2 半导体二极管及其基本电路
2.1 半导体的基本知识
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
2.2 PN结的形成及特性
2
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与应用也给予了简要的介绍。
3
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。
4
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 半导体材料
2.1.2 半导体的共价键结构
2.1.3 本征半导体
2.1.4 杂质半导体半导体,导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等。
导电的重要特点
1、其能力容易受环境因素影响
（ 温度,光照等）
2、掺杂可以显著提高导电能力
5
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4
2.1.2 半导体的共价键结构原子结构简化模型
— 完全纯净、结构完整的半导体晶体。2.1.3 本征半导体在 T=0K和无外界激发时，没有 载流子,不导电两个价电子的共价键正离子核
6
2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
温度? 光照自由电子空穴 本征激发空穴
—— 共价键中的空位空穴的移动 —— 空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。
由热激发或光照而产生自由电子和空穴对 。
温度载流子 浓度?
＋
7
*半导体导电特点 1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度 ↑→载流子 浓度 ↑→导电能力 ↑
2.1.4 杂质半导体
N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）
P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）
自由电子 ＝ 多子空穴 ＝ 少子空穴 ＝ 多子自由电子 ＝ 少子 由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷
9
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
本征硅的原子浓度,4.96× 1022/cm33
以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3 。
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度,
n=5× 1016/cm3
杂 质对半导体导电性的影响
10
本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴
N型半导体、施主杂质 (5价 )
P型半导体、受主杂质 (3价 )
多数载流子、少数载流子
杂质半导体复合
*半导体导电特点 1：
其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度 ↑→载流子浓度 ↑→导电能力 ↑
*半导体导电特点 2：掺杂可以显著提高导电能力
11
2.2 PN结的形成及特性
2.2.1 PN结的形成
2.2.2 PN结的单向导电性 *
2.2.3 PN结的反向击穿
2.2.4 PN结的电容效应
12
2.2.1 PN结的形成
1,浓度差?多子的 扩散 运动
2,扩散?空间电荷区?内电场
3,内电场?少子的 漂移 运动
阻止 多子的 扩散
4、扩散与漂移达到 动态平衡载流子的运动：
扩散 运动 —— 浓度差产生的载流子移动漂移 运动 —— 在电场作用下，载流子的移动
P区 N区扩散：空穴 电子漂移：电子 空穴形成过程可分成 4步 (动画 )
P 型 N 型内电场
13
PN结形成的物理过程：因浓度差
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散最后,多子的 扩散 和少子的 漂移 达到 动态平衡 。
多子的扩散运动?杂质离子形成空间电荷区
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 。
扩散 > 漂移否是宽
14
2.2.2 PN结的单向导电性只有在外加电压时才 … 扩散与漂移的动态平衡将 …
定义,加 正向电压,简称 正偏 加 反向电压,简称 反偏
扩散 > 漂移
大的正向扩散电流（多子）
低电阻? 正向导通
漂移 > 扩散
很小的反向漂移电流（少子）
高电阻? 反向截止
15
2.2.2 PN结的单向导电性
PN结特性描述
2,PN结方程
i
D
/ mA
1,0
0,5
– 0,5– 1,0 0,50 1,0?
D
/V
PN结的伏安特性
i
D
= – I
S
陡峭?电阻小正向导通
1,PN结的伏安特性特性平坦?反向截止 一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性其中
)1( /SD D TVveIi
IS —— 反向饱和电流
VT —— 温度的电压当量且在常温下（ T=300K）
V026.0 qkTV T
mV 26?
近似估算正向：
TVveIi /SD D?
反向：
SD Ii
16
2.2.3 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。
i
D
O
V
BR
D
热击穿 —— 不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿 —— 可逆
17
2.2.4 PN结的电容效应
(1) 势垒电容 CB
势垒电容示意图扩散电容示意图
(2) 扩散电容 CD
18
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构
2.3.2 二极管的伏安特性
2.3.3 二极管的参数阴极 k
阳极 a
PN结 加上引线和封装? 二极管按结构分类点接触型面接触型平面型
19
半导体二极管图片阴极引线阳极引线
P
N
P 型支持衬底点接触型面接触型平面型
20
半导体二极管图片
21
22
23
2.3.2 二极管的伏安特性
3,PN结方程（近似） )1( /
SD D TVveIi
0?
D
/ V0,2 0,4 0,6 0,8? 10? 20? 3 0
4 0
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
死区
V
thV
BR
硅二极管 2CP10的 V-I 特性
0
D
/ V0,2 0,4 0,6
2 0? 4 0? 60
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
②
①
③
V
th
V
BR
锗二极管 2AP15的 V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性
Vth = 0.5V（ 硅）
Vth = 0.1V（ 锗）注意
1,死区电压（门坎电压）
2,反向饱和电流 硅,0.1?A； 锗,10?A
24
2.3.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流 IF
(2) 反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压 VRM
(3) 反向电流 IR
(4) 正向压降 VF
(5) 极间电容 CB
0?
D
/ V0,2 0,4 0,6 0,8? 10? 20? 3 0
4 0
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
死区
V
thV
BR
硅二极管 2CP10的 V-I 特性
25
2.4 二极管基本电路及其分析方法
2.4.1 二极管 V- I 特性的建模
2.4.2 模型分析法应用举例
4、应用电路分析举例
2、二极管状态判断
1、二极管电路的分析概述
3、等效电路（模型）分析法讲课思路：
26
1、二极管电路的分析概述 应用电路举例 D
v O
R
i D
v I
+
i D
v O
R
v I
+
v O
+
D
V REF?
+
R
v i
例 2.4.2（习题 2.4.12）习题 2.4.5
整流 限幅习题 2.4.6
初步分析 —— 依据二极管的单向导电性
D导通,vO = vI - vD
D截止,vO = 0
D导通,vO = vD
D截止,vO = vI
左图 中图显然,vO 与 vI 的关系由 D的状态 决定而且,D处于反向截止时最简单！
27
分析思路
分析任务：求 vD,iD
目的 1,确定电路功能，即信号 vI传递到 vO,有何变化？
目的 2,判断二极管 D是否安全。
首先，判断 D的状态？
若 D反向截止，则相当于开路（ iD?0,ROFF? ∞ ）；
若 D正向导通，则？
正向导通分析方法：
图解法
等效电路（模型）法 —— 将非线性? 线性
先静态（直流），后动态（交流）
静态,vI =0（ 正弦波过 0点）
动态,vI?0
1、二极管电路的分析概述
28
2、二极管状态判断例 1,2CP1（ 硅）,IF=16mA，
VBR=40V。 求 VD,ID。
+
I D
V D
R =10 k?
V I
+
10V
+
I D
V D
R =10 k?
V I
+
10V
+
I D
V D
R =1k?
V I
+
20V
+
I D
V D
R =10 k?
V I
+
100V
(a) (b) (c) (d)
正偏 正偏 反偏 反偏
iD > IF？
D反向截止
ID = 0
VD = -10V
D反向击穿
iD =？
vD =？
二极管状态判断方法假设 D截止 (开路 )，
求 D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿
VD = - VBR= -40V
VD > 0V D正向导通？
-VBR < VD? 0V D反向截止,ID = 0
VD? - VBR D反向击穿,VD = - VBR
D正向导通？ D正向导通！
29
习题 2.4.4 试判断图题 2.4.4中二极管导通还是截止，
为什么?
图题 2.4.4(a)
例 2,
习题 2.4.3 电路如下图所示，
判断 D的状态
2、二极管状态判断
D
3k
( a )
V
V
A
O
30
3、等效电路（模型）分析法
（ 2.4.1 二极管 V- I 特性的建模 ）
(1) 理想模型 (3) 折线模型(2) 恒压降模型
VD = 0.7V（ 硅）
VD = 0.2V（ 锗）
Vth = 0.5V（ 硅）
Vth = 0.1V（ 锗）
31
3、等效电路（模型）分析法
(4) 小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为,
D
D
d i
vr
微变电阻根据 得 Q点处的微变电导)1( /
SD D TVveIi
Q
Vv
T
Q
Te
V
I
dv
di
r
/S
D
D
d
D1
T
Q
T
Q
Vv
T V
I
V
ie
V
I T DD/S )1( D
)mA(
)mV(26
DD
d II
Vr T 常温下（ T=300K）
32
4、应用电路分析举例例 2.4.1 求 VD,ID。
（ R=10k?）（ a） VDD=10V 时
（ b） VDD=1V 时
+
D
iD
V DD
+
D
iD
V DD
V D
+
D
iD
V DD
rD
V th
VDD
mA 1/DDD RVIV 0D?V理想模型
mA 93.0/)( DDDD RVVI
恒压模型 V 7.0
D?V
折线模型 V 5.0
th?V
k 2.0Dr
mA 9 3 1.0
D
thDD
D
rR
VVI
V 69.0DDthD rIVV
V 0D?V理想模型恒压模型 V 7.0
D?V
mA 1.0/DDD RVI
mA 03.0/)( DDDD RVVI
mA 049.0
D
thDD
D
rR
VVI V 51.0DDthD rIVV
折线模型 V 5.0
th?V k 2.0Dr
33
二极管应用举例
ui
uo
O
O
t
t
(b)
2
2?
D
ui uoRL
(a)
+ +
- -
（ 1） 二极管整流电路
34
（ 2）二极管限幅电路
t
+
R
D
E
2 V
ui uo
+
+
(a)
0
5
ui / V
5
2? 3?
)(b
t0
2.7
uo / V
5
2? 3?
2.7
35
D1 钳位 作用 D2隔离 作用
(3) 开关电路
D
3.4 V
0.3 V
1
D2
3.9 k
-12V
A
B
Y
36
例 2.4.3 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
5V
VCC
VI1
+
- VI2
+
-
0
0
37
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
38
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。
39
（ 4） 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。
40
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
41
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
42
(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
43
4、应用电路分析举例例 2.4.4 求?vD,?iD。
VI = 10V,vi = 1Vsin?t
i D
D
+
D
+
V I
R =1 0 k?
v i
解题步骤,
(1) 静态分析 (令 vi=0）
R =10k?
V I
+
10V
I D
+
V D
由恒压降模型得
VD?0.7V; ID?0.93mA
(2) 动态分析 (令 VI=0）
由小信号模型得
i D
D
+
r d
+
i
R
28)mA(93.0 )mV(26)mA( )mV(26
DD
d II
Vr T
mAkrR vi i 1.02810 1V
d
D
2,8 m VdDD riv
44
分析方法小结
2.4 二极管基本电路及其分析方法假设 D截止（开路）
求 D两端开路电压
VD? 0.7V D正向导通
- VBR < VD? 0.7V D反向截止 ID = 0 (开路 )
VD? - VBR D反向击穿 VD = - VBR (恒压 )
VD = 0.7V (恒压降 )
状态 等效电路条件将不同状态的等效电路（模型）
代入原电路中，分析 vI和 vO 的关系画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求?vD（ 波动） 小信号模型和叠加原理恒压降模型
45
2.5 特殊二极管
2.5.1 稳压二极管（齐纳）
2.5.2 变容二极管
2.5.3 光电子器件
1,光电二极管
2,发光二极管
3,激光二极管
a? + k
a k
a k
a
k
反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。
请自学！
46
2.5.1 稳压二极管
1,符号及稳压特性
(a)符号
(b) 伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。
47
(1) 稳定电压 VZ
(2) 动态电阻 rZ
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。
rZ =?VZ /?IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
(5)稳定电压温度系数 ——?VZ
2,稳压二极管主要参数
2.5.1 稳压二极管
48
2.5.1 稳压二极管
3,稳压电路
+
R
-
I
R
+
-
R
L
I
O
V
OV I
I
Z
D
Z
正常稳压时 VO =VZ
# 稳压条件是什么？
IZmin ≤ IZ ≤ IZmax
# 不加 R可以吗？
oRzoRoL VIIVIIR
自动调整过程：
49
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
R
50
解：假定输入电压在（ 7--10V）内变化。
1k
V z
+
_
zD V o
+
_
7V 5V
R
VVVV ozR 257
mAR 21257
VV z 10?
VVVV ozR 5510
mAR 515510
51
习题与预习习题
2.4.1
2.4.3
2.5.4
预习
3.1 半导体 BJT
52
一、判断下列说法是否正确，用,√”和
,×,表示判断结果填入空内。
（ 1）在 N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为 P型半导体。（ ）
（ 2）因为 N型半导体的多子是自由电子，
所以它带负电。（ ）
（ 3） PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）
自 测 题解,（ 1） √ （ 2） × （ 3） √
53
TUUI eS )1e(S －TUUI
1） PN结加正向电压时，空间电荷区将 。
A,变窄 B,基本不变 C,变宽
2）设二极管的端电压为 U，则二极管的电流方程是 。
A,ISeU B,C,
3）稳压管的稳压区是其工作在 状态。
A,正向导通 B.反向截止 C.反向击穿解,（ 1） A （ 2） C （ 3） C
二、选择正确答案填入空内。
54
三、写出图 T1.3所示各电路的输出电压值，
设二极管导通电压 UD＝ 0.7V。
解,UO1≈1.3V,UO2＝ 0,UO3≈－ 1.3V，
UO4≈2V,UO5≈1.3V,UO6≈－ 2V。
图 T1.3
55
四、已知稳压管的稳压值 UZ＝ 6V，稳定电流的最小值 IZmin＝ 5mA。求图 T1.4所示电路中 UO1和 UO2各为多少伏。
解,UO1＝ 6V,UO2＝ 5V。
图 T1.4
56
1.1 选择合适答案填入空内。
（ 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,减小习 题解,（ 1） A,C （ 2） A
57
1.2 能否将 1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？
解,不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为 1.5V时，
管子会因电流过大而烧坏。
58
1.7 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为
6V和 8V，正向导通电压为 0.7V。试问：
（ 1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？
（ 2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？
解,（ 1）两只稳压管串联时可得 1.4V,6.7V、
8.7V和 14V等四种稳压值。
（ 2）两只稳压管并联时可得 0.7V和 6V等两种稳压值。
59
1.8 已知稳压管的稳定电压 UZ＝ 6V，稳定电流的最小值 IZmin＝ 5mA，最大功耗 PZM＝
150mW。试求图 P1.8所示电路中电阻 R的取值范围。
图 P1.8
解,稳压管的最大稳定电流
IZM＝ PZM/UZ＝ 25mA
电阻 R的电流为 IZM～ IZmin
，所以其取值范围为
k8.136.0
Z
ZI ～
I
UUR
60
1.9 已知图 P1.9所示电路中稳压管的稳定电压 UZ＝
6V，最小稳定电流 IZmin＝ 5mA，最大稳定电流 IZmax＝
25mA。
（ 1）分别计算 UI为 10V,15V,35V三种情况下输出电压 UO的值；
（ 2）若 UI＝ 35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？
图 P1.9
61
V33.3I
L
L
O URR
RU
解,（ 1）当 UI＝ 10V时，若 UO＝ UZ＝ 6V，则稳压管的电流为 4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。
故稳压管将因功耗过大而损坏。
RUUI )( ZID Z
当 UI＝ 15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流 IZmin，所以
UO＝ UZ＝ 6V
同理，当 UI＝ 35V时,UO＝ UZ＝ 6V。
（ 2） 29mA＞ IZM＝ 25mA，
2.1 半导体的基本知识
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
2.2 PN结的形成及特性
2
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与应用也给予了简要的介绍。
3
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。
4
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 半导体材料
2.1.2 半导体的共价键结构
2.1.3 本征半导体
2.1.4 杂质半导体半导体,导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等。
导电的重要特点
1、其能力容易受环境因素影响
（ 温度,光照等）
2、掺杂可以显著提高导电能力
5
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4
2.1.2 半导体的共价键结构原子结构简化模型
— 完全纯净、结构完整的半导体晶体。2.1.3 本征半导体在 T=0K和无外界激发时，没有 载流子,不导电两个价电子的共价键正离子核
6
2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
温度? 光照自由电子空穴 本征激发空穴
—— 共价键中的空位空穴的移动 —— 空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。
由热激发或光照而产生自由电子和空穴对 。
温度载流子 浓度?
＋
7
*半导体导电特点 1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度 ↑→载流子 浓度 ↑→导电能力 ↑
2.1.4 杂质半导体
N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）
P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）
自由电子 ＝ 多子空穴 ＝ 少子空穴 ＝ 多子自由电子 ＝ 少子 由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷
9
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
本征硅的原子浓度,4.96× 1022/cm33
以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3 。
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度,
n=5× 1016/cm3
杂 质对半导体导电性的影响
10
本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴
N型半导体、施主杂质 (5价 )
P型半导体、受主杂质 (3价 )
多数载流子、少数载流子
杂质半导体复合
*半导体导电特点 1：
其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度 ↑→载流子浓度 ↑→导电能力 ↑
*半导体导电特点 2：掺杂可以显著提高导电能力
11
2.2 PN结的形成及特性
2.2.1 PN结的形成
2.2.2 PN结的单向导电性 *
2.2.3 PN结的反向击穿
2.2.4 PN结的电容效应
12
2.2.1 PN结的形成
1,浓度差?多子的 扩散 运动
2,扩散?空间电荷区?内电场
3,内电场?少子的 漂移 运动
阻止 多子的 扩散
4、扩散与漂移达到 动态平衡载流子的运动：
扩散 运动 —— 浓度差产生的载流子移动漂移 运动 —— 在电场作用下，载流子的移动
P区 N区扩散：空穴 电子漂移：电子 空穴形成过程可分成 4步 (动画 )
P 型 N 型内电场
13
PN结形成的物理过程：因浓度差
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散最后,多子的 扩散 和少子的 漂移 达到 动态平衡 。
多子的扩散运动?杂质离子形成空间电荷区
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 。
扩散 > 漂移否是宽
14
2.2.2 PN结的单向导电性只有在外加电压时才 … 扩散与漂移的动态平衡将 …
定义,加 正向电压,简称 正偏 加 反向电压,简称 反偏
扩散 > 漂移
大的正向扩散电流（多子）
低电阻? 正向导通
漂移 > 扩散
很小的反向漂移电流（少子）
高电阻? 反向截止
15
2.2.2 PN结的单向导电性
PN结特性描述
2,PN结方程
i
D
/ mA
1,0
0,5
– 0,5– 1,0 0,50 1,0?
D
/V
PN结的伏安特性
i
D
= – I
S
陡峭?电阻小正向导通
1,PN结的伏安特性特性平坦?反向截止 一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性其中
)1( /SD D TVveIi
IS —— 反向饱和电流
VT —— 温度的电压当量且在常温下（ T=300K）
V026.0 qkTV T
mV 26?
近似估算正向：
TVveIi /SD D?
反向：
SD Ii
16
2.2.3 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。
i
D
O
V
BR
D
热击穿 —— 不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿 —— 可逆
17
2.2.4 PN结的电容效应
(1) 势垒电容 CB
势垒电容示意图扩散电容示意图
(2) 扩散电容 CD
18
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构
2.3.2 二极管的伏安特性
2.3.3 二极管的参数阴极 k
阳极 a
PN结 加上引线和封装? 二极管按结构分类点接触型面接触型平面型
19
半导体二极管图片阴极引线阳极引线
P
N
P 型支持衬底点接触型面接触型平面型
20
半导体二极管图片
21
22
23
2.3.2 二极管的伏安特性
3,PN结方程（近似） )1( /
SD D TVveIi
0?
D
/ V0,2 0,4 0,6 0,8? 10? 20? 3 0
4 0
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
死区
V
thV
BR
硅二极管 2CP10的 V-I 特性
0
D
/ V0,2 0,4 0,6
2 0? 4 0? 60
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
②
①
③
V
th
V
BR
锗二极管 2AP15的 V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性
Vth = 0.5V（ 硅）
Vth = 0.1V（ 锗）注意
1,死区电压（门坎电压）
2,反向饱和电流 硅,0.1?A； 锗,10?A
24
2.3.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流 IF
(2) 反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压 VRM
(3) 反向电流 IR
(4) 正向压降 VF
(5) 极间电容 CB
0?
D
/ V0,2 0,4 0,6 0,8? 10? 20? 3 0
4 0
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
死区
V
thV
BR
硅二极管 2CP10的 V-I 特性
25
2.4 二极管基本电路及其分析方法
2.4.1 二极管 V- I 特性的建模
2.4.2 模型分析法应用举例
4、应用电路分析举例
2、二极管状态判断
1、二极管电路的分析概述
3、等效电路（模型）分析法讲课思路：
26
1、二极管电路的分析概述 应用电路举例 D
v O
R
i D
v I
+
i D
v O
R
v I
+
v O
+
D
V REF?
+
R
v i
例 2.4.2（习题 2.4.12）习题 2.4.5
整流 限幅习题 2.4.6
初步分析 —— 依据二极管的单向导电性
D导通,vO = vI - vD
D截止,vO = 0
D导通,vO = vD
D截止,vO = vI
左图 中图显然,vO 与 vI 的关系由 D的状态 决定而且,D处于反向截止时最简单！
27
分析思路
分析任务：求 vD,iD
目的 1,确定电路功能，即信号 vI传递到 vO,有何变化？
目的 2,判断二极管 D是否安全。
首先，判断 D的状态？
若 D反向截止，则相当于开路（ iD?0,ROFF? ∞ ）；
若 D正向导通，则？
正向导通分析方法：
图解法
等效电路（模型）法 —— 将非线性? 线性
先静态（直流），后动态（交流）
静态,vI =0（ 正弦波过 0点）
动态,vI?0
1、二极管电路的分析概述
28
2、二极管状态判断例 1,2CP1（ 硅）,IF=16mA，
VBR=40V。 求 VD,ID。
+
I D
V D
R =10 k?
V I
+
10V
+
I D
V D
R =10 k?
V I
+
10V
+
I D
V D
R =1k?
V I
+
20V
+
I D
V D
R =10 k?
V I
+
100V
(a) (b) (c) (d)
正偏 正偏 反偏 反偏
iD > IF？
D反向截止
ID = 0
VD = -10V
D反向击穿
iD =？
vD =？
二极管状态判断方法假设 D截止 (开路 )，
求 D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿
VD = - VBR= -40V
VD > 0V D正向导通？
-VBR < VD? 0V D反向截止,ID = 0
VD? - VBR D反向击穿,VD = - VBR
D正向导通？ D正向导通！
29
习题 2.4.4 试判断图题 2.4.4中二极管导通还是截止，
为什么?
图题 2.4.4(a)
例 2,
习题 2.4.3 电路如下图所示，
判断 D的状态
2、二极管状态判断
D
3k
( a )
V
V
A
O
30
3、等效电路（模型）分析法
（ 2.4.1 二极管 V- I 特性的建模 ）
(1) 理想模型 (3) 折线模型(2) 恒压降模型
VD = 0.7V（ 硅）
VD = 0.2V（ 锗）
Vth = 0.5V（ 硅）
Vth = 0.1V（ 锗）
31
3、等效电路（模型）分析法
(4) 小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为,
D
D
d i
vr
微变电阻根据 得 Q点处的微变电导)1( /
SD D TVveIi
Q
Vv
T
Q
Te
V
I
dv
di
r
/S
D
D
d
D1
T
Q
T
Q
Vv
T V
I
V
ie
V
I T DD/S )1( D
)mA(
)mV(26
DD
d II
Vr T 常温下（ T=300K）
32
4、应用电路分析举例例 2.4.1 求 VD,ID。
（ R=10k?）（ a） VDD=10V 时
（ b） VDD=1V 时
+
D
iD
V DD
+
D
iD
V DD
V D
+
D
iD
V DD
rD
V th
VDD
mA 1/DDD RVIV 0D?V理想模型
mA 93.0/)( DDDD RVVI
恒压模型 V 7.0
D?V
折线模型 V 5.0
th?V
k 2.0Dr
mA 9 3 1.0
D
thDD
D
rR
VVI
V 69.0DDthD rIVV
V 0D?V理想模型恒压模型 V 7.0
D?V
mA 1.0/DDD RVI
mA 03.0/)( DDDD RVVI
mA 049.0
D
thDD
D
rR
VVI V 51.0DDthD rIVV
折线模型 V 5.0
th?V k 2.0Dr
33
二极管应用举例
ui
uo
O
O
t
t
(b)
2
2?
D
ui uoRL
(a)
+ +
- -
（ 1） 二极管整流电路
34
（ 2）二极管限幅电路
t
+
R
D
E
2 V
ui uo
+
+
(a)
0
5
ui / V
5
2? 3?
)(b
t0
2.7
uo / V
5
2? 3?
2.7
35
D1 钳位 作用 D2隔离 作用
(3) 开关电路
D
3.4 V
0.3 V
1
D2
3.9 k
-12V
A
B
Y
36
例 2.4.3 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
5V
VCC
VI1
+
- VI2
+
-
0
0
37
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
38
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。
39
（ 4） 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。
40
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
41
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
42
(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
43
4、应用电路分析举例例 2.4.4 求?vD,?iD。
VI = 10V,vi = 1Vsin?t
i D
D
+
D
+
V I
R =1 0 k?
v i
解题步骤,
(1) 静态分析 (令 vi=0）
R =10k?
V I
+
10V
I D
+
V D
由恒压降模型得
VD?0.7V; ID?0.93mA
(2) 动态分析 (令 VI=0）
由小信号模型得
i D
D
+
r d
+
i
R
28)mA(93.0 )mV(26)mA( )mV(26
DD
d II
Vr T
mAkrR vi i 1.02810 1V
d
D
2,8 m VdDD riv
44
分析方法小结
2.4 二极管基本电路及其分析方法假设 D截止（开路）
求 D两端开路电压
VD? 0.7V D正向导通
- VBR < VD? 0.7V D反向截止 ID = 0 (开路 )
VD? - VBR D反向击穿 VD = - VBR (恒压 )
VD = 0.7V (恒压降 )
状态 等效电路条件将不同状态的等效电路（模型）
代入原电路中，分析 vI和 vO 的关系画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求?vD（ 波动） 小信号模型和叠加原理恒压降模型
45
2.5 特殊二极管
2.5.1 稳压二极管（齐纳）
2.5.2 变容二极管
2.5.3 光电子器件
1,光电二极管
2,发光二极管
3,激光二极管
a? + k
a k
a k
a
k
反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。
请自学！
46
2.5.1 稳压二极管
1,符号及稳压特性
(a)符号
(b) 伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。
47
(1) 稳定电压 VZ
(2) 动态电阻 rZ
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。
rZ =?VZ /?IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
(5)稳定电压温度系数 ——?VZ
2,稳压二极管主要参数
2.5.1 稳压二极管
48
2.5.1 稳压二极管
3,稳压电路
+
R
-
I
R
+
-
R
L
I
O
V
OV I
I
Z
D
Z
正常稳压时 VO =VZ
# 稳压条件是什么？
IZmin ≤ IZ ≤ IZmax
# 不加 R可以吗？
oRzoRoL VIIVIIR
自动调整过程：
49
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
R
50
解：假定输入电压在（ 7--10V）内变化。
1k
V z
+
_
zD V o
+
_
7V 5V
R
VVVV ozR 257
mAR 21257
VV z 10?
VVVV ozR 5510
mAR 515510
51
习题与预习习题
2.4.1
2.4.3
2.5.4
预习
3.1 半导体 BJT
52
一、判断下列说法是否正确，用,√”和
,×,表示判断结果填入空内。
（ 1）在 N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为 P型半导体。（ ）
（ 2）因为 N型半导体的多子是自由电子，
所以它带负电。（ ）
（ 3） PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）
自 测 题解,（ 1） √ （ 2） × （ 3） √
53
TUUI eS )1e(S －TUUI
1） PN结加正向电压时，空间电荷区将 。
A,变窄 B,基本不变 C,变宽
2）设二极管的端电压为 U，则二极管的电流方程是 。
A,ISeU B,C,
3）稳压管的稳压区是其工作在 状态。
A,正向导通 B.反向截止 C.反向击穿解,（ 1） A （ 2） C （ 3） C
二、选择正确答案填入空内。
54
三、写出图 T1.3所示各电路的输出电压值，
设二极管导通电压 UD＝ 0.7V。
解,UO1≈1.3V,UO2＝ 0,UO3≈－ 1.3V，
UO4≈2V,UO5≈1.3V,UO6≈－ 2V。
图 T1.3
55
四、已知稳压管的稳压值 UZ＝ 6V，稳定电流的最小值 IZmin＝ 5mA。求图 T1.4所示电路中 UO1和 UO2各为多少伏。
解,UO1＝ 6V,UO2＝ 5V。
图 T1.4
56
1.1 选择合适答案填入空内。
（ 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,减小习 题解,（ 1） A,C （ 2） A
57
1.2 能否将 1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？
解,不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为 1.5V时，
管子会因电流过大而烧坏。
58
1.7 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为
6V和 8V，正向导通电压为 0.7V。试问：
（ 1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？
（ 2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？
解,（ 1）两只稳压管串联时可得 1.4V,6.7V、
8.7V和 14V等四种稳压值。
（ 2）两只稳压管并联时可得 0.7V和 6V等两种稳压值。
59
1.8 已知稳压管的稳定电压 UZ＝ 6V，稳定电流的最小值 IZmin＝ 5mA，最大功耗 PZM＝
150mW。试求图 P1.8所示电路中电阻 R的取值范围。
图 P1.8
解,稳压管的最大稳定电流
IZM＝ PZM/UZ＝ 25mA
电阻 R的电流为 IZM～ IZmin
，所以其取值范围为
k8.136.0
Z
ZI ～
I
UUR
60
1.9 已知图 P1.9所示电路中稳压管的稳定电压 UZ＝
6V，最小稳定电流 IZmin＝ 5mA，最大稳定电流 IZmax＝
25mA。
（ 1）分别计算 UI为 10V,15V,35V三种情况下输出电压 UO的值；
（ 2）若 UI＝ 35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？
图 P1.9
61
V33.3I
L
L
O URR
RU
解,（ 1）当 UI＝ 10V时，若 UO＝ UZ＝ 6V，则稳压管的电流为 4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。
故稳压管将因功耗过大而损坏。
RUUI )( ZID Z
当 UI＝ 15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流 IZmin，所以
UO＝ UZ＝ 6V
同理，当 UI＝ 35V时,UO＝ UZ＝ 6V。
（ 2） 29mA＞ IZM＝ 25mA，
