半导体二极管及其基本电路

第1章半导体二极管及其基本电路自测题判断下列说法是否正确，用“√”和“?”表示判断结果填入空内1. 半导体中的空穴是带正电的离子。

（?）2. 温度升高后，本征半导体内自由电子和空穴数目都增多，且增量相等。

（√）3. 因为P型半导体的多子是空穴，所以它带正电。

（?）4. 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。

（√）5. PN结的单向导电性只有在外加电压时才能体现出来。

（√）选择填空1. N型半导体中多数载流子是 A ；P型半导体中多数载流子是B。

A．自由电子 B．空穴2. N型半导体C；P型半导体C。

A．带正电 B．带负电 C．呈电中性3. 在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于B，而少子的浓度则受 A 的影响很大。

A．温度 B．掺杂浓度 C．掺杂工艺 D．晶体缺陷4. PN结中扩散电流方向是A；漂移电流方向是B。

A．从P区到N区 B．从N区到P区5. 当PN结未加外部电压时，扩散电流C飘移电流。

A．大于 B．小于 C．等于6. 当PN结外加正向电压时，扩散电流A漂移电流，耗尽层E；当PN结外加反向电压时，扩散电流B漂移电流，耗尽层D。

A．大于 B．小于 C．等于D．变宽 E．变窄 F．不变7. 二极管的正向电阻B，反向电阻A。

A．大 B．小8. 当温度升高时，二极管的正向电压B，反向电流A。

A．增大 B．减小 C．基本不变9. 稳压管的稳压区是其工作在C状态。

A．正向导通 B．反向截止 C．反向击穿有A、B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是2?A、0.5?A、5?A；在外加相同的正向电压时，电流分别为10mA、 30mA、15mA。

比较而言，哪个管子的性能最好【解】：二极管在外加相同的正向电压下电流越大，其正向电阻越小；反向电流越小，其单向导电性越好。

所以B管的性能最好。

题习题1试求图所示各电路的输出电压值U O，设二极管的性能理想。

5VVD+-3k ΩU OVD7V5V +-3k ΩU O5V1VVD +-3k ΩU O（a ） （b ） （c ）10V5VVD3k Ω+._O U 2k Ω6V9VVD VD +-123k ΩU OVD VD 5V7V+-123k ΩU O（d ） （e ） （f ）图【解】：二极管电路，通过比较二极管两个电极的电位高低判断二极管工作在导通还是截止状态。

半导体二极管在电子电路中的基本作用半导体二极管是一种重要的电子器件，广泛应用于各种电子电路中。

它具有诸多独特的性质和功能，可以起到多种作用。

本文将从基本原理、特点和应用领域等方面，详细介绍半导体二极管在电子电路中的基本作用。

半导体二极管是一种两端具有PN结的二极管，由p型和n型半导体材料组成。

它有一个主要的特点，即只能从p端流向n端的方向导通电流，而反向时截止电流。

这种非线性特性使得二极管在电子电路中具有独特的应用价值。

首先，半导体二极管常用作整流器。

整流器是将交流信号转换为直流信号的重要电子元件。

半导体二极管具有只能单向传导电流的特性，可以有效地将交流信号中的负半周去除，只保留正半周，从而实现整流的功能。

这在电源、通信和音频等领域的电路中经常需要。

其次，半导体二极管广泛应用于电路的保护功能。

例如，在电路中加入一个二极管，可以实现过压保护。

当电路中出现过高的电压时，二极管会在达到其击穿电压时变为导通状态，将超出范围的电压引到地或其他处，从而保护其他电子元件不受损坏。

类似地，二极管还可以用于过流保护、过温保护和反向电压保护等，保障电路的安全运行。

此外，半导体二极管还可用作电压参考源。

例如，锂电池充电、开关电源和运算放大器等电子电路中，通常需要一个稳定的参考电压。

半导体二极管的正向电压降通常比较稳定，因此可以将其作为稳定的参考电压源使用。

通过合理设计与连接，可以在电路中产生精确的参考电压，确保其他电子元件的工作稳定和准确。

同时，半导体二极管在信号混频中具有重要的作用。

信号混频是将两个频率不同的信号混合在一起，得到频率和幅度均不同于原信号的新信号。

在混频电路中，半导体二极管常常作为非线性元件被使用。

通过合理选择和连接二极管，可以实现不同种类的混频电路，从而实现频率合成、调制解调等功能，广泛应用于无线通信和广播电视等领域。

此外，半导体二极管还可用作电路中的开关元件。

在数字电路中，常常需要将信号进行开关控制。

第1章半导体二极管及其基本电路教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。

教学内容与教学要求如表所示。

要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。

主要掌握半导体二极管在电路中的应用。

表第1章教学内容与要求内容提要1.2.1半导体的基础知识1．本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。

常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。

本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。

自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。

本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。

但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差，2．杂质半导体(1)N型半导体本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。

N型半导体呈电中性。

(2) P型半导体本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。

P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。

P型半导体呈电中性。

在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。

而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。

1.2.2 PN结及其特性1．PN 结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成P 型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。

PN 结是构成其它半导体器件的基础。

2．PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电性。

外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。

3. PN 结的伏安特性PN 结的伏安特性： )1(TS -=U U eI I式中，U 的参考方向为P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向N 区；I S 在数值上等于反向饱和电流；U T =KT /q ，为温度电压当量，在常温下，U T ≈26mV 。

半导体二极管及其应用习题解答Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT第1章半导体二极管及其基本电路教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。

教学内容与教学要求如表所示。

要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及PN结的形成过程。

主要掌握半导体二极管在电路中的应用。

表第1章教学内容与要求内容提要1.2.1半导体的基础知识1．本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。

常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。

本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。

自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。

本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。

但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差，2．杂质半导体(1) N 型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N 型半导体，N 型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。

N 型半导体呈电中性。

(2) P 型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P 型半导体。

P 型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。

P 型半导体呈电中性。

在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。

而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。

1.2.2 PN 结及其特性1．PN 结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成P 型半导体，在P 型区和N 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。

PN 结是构成其它半导体器件的基础。

2．PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电性。

外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。

二极管的应用电路原理图一、二极管简介二极管是一种最基本的电子元件，它具有具有单向导电性的特性。

根据材料的不同，二极管分为硅二极管和锗二极管。

其应用广泛，从小型电子设备到大型电力电子设备，都会使用到二极管。

二、二极管的基本原理二极管是由P型半导体和N型半导体组成的。

在P型半导体中，硅元素的空位较多，成为空穴（P为正电，代表正电荷缺失）；而在N型半导体中，杂质的附加导致了额外的自由电子，形成负电荷。

当P型半导体和N型半导体连接在一起时，形成了PN结。

由于正电荷和负电荷之间存在电势差，形成了电场。

在电场的作用下，电子从N型半导体流向P型半导体，而空穴则从P型半导体流向N型半导体。

这个过程被称为二极管的正向偏置。

反过来，当二极管的正向电压减小或者反向电压增加时，电场减小，电子和空穴被阻隔，电流无法通过。

这个过程被称为二极管的反向偏置。

三、二极管的应用电路原理图下面将介绍一些常见的二极管应用电路原理图。

1. 整流电路整流电路是二极管最常见的应用之一。

它可以将交流电转换为直流电。

整流电路通常由一个或多个二极管和若干电阻组成。

二极管只允许电流在一个方向上通过，因此在交流电输入时，二极管将正向导通，只有一个方向的电流通过，实现了电流的整流效果。

2. 稳压电路稳压电路是通过利用二极管的特性来保持电路的稳定工作电压的电路。

在稳压电路中，二极管常与电阻、电容等元件配合使用。

常见的稳压电路有Zener稳压电路和电流源稳压电路。

3. 负电源电路负电源电路是通过二极管和电容元件组成的电路，用于提供负电压。

负电源电路常用于运算放大器、模拟电路等应用中。

4. 开关电路二极管也常被用作开关元件，在数字电子电路中应用广泛。

当二极管的正向偏置电压大于二极管的压降时，二极管处于导通状态，电流可以通过。

当正向偏置电压小于二极管的压降时，二极管处于截止状态，电流不能通过。

四、总结二极管是一种重要的电子元件，不仅有理论基础，也有广泛的应用。

二极管比较电路在电子电路中，二极管常被用于进行比较电路设计，以实现信号的判断和控制。

二极管是一种半导体器件，具有只能单向导通电流的特性，因此适用于比较电路中。

本文将介绍二极管比较电路的基本原理、使用范围以及一些常见的电路设计。

一、二极管比较电路的基本原理二极管比较电路利用了二极管的非线性特性，通过对输入信号进行正向偏置或反向偏置，实现对信号的判断和控制。

当二极管处于正向偏置时，其正向电流将使二极管导通，反之则截止。

基本的二极管比较电路包括正向比较电路和反向比较电路。

正向比较电路中，如果输入信号大于某一阈值电压，二极管将导通；反向比较电路中，如果输入信号小于某一阈值电压，二极管则导通。

通过控制输入信号和偏置电压的大小，可以实现对信号的判断和输出控制。

二、二极管比较电路的使用范围二极管比较电路广泛应用于电子设备和电路中，其使用范围包括但不限于以下几个方面：1.数字电路中的逻辑判断：通过在比较电路中设置适当的阈值电压，可以实现逻辑判断的功能，如高电平和低电平的切换。

2.模拟电路中的信号比较：在模拟电路中，比较电路常被用于对模拟信号的大小和变化进行判断和控制。

3.电源电压检测：在电源管理电路中，通过比较电路可以检测电源电压是否达到预设值，以实现过压或欠压保护。

4.温度和光强度检测：通过将温度或光强度转化为电压信号并经过比较电路处理，可以实现对温度和光强度的检测和控制。

三、常见的二极管比较电路设计1.正向比较电路：正向比较电路常用于逻辑判断和信号比较。

其基本结构如下图所示：[图片描述：正向比较电路示意图]在该电路中，输入信号Vin经过电阻R1与二极管D1连接，通过负载电阻RL输出。

当输入信号大于阈值电压（即二极管的正向压降），二极管将导通，输出接近电源电压（高电平）；反之，二极管截止，输出接近0V（低电平）。

2.反向比较电路：反向比较电路常用于模拟信号比较和传感器电路中。

其基本结构如下图所示：[图片描述：反向比较电路示意图]在该电路中，输入信号Vin经过电阻R1与二极管D1连接，通过负载电阻RL输出。

第一章半导体二极管及其电路【教学要求】本章主要介绍了半导体的基础知识及半导体器件的核心环节—PN结。

PN结具有单向导电特性、击穿特性和电容特性。

介绍了半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数。

理想情况下，二极管相当于开关闭合与断开。

介绍了二极管的简单应用电路，包括整流、限幅电路等。

同时还介绍了稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管。

教学内容、要求和重点见如表1.1。

表1.1 教学内容、要求和重点【例题分析与解答】【例题1-1】二极管电路及其输入波形如图1-1所示，设U im>U R,，二极管为理想，试分析电路输出电压，并画出其波形。

解：求解这类电路的基本思路是确定二极管D在信号作用下所处的状态，即根据理想二极管单向导电的特性及具体构成的电路，可获得输出U o的波形。

本电路具体分析如下：当U i增大至U R时，二极管D导通，输出U o被U R嵌位，U o=U R，其他情况下，U o=U i。

这类电路又称为限幅电路。

图1-1【例题1-2】二极管双向限幅电路如图1-2 (a)所示，若输入电压U i=7sinωt (V)，试分析并画出电路输出电压的波形。

（设二极管的U on为0.7V，忽略二极管内阻）。

图1-2解：用恒压降等效模型代替实际二极管，等效电路如图1-2(b)所示，当U i<－3.7V时，D2反偏截止，D1正偏导通，输出电压被钳制在－3.7V；当－3.7V<U i <3.7V时，D1、D2均反偏截止，此时R中无电流，所以U o=U i；当3.7V<U i时，D1反偏截止，D2正偏导通，输出电压被钳制在3.7V。

综合上述分析，可画出的波形如图1-20(c)所示，输出电压的幅度被限制在正负3.7V 之间。

【例题1-3】电路如图1-3（a），二极管为理想，当B点输入幅度为±3V、频率为1kH Z的方波，A点输入幅度为3V、频率为100kH Z的正弦波时，如图1-3（b），试画出Uo点波形。

二极管是用半导体材料 (硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。

它具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上正向电压时，二极管导通。

当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。

因此，二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开。

二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。

特别是在各种电子电路中，利用二极管和电阻、电感、电容等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和嵌位以及对电源电压的稳压等多种功能。

无论是在常见的收音机电路还是在其他的家用电器产品或工业控制电路中，都可以找到二极管的踪迹。

结构组成二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。

采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。

由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。

因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。

二极管的电路符号如图所示。

二极管有两个电极，由P区引出的电极是正极，又叫阳极；由N区引出的电极是负极，又叫阴极。

三角箭头方向表示正向电流的方向，二极管的文字符号用VD表示。

许多初学者对二极管很“熟悉”，提起二极管的特性可以脱口而出它的单向导电特性，说到它在电路中的应用第一反应是整流，对二极管的其他特性和应用了解不多，认识上也认为掌握了二极管的单向导电特性，就能分析二极管参与的各种电路，实际上这样的想法是错误的，而且在某种程度上是害了自己，因为这种定向思维影响了对各种二极管电路工作原理的分析，许多二极管电路无法用单向导电特性来解释其工作原理。

二极管除单向导电特性外，还有许多特性，很多的电路中并不是利用单向导电特性就能分析二极管所构成电路的工作原理，而需要掌握二极管更多的特性才能正确分析这些电路，例如二极管构成的简易直流稳压电路，二极管构成的温度补偿电路等。

导言 我们为什么要学习模拟电子技术在自然界以及人类活动中，存在着各种各样的信息。

承载着这些信息的载体，就叫做信号。

现实生活中，我们会遇到种类繁多的信号，比如声信号、光信号、温度信号等等，这些时间连续、幅值连续的信号叫做模拟信号，也就是数学当中的连续函数。

在对这些信号进行处理时，为了方便研究，需要将它们转换成电信号。

将各种非电信号转换为电信号的器件或装置叫做传感器，在电路中常将它描述为信号源。

然而，传感器输出的电信号通常是很微弱的，如细胞电生理实验中所检测到的电流仅有皮安（pA ，A 1210-）量级。

对于这些过于微弱的信号，一般情况下既无法直接显示，也很难作进一步处理。

因此，需要将这些信号输入到放大电路中进行放大处理。

如何利用各种元件设计出合理的放大电路，对信号源进行有效的、减少失真的处理，是这门课程的主要内容。

可以说，“放大”一词，就是这门课的核心。

课时一：二极管及其基本电路一、PN 结1. 形成通过一定的工艺，在同一块半导体的一边掺杂成P 型，另一边掺杂成N 型，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷区，又称势垒区或耗尽层，即为PN 结的形成。

2. 单向导电性PN 结正向偏置时，耗尽层变窄，呈现低电阻，称为正向导通；PN 结反向偏置时，耗尽层变宽，呈现高电阻，称为反向截止。

3. 电容效应PN 结的电容效应包括扩散电容D C 和势垒电容B C 。

4. 反向击穿特性PN 结的反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种现象。

二、半导体二极管半导体二极管就是一个封装的PN 结。

1. 二极管的伏安特性1) 伏安特性表达式二极管是一个非线性器件，其伏安特性的数学表达式为)1(-=T D V v S D e I i在室温下（K T 300=时），mV V T 26=。

[例1.1]在室温下，若二极管的反向饱和电流为nA 1，求它的正向电流为mA 5.0时应加多大的电压。

2) 伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线如下图所示。

模拟电子技术主编第1章半导体二极管及其基本应用1.1.1 半导体的基础知识本证半导体1.定义：纯净的单晶半导体称为本征半导体。

2.本征半导体的原子结构及共价键：共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。

3.本征激发和两种载流子：——自由电子和空穴受温度的影响，束缚电子脱离共价键成为自由电子，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。

在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。

复合现象：空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。

为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。

4. 结论(1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。

（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生,数目相同。

（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。

（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。

这是半导体和导体在导电机制的本质差异。

另一方面，空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。

杂质半导体1.定义：为了提高半导体的导电能力可在本征半导体中掺入微量杂质元素，该半导体称为杂质半导体。

2.半导体分类在本征半导体中有意识加入微量的三价元素或五价元素等杂质原子，可使其导电性能显著改变。

根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N 型）半导体和空穴型（P 型）半导体。

（1）N 型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N 型半导体。

五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。

一、二极管的电容效应二极管具有电容效应。

它的电容包括势垒电容C B和扩散电容C D。

1．势垒电容C B（C r）前面已经讲过，PN结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质；而PN结两侧的P区、N区的电导率高，相当于金属导体。

从这一结构来看，PN结等效于一个电容器。

事实上，当PN结两端加正向电压时，PN结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"，当PN结两端加反向电压时，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。

这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。

势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。

当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大。

目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。

2．扩散电容C DPN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近PN结一侧浓度高，远离PN结的一侧浓度低。

显然，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。

当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。

相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。

因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。

总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容C j相当于两者的并联，即C j＝C B + C D。

二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容C j≈C D；而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，C j≈C B。

二、二极管的等效电路二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。

为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。