ge
U(BR) U(BR)
1.0
iD
uD
c,U D > | U ( B R ) | 击穿区,
Si 管反向击穿电压比 Ge 管高
二极管击穿后端电压几乎
不变，具有稳压特性。
i D =I s {ex p （ u D / U T ）－ 1}
式中,u D 二极管端电压,U T ＝ K T / q,（ 当 T ＝ 3 0 0 K 时 U T ＝ 26 mv ），
I S 为饱和电流，与少数载流子浓度有关。
返回
ID
① 直流电阻
Q●
UD
iD
uD
定义,R D ＝直流偏压／直流电流＝ U D ／ I D
静态工作点（直流工作点） Q,（ U D, I D ）
② 交流电阻 （动态电阻）
定义,
r d = (d i D /d u D ) Q - 1 =2 u D / 2 i D
≈
D
T
T
d
s
D I
U
U
uI
du
d ?
?
?
?
?
?
? ? 1
))e x p ((
( 因为 I D ≈ I s e x p u D / U T )
可见二极管的动态电阻可以用静态电流来计算。
且有 I D ↑→ r d ↓
一般,正偏时：几 ? — 几十 ?
反偏时：几百 K? — 几兆 ?
uD
（忽略 R上的电压）
1,3,2 二极管的电阻
返回
rd CJ
① 实际电路：
u D, 信号源电压
U D,直流偏置电源
R,限流电阻 （偏置电阻）
D,二极管
② 交流小信号电路模型
在直流工作点确定后，小信号作用下，
二极管的交流小信号模型可以等效为：
交流电阻 r d
结电容 C J ＝ C T + C D （具有高频旁路作用）
Si
1.0
iD
uD
●
●
在低频工作时,CJ可忽略。
电路仿真
1,3,3 二极管的交流小信号等效模型
返回
ui
ui
1.3.4 二极管应用电路
1 整流电路
ui<0，二级管截止,iD=0,uo=0
+
uo
-
iDui>0，二级管导通，, uo=ui0i
D ?
电路仿真
2二极管限幅电路
右图为双向的限幅电路
如果设：二极管的开启电压 UON = 0.7V
则有,|ui|<UON 时,D1和 D2都截止，
回路中的电流 iD=0,uo=ui 。
iD
如果,ui> UON, D1导通 D2截止，
回路中的电流,利用二极管正向稳
压特性,uo= UON 。
如果,ui<- UON, D1截止 D2导通，
回路中的电流,uo= -UON 。
uD
iD
UON
电路仿真
+
uo
-
返回
ui
1.3.4二极管应用电路
3 二极管钳位电路
钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，
下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。
uc=2.5V u
o
设输入信号 ui为幅度 +2.5V的方波信号，
ui
2.5V
-2.5V
当 ui<0时,D导通，回路中的电流 iD
对电容 C充电，由于 rd 较小，充电时
间常数 =C rd很小，充电迅速，使,
uc=ui=2.5V,uo=ui – uc= ui–2.5V=0
而当 ui>0时,D截止,iD=0,回路无
法放电，使电容 C的电压保持
uc=ui=2.5V,而输出电压：
uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5V
Vo5V
电路仿真
返回
PN 结击穿后，反向电流急剧增加，但端电压几
乎不变，表明击穿后的 PN 结具有稳压功能，在安全
限流条件下，利用二极管的击穿特性制作稳压管。
IZ min
IZ m a x
●
UZ
IZ
Δ UZ１ 稳压管的伏安特性 正向区：相当普通二极管
反向区：高阻抗器件
反向击穿区：稳压元件
稳定电压 U Z
I Z m in 最小允许电流
I Z m a x 最大允许电流
1,3,5 稳压管 返回
Ui UZ UD
IZ min
IZ m a x
●
UZ
IZ
Δ UZ2 应用电路
U i,输入电压,U D,稳定输出电压
R,限流保护电阻,R L,等效负载
3 限流电阻值 R 的确定
R 必须满足下列关系：
（ 1 ） 当 U i m a x,I Z m a x （即 R L m a x ）时,
要求 I Z <I Zm ax,
即 （ U i m a x - U Z ）／ R － U Z /R L m a x < I Z m a x
得 R >
ZZL
Zi
UIR
UU
?
?
m a xm a x
m a x R L m a x
2 ) 当 U i m i n 和 I Z m i n ( 即 R L m i n ) 时,
要求 I Z > I Z m i n
即, R UU Zi ?m i n -
m inL
Z
R
U > I Z m i n
得,R<
ZZL
Zi
UIR
UU
?
?
m i nm i n
m i n R L m i n
电路仿真
返回
4,稳压管动态阻抗
IZ min
IZ m a x
●
UZ
IZ
Δ UZ
定义,r Z =
QZ
Z
dI
dU
???
?
???
? =
?tg
1
Q
（击穿曲线斜率的倒数）
rz
I z
通常击穿曲线越陡，内阻 r z 越小，
稳压性能越好,
5,稳压管电路模型：
UZ
UZ
返回
6,击穿现象
击穿现象有两类不同机理：
齐纳击穿：高掺杂浓度 PN 结→势垒区薄 空间电荷区内电场大
→大量价电子脱离共价键束缚→产生大量载流子→击穿。
（场致电离而产生的击穿现象）
反偏电压 > 5V
雪崩击穿：掺杂浓度小→势垒区厚 小数载流子动能↑
→撞击价电子→产生大量电子空穴对→雪崩反映→反向电流↑→击穿
（碰撞电离而产生的击穿现象）
反偏电压＞ 6V
返回
1,3,6 PN结电容
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
R
U
U
+
+
_
_
iR
PN 结具有电容效应
一般 点接 触 型 PN 结，结电容小，使用于高频
面接触型，结电容大，用于低频
C J ＝ C T ＋ C D 即：结电容＝势垒电容＋扩散电容
１ 势垒电容 ( B a r r i e r C a p a c i t a n c e )
PN 结空间电荷区随反向电压的变化而产生的电容效应。
PN 结反偏→ Δ U ↑→空间电荷区↑→ Δ Q
Uφ +Δ Q-Δ Q
+Δ U
（ 1 ） 定义：
C T = d Q / d U ? Δ Q/ Δ U
相当于一个平等板电容器
（ 2 ） 变容＝极管特性：
利用 PN 结的势垒电容效应
可制造变容二极管。
变容管电容与反偏电压的关系,
nD
T
T
)Uu-(1
)0(C=C
?
式中,C T （ 0 ） 是 u D =0 时的势垒电容,
U φ 为接触电位差 ( si, 0, 7 V,G e, 0, 3 V )
C
· CT
UD uD n= 1 ／ 2 突变结变容管
n = 1 ／ 3 缓变结
n= 1 ／ 2 － 6 超突变结
变容管模型：
其中,r T 为 P 型和 N 型半导体的体电阻
rT CT
返回
载流子浓度
当正偏↑ Δ U →扩散↑↑→ N → P → Δ Q n
P → N → Δ Q p
。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
2 扩散电容 C D （ D i f fu s i o n C a p a c i t a n c e ）
PN 结正向偏压时载流子在扩散过程中的电荷积累引起的电容效应。
当 PN 结正偏 （ V ）→扩散↑
→ N → P 非平衡少数载流子 （电子）
P → N 非平衡少数载流子 （空穴）
ΔQpΔQn
...
...,.......,
..P N
U+Δ U
⊕⊕
⊕⊕
⊕⊕-
---
-- 。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
。
。
。
。
。
。
。
。。。 。。 。
。 。
。
一般 C D 可表示为：
C D =
TU
? （ I
D +I S )
式中,? 非为平衡少数载流子的平均寿命，
I D 为正向电流所以, 正偏时, I D > > I S
所以 C D ≈
TU
?
I D
反偏时, I D ≈－ I S, C D ≈ 0,
3 C T 与 C D 比较一般有,C J ＝ C T ＋ C D
C T C D
（ 1 ）空间电荷区内电荷的变化（势垒） 空间电荷区外（扩散）
（ 2 ）在反偏条件下 C J ≈ C T 在正偏条件下 C J ≈ C D
返回
1,3,7 PN结的温度特性：
PN 结的特性和参数随温度的变化而漂移。
1, PN 结正向电压的温度系数
ID
T2>T1
T2 T1
UD1 UD2
iD
uD
定义,α u D = T
u D
?
?
i D= 常数
＝
T
u D
?
? i
D= 常数 =
12
1D2D
TT
UU
?
? <0
2,I S 随 T 按指数规律变化：
I s (T) ≈ I s (T 0 ) × 2
TT 0
2
?
式中,T 0 = 3 0 0 K,I s (T 0 ) 是 T 0 = 3 0 0 K 时的反向饱合电流
一般 T 变化 10 0 C → I s 变化一倍→但 Si 的 I s 比 Ge 的小。
返回
1,3,8 二极管主要参数
1,最大整流电流 I F,
允许最大正向平均电流。 （其大小与面积、散热有关）
2,最大反向工作电压 U R,
二极管上允许的最大反向电压
U R ＜ U （ BR ）
3,反向电流 I R,击穿前的反向电流,I R ≈ I S
4, 最高工作频率 f m, 最高允许工作频率
f m 与 C J ＝ C T ＋ C D 有关
C J 对 PN 结的旁路作用，使单向导电性能变坏。
uD
iD
返回
继续
