【模电笔记】1.半导体二极管及其基本应用电路

目录

一、前言

1.事先声明

2.学习感悟

二、正文

1.半导体基础知识

（1）导电能力

（2）常用材料

（3）特性

2.本征半导体

（1）共价键结构

（2）两种载流子（定向移动能够产生电流）

（3）本征激发（热激发）

（4）复合

（5）电流的形成过程

（6）作用

3.杂质半导体

（1）N型半导体

（2）P型半导体

（3）记忆方法

4.PN结

（1）PN结的形成

（2）PN结的单向导电性

5.半导体二极管

（1）构造

 （2）伏安特性曲线

 （3）温度影响

 （4）等效模型

 6.稳压二极管

（1）稳压二极管伏安特性

（2）稳压二极管稳压电路

三、习题+分析

1.钳位

2.稳压管

---

一、前言

1.事先声明

• 以下参考哈工大模电教材，以下“教材”均指哈工大的教材
• 红色表示重要的地方；橙色表示次重要的地方；棕色表示重要的概念名称。

2.学习感悟

• 1.我个人认为，要想把这门课学明白，首先要把半导体的基本原理弄明白，不然后面有一些理论推导可能会很劝退、记不住。
• 一定要学会自己推导原理、公式。如果自己能够不看书而推导出来，那么对于这些知识可以说明非常熟悉了，等到运用的时候会得心应手。

二、正文

1.半导体基础知识

（1）导电能力

介于导体和绝缘体之间。

（2）常用材料

硅、锗（都是四价元素）。

（3）特性

• 有些半导体在环境温度升高时导电能力显著增强；
• 有些半导体在受到光照时导电能力显著增强；
• 纯净半导体掺入微量杂质导电能力显著增强。

2.本征半导体

（1）共价键结构

具体参见化学，我给出图

（2）两种载流子（定向移动能够产生电流）

自由电子与空穴

（3）本征激发（热激发）

当半导体处于热力学温度0K时，半导体没有自由电子。当温度升高（大于0K）或受到光照时，有些价电子获得足够能量，挣脱共价键束缚形成自由电子，但是数量相对较少。

注意空穴的形成就是当价电子挣脱束缚变为自由电子时，会在原来的空位留下带正电的空穴

（4）复合

自由电子在运动过程中与空穴相遇，自由电子填补空穴的过程。

（5）电流的形成过程

• 先在外部加一个电场；
• 由于本征激发产生的自由电子会受到电场力而定向移动，产生电流。那还有另一个载流子——空穴是如何产生电流的呢？
• 第（3）（4）说了，产生一个自由电子的同时，会产生空穴。而这个空穴的附近的价电子很容易填补这个空穴，这个填补的过程导致价电子原先位置又产生空穴。那么，假设电子是正方向移动，那么空穴可以看做是反方向移动，又由于空穴带正电，这个反方向移动的过程同样会产生电流，并且方向与自由电子产生的电流方向是相同的。如下图所示

• 

（6）作用

没啥用！因为本征激发较弱，产生的载流子非常少，导致导电能力很弱！ 

3.杂质半导体

根据掺入杂质的不同可分为N型半导体与P型半导体

（1）N型半导体

①构成：在本征半导体中掺入适量的五价元素

②原理：

• 掺入的五价杂质原子的最外层有5个价电子，它与周围4个硅原子组成共价键时多余一个电子，这个多余的电子不受共价键束缚，只受自身原子核吸引，只需获得很少的能量就能脱离原子核束缚成为自由电子（这样产生的自由电子的数量是远远多于本征激发的）；
• 失去自由电子的杂质原子不能移动，并成为带正电的正离子；
• 仍然有本征激发产生自由电子与空穴，但是数量少；
• 此时称自由电子为多子，空穴为少子。N型半导体主要靠多子——自由电子导电。

（2）P型半导体

不多赘述，与N型半导体不同在于掺入的是三价元素，多子为空穴

（3）记忆方法

“P”这个字母，中间是空的，那么它构成的半导体的多子就是空穴

4.PN结

重点开始了！当P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上就会产生奇妙的性质。后面会一直用到这个PN结，必须要清楚原理。

（1）PN结的形成

• P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上
• 在P型半导体和N型半导体的交界面，自由电子和空穴两种载流子的浓度差很大（注意）。之前叙述了P型半导体的多子为空穴，N型半导体的多子为自由电子，那么二者之间的浓度差载流子会进行扩散运动（从高浓度->低浓度），形成扩散电流。

• 

• 扩散时，部分空穴与电子会在N型半导体和P型半导体的交界面上复合。复合会导致交界面附近只剩下不能移动的正离子和负离子。称中间部分为空间电荷区或耗尽层，这个概念一定要记住！后面还会反复用到。
• 教材p10
• 那么中间会产生一个电场，电场方向由正离子指向负离子。
• 这个电场的作用有两个：一个是阻碍了扩散运动；另一个是促进了P区少子向N区移动，N区少子向P区移动，这个过程称作漂移运动，产生的电流称为漂移电流。漂移运动会使空间电荷区变窄（因为少子漂移过去电性就与离子电性中和了嘛）。
• 很有意思的现象是：浓度差产生了多子的扩散运动，多子的扩散运动使形成了空间电荷区，形成内电场。这样的内电场反过来阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动。而少子的漂移运动使空间电荷区变窄，变窄之后扩散运动又会增强，内电场又会增加。来回往复直至动态平衡。此时，空间电荷区宽度不再发生变化，电流为0。
• 流程图

（2）PN结的单向导电性

PN结在通电流时有两种状态，一种是导通，此时加的电压称为正向电压，称PN结正向偏置；另一种是截止，此时加的电压称为反向电压，称PN结反向偏置。一定要记住加的电压的方向，后面会经常用到！

①加正向电压：P区电位高于N区，内电场与外电场方向相反使空间电荷区变窄。

教材p11

②加反向电压：P区电位低于N区，内电场与外电场方向相同使空间电荷区变宽。

教材p12

 ③分析

（3）PN结的伏安特性

理论分析得出：

 是PN结的反向饱和电流，是热力学温度T的电压当量，室温下约等于26mV

教材p12 PN结的伏安特性曲线

 称为反向击穿电压。硅材料的PN结反向击穿在4V以下为齐纳击穿；7V以上为雪崩击穿；4~7V之间两种击穿均可产生。具体机理就不说了。

这两种击穿属于电击穿，电击穿后不代表二极管就损坏了。只有当PN结电流较大导致PN结温度过高产生热击穿，此时PN结才会永久损坏。

只要电流不是很大，PN结不热击穿，PN结能够工作在反向击穿区，利用这个特点人们制作了稳压二极管。

5.半导体二极管

（1）构造

将PN结用外壳封装起来，加上电极引线就构成了半导体二极管。与PN结伏安特性略有不同，是因为存在半导体体电阻和引线电阻，使得半导体二极管的正向电流比理想PN结正向电流小，正向压降比理想PN结正向压降大。但近似分析时仍用PN结的电流方程式描述伏安特性。

图 5.1.1

 （2）伏安特性曲线

教材p16

 （3）温度影响

做题时可能会碰到，记一下参数

• 当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，二极管的反向特性下移。
• 室温条件下，温度每升高1℃，二极管的正向压降减小2 ~ 2.5mV，引出温度系数的概念，温度每升高1度，正向压降升高值即为温度系数（温度系数为- 2 ~ - 2.5 mV/℃）；
• 温度每升高10℃，二极管的反向饱和电流约增大一倍
• 教材p13

 （4）等效模型

重点，做题时一定会遇到。

①理想模型

二极管正向导通时，正向压降为0；反向截止时，反向电流为0。完全可以当作开关来用

教材p18 理想模型伏安特性曲线

②恒压降模型

最常用模型，也是做题遇到最多的。正向导通时需要有0.7V的开启电压，否则也还是不导通。反向截止时无电流。

教材p18 恒压降模型伏安特性曲线

 6.稳压二极管

（1）稳压二极管伏安特性

教材p18 稳压二极管的伏安特性曲线

是稳定电压，即反向击穿电压  

是稳定电流，工作电流应满足

（2）稳压二极管稳压电路

教材p25 稳压二极管稳压电路

分析稳压原理：

①若输入电压增大，负载电阻不变化：

• 首先根据KVL方程知，与（）一定有增大的趋势，但只会增大一点点；
• 根据稳压二极管伏安特性曲线，知电流一定会增大，电压变化一点，电流就会增大很多；同时也会增大
• 那么由KCL知也会增大，使增大特别多
• 最后导致与减小
• 过程如下图

  

• 只要参数选择合适，的电压增量与电压增量一致，那么

• 

②若输入电压不变化，负载电阻减小：

• 由于与（）基本不变，那么根据电阻的伏安特性知增大；
• 然后增大，增大；
• 接着根据KVL知会减小，使急剧减小，进而使减小，减小；
• 最后使 与上升；
• 结果使几乎保持不变
• 过程如下图

综上：利用稳压二极管的电流调整作用，通过限流电阻R上的电压的变化进行补偿，实现稳压的目的。

三、习题+分析

1.钳位

题目 ：

二极管正向导通电压约0.7V，反向电流可忽略。填如下表格。

图1

 分析：

（1）

根据二极管的恒压降模型可知，二极管正向压降为0.7V，可直接推出结果

（2）

（3）

• （2）与（3）的分析方法是一样的。以（2）为例子
• 根据二极管的正向压降0.7V，为0.7V还是4V呢？假设是4V，那么二极管D2正向导通电压会特别大，根据其特性曲线只通过的电流会非常非常大，导致D2烧坏，因此，D2的特性会将4V电压拉到0.7V电压避免自己被烧坏（感性理解）。假设是0.7V，那么D1截止，D2正常导通，那么电路正常使用。这个过程叫作钳位。
• 仿真结果

（4）

 容易知道结果为4V。

答案：

2.稳压管

题目：

设VDZ1、VDZ1 稳压值都为 6V，对应输入定性画出输出波形，并表明关键电压值。

图2

 分析：

• 分析大于0情况：当较小，时稳压二极管不导通，无电流，此时；当时，稳压管特性使得
• 根据电路中的对称性，完成其余分析

答案：

答案

 实际上不是直的折线段。

仿真分析 1

仿真分析 2

 可看出在上升区域，通道A电压除以通道B电压是一个常数。当达到一个电压值时会由于稳压二极管而稳定。