§1.1 半导体基础知识

    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。
    半导体的电阻率为10-3～10-9 W·cm。
    典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。价电子。它们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。这种结构的立体和平面示意图见图。

    1.1.1 本征半导体
     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。

     一、本征半导体的共价键结构
     硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为

 

 

 

 

二、电子空穴对
    当导体处于热力学温度0 K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）。
    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。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。

  

 

 

 

 

 

  三、空穴的移动
    自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过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。

 

 

 

 

 

1.1.2 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。

一、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。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；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
    提供自由电子的五价杂质原子因带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图所示。

  

 

 

 

 

 

 二、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。
    空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图所示。

 

 

 

 

 

 三、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=300K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度为:

 

 

§1.2 PN结及其单向导电性

    一、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 → 多子的扩散运动 → 由杂质离子形成空间电荷区
    空间电荷区形成形成内电场 → 促使少子漂移；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。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。PN结的形成过程参阅下图。

 

 

 

 

 

二、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P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；
                    PN结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
    如图所示，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，，PN结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呈现低阻性。

    2、PN结加反向电压时的导电情况
    如图所示，外加的反向电压有一部分降落在PN结区，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。
     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。

    3、结论
    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。

§1.3 晶体二极管

    1.3.1 二极管的结构和符号
    
     在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管的符号如下图所示。

二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图分别如下图（a）、（b）、（c）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。
    (2) 面接触型二极管——PN结面积大，用于工频大电流整流电路。
    (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。

    1.3.2 二极管的伏安特性
    
    半导体二极管的伏安特性曲线如下图所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

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。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) 正向特性
        当V＞0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：
        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＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。
        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。
        二极管导通后，管压降随电流变化很小，可以认为是恒定的。
        UD典型值：硅管0.7V；锗管0.3V。

        二极管的正向导通压降UD：

   (2) 反向特性
       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。由于反偏电流很小，相当于截止，二极管可以看成是一个高阻抗的元件。
      当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。

    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|≥7 V时，主要是雪崩击穿；若VBR≤4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V～7 V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。

    1.3.3 二极管的直流电阻和交流电阻

     一、直流电阻

静态工作点Q：——加在二极管上的直流电压和电流。
   

 

 

 

 

 

 

由图可知：
    （1）二极管的直流电阻与其工作点有关，电流越大，直流电阻越小。
    （2）二极管反偏时的直流电阻很大。
    （3）二极管具有单向导电性。

    二、交流电阻（动态电阻）rD

 

 

 

 

 

 

 1.3.4二极管的主要参数

    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。

    (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(mA)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0.6～0.8 V；锗二极管约0.2～0.3 V。

    (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 =DVF /DIF

    （6）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2 mV，即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管的伏安特性曲线上看出。

 

 

 

 

 

 

 

§1-4 二极管基本电路及其分析方法

    1.4.1 二极管的等效模型

    1、二极管的直流模型
    1）理想开关模型
    2）恒压降模型
    3）折线模型

 

 

 

 

 

 

 

 

 2、二极管的交流小信号模型

 

 

 

 

 

 

当在二极管的工作点上叠加有低频交流小信号电压ud时，只要工作点选择合适，且ud足够小，可以将Q点附近的特性曲线看成是线性的（线性化），则交流电压与电流之间的关系可以用一个电阻rd来表示。
   rd——即为工作点处的交流电阻，rd=UT/ID。
   注意：小信号模型只能表示交流电压与电流之间的关系，不能反映总的电压与电流的关系。

    1.4.2 二极管的应用电路

    二极管在低频电路和脉冲电路中常用于整流、限幅、钳位、稳压等波形变换和处理电路，在高频电路中常用于检波、调幅、混频等频率变换电路。

    1、整流电路

 

 

 

 

 

 

 

2、二极管限幅电路

 

 

 

 

 

 

 

 

二极管的导通压降为UD=0.7V，
    （1）|ui|< UD时， D1、D2 都截止，视为开路，输出为uo=ui 。
    （2）ui> UD时，D1截止，D2导通，输出为uo = 0.7V 。
    （3）ui<-UD时，D2截止，D1导通，输出为uo = -0.7V 。
    输出电压被限幅在±0.7V之间，是一个双向限幅电路。由于二极管在限幅时并非理想的恒压源，在限幅期间电压仍会有变化，所以二极管限幅为“软限幅”。限幅电路常用作波形变换和保护电路。

    3、二极管钳位电路

    钳位：把交流信号的顶部或底部固定在某个电位值上。
    二极管钳位电路是改变信号直流成分的电路。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（1）ui负半周，二极管导通， uo=uD =0V，导通电阻RD很小， C被充电到ui的峰值。
    （2） ui正半周，二极管反偏截止，C无法放电，输出电压为uo=ui +uC =5V。
    （3）下一个负半周，二极管上的电压为0，二极管截止，输出电压为uO=0V。
         此后，二极管保持截止状态，电容无法放电，相当于恒压源，输出电压为： uo=ui +2.5V，uo的底部被钳位于0V。

 

§1-5 特殊二极管

    1.5.1 稳压二极管及其应用

    稳压二极管是应用工作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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1、稳压管的工作特点
    正常情况下，稳压管应该工作在反向电击穿状态。

    2、稳压管的主要参数
    (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 =DVz /DIz
    (3)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。
    (4)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。
   

 (5)稳定电压温度系数

 

——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。

    3、稳压管稳压电路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（1）电阻R的作用：
         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，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。
         R的取值应使：

 

   

 （2）限流电阻R的确定：

 

 

 

    （3）注意问题：
         外接电源的极性和大小应保证稳压管工作在反向击穿区；
         负载应与稳压管并联；
         必须接限流电阻。

    1.5.2 PN结的电容效应及变容二极管

    1、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 。

    (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。势垒电容的示意图见图。

 

 

 

 

 

 

 定义：

 

 

 
       一般势垒电容CT＝几个皮法，较小，反向电压越大，势垒电容越小。

    (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。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。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CD与正向电流ID成正比，一般CD＝几十皮法～0.01微法。
        反偏时，反向电流很小，CD约等于0。
        扩散电容一般在正偏条件下起作用。

    (3) PN结的结电容 CJ

 

 

 2、变容二极管

 

 

 

 

 

 

 变容二极管具有电容控制电容量的特性，广泛应用于高频电路，如压控振荡器。 变容二极管工作在反偏状态。