2.1 半导体的基本知识
2.2 PN结的形成及特性
2.3 半导体二极管
2.4 二极管基本电路及其分析方法
2.5 特殊二极管
第二章 半导体二极管及其基本电路
教学内容：
本章首先简单介绍半导体的基本知识，着
重讨论半导体器件的核心环节 --PN结，并重点
讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特
性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分
析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变
容二极管和光电子器件的特性于应用也给予了
简要的介绍。
教学要求：
本章需要重点掌握二极管模型及其电
路分析，特别要注意器件模型的使用范围
和条件。对于半导体器件，主要着眼于在
电路中的使用，关于器件内部的物理过程
只要求有一定的了解。
2.1 半导体的基本知识
?半导体器件具有的优点：
体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率
小和功率转换效率高。
半导体材料包括本征半导体和杂质半导体。
本征半导体导电率低，热激发条件下仅有少数
电子获得足够能量形成电子空穴对。杂质半导
体是半导体器件的基本材料,N 型半导体电
子为多子,P 型半导体空穴为多子。半导体
的两种导电机理是其电场作用下的漂移运动
和载流子浓度差作用下的扩散运动。半导体
导电性能与半导体的掺杂浓度和温度有关，
掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。
2.2 PN节的形成及特性
1.PN的形成：
PN结是半导体器件的基本结构单元，是由
载流子的扩散运动和漂移运动动态平衡形成的。
2.PN界的特性：其基本特性是单向导电性。
a.外加正压：削弱内电场，耗尽层变窄，
扩散 >漂移，电流大。
b.外加反压：增强内电场，耗尽层变宽，
扩散 <漂移，电流 ?0。
? PN结的 伏安 特性：
其中,?s为反向饱和电流； VT=kT/q为热电压；
T = 300K 时,VT? 26mV。
a,V>0，且 V >> VT 时,?=?s[exp(V/VT)]
伏安特性呈非线性指数规律；
b,V<0,且 ?V?<<VT 时,? ? -?s ? 0，
电流基本与 V无关。
可见,PN结确实表现为单向导电性。 (见例题 )
]1)[ e x p ( ????
T
D
S V
V
?PN结的 反相击穿 特性,
当 PN结反向电压增大
到一定值时，反向电流
随电压的增加而急剧增
大。产生 PN结电击穿的
原因：在强电场作用下，
大大增加了自由电子和
空穴的数目，从而引起了反向电流的急剧增
加这种现象的产生可以分为雪崩击 (Avalanche
Multiplication)和齐纳击穿 (Zener Breakdown)。
VBR
vD
iD
0
a,雪崩击穿：当反向电压增大到某一数值后，载流子
的倍增情况就下就像在陡峻的积雪山坡
上发生雪崩一样，载流子增加的多而且
快，使反向电流急剧增大，于是 PN 结
就发生雪崩击穿。
b.齐纳击穿：在加有较高的反向电压下,PN 结空间
电荷区中存在一个强电场，它能够破坏
共价键将束缚电子分离出来造成电子 —
空穴对，形成较大的反向电流。
?PN结的 温度 特性：
温度升高时,PN结的反向电流增大，正
向导通电压减小。
?PN结的 电容 特性：
PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。
PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏
置时，以势垒电容为主。
2.3 半导体二极管
2.3.1半导体二极管的结构
半导管二极管是由 PN
结加电极引线及外壳封装
构成的基本半导体器件；
其按结构的不同可分为点
接触型和面接触型两类。
阳极 a
p
N
P型支持衬底
阴极引线阳极引线
阴极 b
2.3.2 二极管的 V-?特性
1.正向特性, 电流的正极与二极管的正极相接,电
流的负极与二极管的负极相接 ;
a.形成电流靠多子与少子
b.看 P-N结的厚薄 (由两个区
的多子在电场力作用下形成 )
2.反向特性 (导电性能差 ):温
度升高时,由于少数载流子增
加,反向电流将随之急剧增加
a.形成电流靠载流子的少子
(两个区中的少子 )
b.P-N结的空间电荷呈增加趋势
-60 -60 -60
0.2 0.4 0.6
-10
-20
-30
-40
5
10
15
20
25
0
②
①
③
iD/μA
iD/mA
VD/V
3.反向击穿 特性
当增加反向电压时，因在一定温度条件下,
少数载流子数目有限,故起始一段反向电流没
有多大变化,当反向电压增加到一定大小时,反
向电流剧增,这叫做二极管的反向击穿。
2.3.3 二极管的参数
1.最大整流电流 ?F:是指管子长期运行时，允
许通过的最大正向平均电流。
2.反向击穿电压 VBR:指管子反向击穿时的电
压值。
3.反向电流 ?R:指管子未被击穿时的反向电
流，其值越小，则管子的单向导电性越好。
4.极间电容,
a.势垒电容 CB是用来描述势垒取得空间电
荷随电压变化而产生的电容效应的。
b.扩散电容 CD它反映了在外加电压作用下
载流子在扩散过程中的积累的情况。
2.4 二极管基本电路及其分析方法
2.4.1二极管正向 V-?特性的建模
1.理想模型
在正向偏置时，其管压降
为 0V; 而在反向偏置时，认
为电阻无穷大。
iD
VD
iD
vD
2.恒压降模型
二极管导通后,其管
压降认为是恒定的,且不
随电流而变化,典型值是
0.7V。不过，这只有当
二极管的电流 iD近似等于
或大于 1mA时才是正确的。
Di
v D
i D
V D
3.折线模型
二极管的管压降不
是恒定的，而是随着通
过二极管电流的增加而
增加。 Vth约为 0.5V,
其中,Vth和 rD的值不是
固定不变的。 (见例题 )
???? 2001 5.07.0 mAr D
Di
vD
iD
VD
rDthv
4,小信号模型
mA
mVV
g
r
Vdv
v
v
d
dv
di
g
v
v
i
i
v
r
DD
T
d
D
T
D
D
T
D
S
D
D
d
T
D
SD
D
D
D
?
?
?
??
?
?
??
??
???
?
?
?
261
]1)[ e x p(
];1)[ e x p(;
Di
i D
V D
? V d
? i d
Q
Δv
D D
r
2.4.2 模型分析法
1.限幅电路
在电子技术中，常用限幅电路对各种信号
进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围
内，有选择地传输一部分。 （见例题）
2.开关电路
在开关电路中，利用二极管的单向导电性
以接通或断开电路。在分析这种电路时，应掌
握一条基本原则，即判断电路中二极管处于导
通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，
然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向
电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，
否则二极管截止。 （见例题）
3.低电压稳压电路
稳压电源是电子电路中常见的组成部分。
利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构
成低电压稳压电路。 （见例题）
2.5 特殊二极管
1,齐纳二极管 ----稳压管
2,变容二极管
3,光电子器件 a.光电二极管
b.发光二极管
c.激光二极管
例,设简单二极管基本电路如图 (a)所示，
R=10k??,图 (b)是它的习惯画法。对于下列两
种情况，求电路的 ?D和 VD的值,(1)VDD=10V;
(2)VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型恒压
降模型和折线模型求解。
D
V
Di R
DD
v D
R D Dv
i D
解, (1)VDD=10V
a.使用理想模型得
b.使用恒压降模型得
c.使用折线模型得
mAkVRVVV DDDD 11010,0 ??????
VkmAVrVV
mA
kk
VV
r
R
VV
DDD
D
thDD
D
69.02.0931.05.05.0
931.0
2.010
5.010
????????
?
???
?
??
?
??
VkmAVrVV
mA
kk
VV
r
R
VV
DDD
D
thDD
D
69.02.0931.05.05.0
931.0
2.010
5.010
????????
?
???
?
??
?
??
(2)VDD=1V
a.使用理想模型
b.使用恒压降模型
c.使用折线模型
mAkVRVVV DDDD 1.010 1,0 ??????
mAk VVR VVVV DDDD 03.010 7.017.0,7.0 ????????
,51.0,0 4 9.0 VVmA DD ???
例,如图所示是一个简单的并联稳压电路。
R为限流电阻，求 R 上的电压值 VR和电流值 ?。
1k
V z
+
_
zD V o
+
_
7V 5V
解：假定输入电压在（ 7--10V）内变化。
mA
R
VVVV R
2
1
257
25702
??
?
??
?????
,102 VV ?
mA
R
VVVV R
5
1
5510
551002
??
?
??
?????
例：一二极管开关电路如图所示。当 V?1和 V?2
为 0V或 5V时，求 V?1和 V?2的值不同组合情况下，
输出电压 ?0的值。设二极管是理想的。
D1
D2
VI1
VI2
4.7K
VCC5V
D1
D2
4.7K
15V
VCC
VI1
+
- VI2
+
-
解,(1)当 V?1=0V,V?2=5V时,D1为正向偏置，
V0=0V,此时 D2的阴极电位为 5V，阳极为 0V，
处于反向偏置，故 D2截止。
(2)以此类推，将 V?1和 V?2 的其余三种组合及
输出电压列于下表：
V?1 V?2 D1 D2 V0
0V 0V 导通 导通 0V
0V 5V 导通 截止 0V
5V 0V 截止 导通 0V
5V 5V 截止 截止 5V
例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流
电源电压 V?的正常值为 10V,R=10k?,当 V?变
化 ± 1V时，问相应的硅二极管电压 (输出电压 )
的变化如何？
R
DDv
V o
V I
V I
R
Dv D
V I
i =I + Δ i
v = V + Δ v
D D D
D D D
R
r D
v D
V I
ΔI D
由上表可见，在输入电压 V?1和 V?2中，只
要有一个为 0V，则输出为 0V;只有当两输入
电压均为 5V时，输出才为 5V，这种关系在数
字电路中称为, 与, 逻辑。
?注意：即判断电路中的二极管处于导
通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，
然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向
电压，若是前者则二极管导通，否则二极管
截止。
解,(1)当 V?的正常值为 10V时，利用二极管
恒压降模型有 VD≈0.7V, 由此可得二极管点
上的电流为
此电流值可证实二极管的管压降为 0.7V的
假设。
(2)在此 Q点上，
mAk VVD 93.010 7.010 ?????
????? 2893.0 26 mAmVVr
D
T
d
(3)按题意,V?有 ± 1V的波动，它可视为峰 -
峰值为 2V的交流信号，该信号作用于由 R和 rd组
成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电
压可按分压比来计算，即
Vd(峰 -峰值 )
由此可知，二极管电压 Vd的变化为 ± 2.79mv。
mVVrR rV
d
d 58.5
281010
2822
3 ????????
例：（东南大学 1998年研究生入学试题）如右
图所示为一稳压电路，已知稳压管的 ?zmax=20mA,
?zmin= 5mA,rz =10?,Vz =6V,负载电阻的最大
值 RLmAX=10K?。
（ 1）确定 R;
（ 2）确定最小允许的 RL值 ;
（ 3）若 RL=1k?,当 V?增加 1V
时，求 ?V0值。
10V
V I
R
R L oV
解, 运用稳压管反向击穿特性，若负载电阻
增大，则 V0增大，通过调整 ?z大 小使 V0稳定在
一定的范围内。等效电路如图所示。
(1)当 RL=RLmax时,?z=?zmax
根据电路基本定理，有
101066
m a x
m a x
m a xm a x ?
??????? R
R
rr
L
zz
zzz
R
R Z
10 R L
6V
V Z
+
--
+
V o
10V
??? 232R
将 R = 232? 和 ?zmin= 5mA代入，
可解得 ?0 =12mA。
所以最小允许的 RL的值为：
(2) 当 RL最小时，
m i n
m i n
0
m i n0m i n
106
10
106,
z
z
L
zzz
R
V
??
??
?????
??????
??
?
? 504
0
0VR
L
VV
RrR
RrV
Lz
Lz 04.0
)||(
||
0 ????? ?
,1)3( ?? kR L
例,(湖南大学 1997年研究生入学试题 )如
图为两个参数相同的 锗 二极管在室温时,反向
饱和电流为 5?A,VT = kT/g =26mv,反向击
穿电压为 9.8V,求电路中的电流 ? 和各管所
消耗的功率。
D1 D2
10VI
PD1 = ?VD1 = 11?0.2 = 2.2mW
PD2 = ?VD2 = 11?9.8 = 107.8mW
解,D2反向击穿电压为 9.8V,
D1正向压降为,10-9.8=0.2V
]1)[ e x p (1 ??????
T
D
SD V
V
mA11]1)
26
1 0 0 02.0
[ e x p (001.05 ??
?
???
讨论：
本题要求掌握二极管 (PN结 )的单向导电
性和伏安特性方程。
