第二章通常是“半导体二极管及其基本应用”，是整个模电课程的基石，本章内容从最基础的半导体物理知识出发，逐步深入到二极管的特性、模型和实际应用，为后续学习三极管、放大电路等复杂内容打下坚实的基础。
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第二章：半导体二极管及其基本应用
本章的知识体系可以大致分为以下几个部分：
- 半导体物理基础：理解二极管为何具有单向导电性。
- 半导体二极管：介绍二极管的结构、符号和核心特性。
- 二极管的伏安特性曲线：深入理解二极管的核心工作原理。
- 二极管的主要参数：学会如何选择和使用二极管。
- 二极管的等效模型：简化电路分析,是工程设计的核心。
- 二极管的基本应用电路：理论联系实际,掌握常见电路功能。
- 特殊二极管：了解其他类型的二极管及其应用。
第一部分：半导体物理基础
这是理解二极管工作原理的物理根源,通常包含以下关键概念：
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本征半导体
- 定义：纯净的、结构完整的半导体单晶体，如硅（Si）和锗（Ge）。
- 共价键结构：在绝对零度时，所有价电子都被束缚在共价键中，不能自由移动,因此不导电。
- 本征激发：当温度升高或受光照时，少数价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，称为空穴。
- 载流子：自由电子（带负电）和空穴（带正电）统称为载流子。
- 本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，数量相等，导电能力很弱,且对温度非常敏感。
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杂质半导体
（图片来源网络，侵删）- 目的：通过掺杂,显著提高半导体的导电能力。
- N型半导体
- 掺杂：在四价的本征半导体（如Si）中掺入少量五价元素（如磷P）。
- 过程：磷原子最外层有5个价电子，其中4个与周围的Si原子形成共价键,多出的1个电子很容易成为自由电子。
- 结果：自由电子数量远多于空穴，是多数载流子；空穴是少数载流子,主要靠电子导电。
- P型半导体
- 掺杂：在四价的本征半导体（如Si）中掺入少量三价元素（如硼B）。
- 过程：硼原子最外层有3个价电子，与周围的Si原子形成共价键时，会缺少1个电子，形成一个“空位”，这个空位很容易从邻近的共价键中俘获一个电子,从而产生一个空穴。
- 结果：空穴数量远多于自由电子，是多数载流子；自由电子是少数载流子,主要靠空穴导电。
第二部分：PN结与半导体二极管
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PN结的形成
- 扩散运动：将P型半导体和N型半导体结合在一起，由于浓度差，P区的空穴会向N区扩散,N区的电子会向P区扩散。
- 空间电荷区：扩散导致P区靠近交界处因失去空穴而显负电，N区靠近交界处因失去电子而显正电，这个由正负离子构成、不能移动的区域。
- 内电场：空间电荷区形成的电场方向从N区指向P区。
- 漂移运动：内电场会阻碍多数载流子的继续扩散，同时推动少数载流子（P区的电子、N区的空穴）向对方区域运动。
- 动态平衡：当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内电场强度不再变化，这个稳定的区域就是PN结,它是二极管最核心的结构。
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半导体二极管
- 结构：在一个PN结的P区和N区各引出一个电极,并用管壳封装起来。
- 符号：
|>|---(阳极接正,阴极接负) - 核心特性：单向导电性,这是二极管所有应用的基础。
第三部分：二极管的伏安特性曲线
这是描述二极管两端电压和流过电流之间关系的曲线，是理解二极管工作状态的“圣经”。
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正向特性
（图片来源网络，侵删）- 死区电压（开启电压 Vth）：当正向电压较小时，外电场还不足以完全克服内电场，正向电流几乎为零，这个区域称为死区，对于硅管，Vth ≈ 0.5V ~ 0.7V；对于锗管，Vth ≈ 0.2V ~ 0.3V。
- 正向导通区：当正向电压超过死区电压后，内电场被大大削弱，正向电流随电压指数级增长，二极管两端电压基本维持在导通电压（硅管约0.7V，锗管约0.3V）。
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反向特性
- 反向截止区：当二极管加反向电压时，外电场与内电场方向一致，使得空间电荷区变宽，多数载流子几乎无法通过，只有少数载流子形成的非常微弱的反向饱和电流（Is），通常在微安（μA）甚至纳安级别,可近似认为为零。
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反向击穿区
- 当反向电压增大到某个临界值时，反向电流会突然急剧增大，这个现象称为反向击穿。
- 击穿电压：发生击穿时的反向电压。
- 分类：
- 电击穿：可逆的，当反向电压降低后，二极管可恢复正常，分为齐纳击穿（掺杂浓度高，耗尽层窄，强电场直接拉出电子）和雪崩击穿（掺杂浓度低，耗尽层宽，少数载流子被加速后碰撞电离产生新载流子）。
- 热击穿：不可逆的，击穿后电流过大,导致PN结温度过高而永久烧毁。
- 应用：普通二极管应避免工作在反向击穿区，但稳压二极管是专门工作在反向击穿区来稳定电压的。
第四部分：二极管的主要参数
- 最大整流电流：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，超过此值,可能因过热而烧毁。
- 最高反向工作电压：允许施加在二极管上的最大反向电压,通常取反向击穿电压的一半。
- 反向电流：指二极管在最高反向工作电压下的反向电流，此值越小,二极管的单向导电性越好。
- 最高工作频率：由于PN结存在结电容，当频率过高时，二极管的单向导电性会变差,该参数限制了二极管可用于的最高信号频率。
第五部分：二极管的等效模型
为了简化含有二极管的电路分析,工程上常使用不同的模型来近似描述二极管的特性。
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理想模型
- 特点：正向导通时，压降为0，相当于开关闭合；反向截止时，电流为0,相当于开关断开。
- 适用场景：电路的定性分析、估算,当电源电压远大于二极管导通压降时。
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恒压降模型
- 特点：正向导通时，压降为一个恒定值（硅管取0.7V，锗管取0.3V），相当于一个0.7V的电池；反向截止时,电流为0。
- 适用场景：大多数工程计算，比理想模型更精确,且计算简单。
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折线模型（小信号模型）
- 特点：用一个直流电源（Vth）和一个动态电阻（rd）串联来表示。
- Vth：死区电压或导通电压（0.5V或0.7V）。
- rd：二极管在静态工作点附近微变电压与微变电流的比值，
rd ≈ VT / IQ，其中VT为热电压（常温下≈26mV）,IQ为静态工作点电流。
- 适用场景：分析含有直流偏置和交流小信号的电路（如放大电路的直流分析和交流分析）。
- 特点：用一个直流电源（Vth）和一个动态电阻（rd）串联来表示。
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指数模型
