第三章：半导体二极管及其基本电路
本章学习目标
- 理解：PN结的形成原理及其单向导电性。
- 掌握：二极管的伏安特性曲线、主要参数及其物理意义。
- 熟悉：二极管的四种模型（理想、恒压降、折线、小信号），并能根据不同场景选择合适的模型进行分析。
- 掌握：二极管基本电路的分析方法，特别是限幅电路和钳位电路的工作原理。
- 了解：稳压二极管、发光二极管、光电二极管等特殊二极管的工作原理和典型应用。
第一部分：核心知识点详解
半导体基础知识 (预备知识)
- 本征半导体：纯净的、结构完整的半导体单晶体（如硅Si、锗Ge）。
- 在绝对零度时,它是绝缘体。
- 室温下,由于热激发，会产生少量的自由电子和空穴，它们成对出现，称为电子-空穴对，这是半导体导电的基础。
- 杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质，导电能力大大增强。
- N型半导体：掺入五价元素（如磷P），提供大量自由电子（多子），空穴为少子。
- P型半导体：掺入三价元素（如硼B），提供大量空穴（多子），自由电子为少子。
- PN结的形成：
- 将P型半导体和N型半导体结合在一起,由于浓度差，多子会向对方区域扩散。
- P区的空穴扩散到N区,与N区的电子复合；N区的电子扩散到P区，与P区的空穴复合。
- 在交界面附近,留下不能移动的带正电的离子（N区）和带负电的离子（P区），形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层。
- 空间电荷区形成内电场,方向从N区指向P区，这个电场会阻碍多子的继续扩散，但有利于少子的漂移。
- 动态平衡：扩散运动和漂移运动达到相对平衡，形成稳定的PN结。
半导体二极管
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结构：将PN结的P区和N区各引出一个电极，并用管壳封装起来，就构成了二极管，P区为阳极，N区为阴极。
（图片来源网络，侵删） -
伏安特性曲线：描述加在二极管两端的电压与流过它的电流之间的关系，这是理解二极管行为的根本。
- 正向特性：
- 死区电压（开启电压）：当正向电压小于某个值时，外电场不足以克服内电场，正向电流几乎为零，这个电压值对硅管约为0.5V，对锗管约为0.1V。
- 正向导通区：当正向电压超过死区电压后，电流随电压指数级增长，导通后，管压降基本不变，对硅管约为0.6V ~ 0.8V，对锗管约为0.2V ~ 0.3V。
- 反向特性：
- 反向截止区：加反向电压时，只有少数载流子形成的很小的反向电流（反向饱和电流 Is），其值很小且基本不随电压变化。
- 反向击穿区：当反向电压增大到某个临界值（反向击穿电压 U(BR)）时，反向电流急剧增大。普通二极管应避免工作在此区域，否则会因过热而损坏。
- 正向特性：
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主要参数：
- 最大整流电流 IF(AV)：长期工作时允许通过的最大正向平均电流。
- 最高反向工作电压 URM：允许施加的最大反向电压，通常为反向击穿电压的一半。
- 反向电流 IR：未击穿时的反向电流，越小越好。
- 动态电阻 rd：反映二极管在正向导通时，电压变化量与电流变化量的比值，rd = ΔUD / ΔID，在导通点附近，rd很小。
二极管的基本应用电路
分析二极管电路的关键是：首先判断二极管是导通还是截止。
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分析方法：
（图片来源网络，侵删）- 假设二极管断开,计算其阳极和阴极之间的电位差
U_D = U_A - U_K。 - 若
U_D > 0（且大于死区电压），则二极管导通，可用一个等效电压源（如0.7V）代替。 - 若
U_D < 0，则二极管截止，用开路代替。 - 将判断结果代入原电路,求解各支路电压和电流。
- 假设二极管断开,计算其阳极和阴极之间的电位差
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限幅电路（削波电路）
- 功能：将输入信号的幅值限制在某个特定范围之内。
- 工作原理：利用二极管的单向导电性和导通后的恒压降特性。
- 示例（串联下限幅电路）：
- 当输入电压
Vi < 0.7V时，二极管截止，输出电压Vo = Vi。 - 当输入电压
Vi > 0.7V时，二极管导通，输出电压被钳位在7V，即Vo = 0.7V。
- 当输入电压
- 应用：用于信号保护、波形整形等。
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钳位电路
- 功能：将输出信号的顶部或底部钳制在某个直流电平上，基本保持输入信号的波形形状。
- 工作原理：利用电容的储能特性和二极管的单向导电性，将输入信号的直流分量移动一个固定值。
- 示例（顶部钳位在0V）：
- 输入一个方波信号,当方波为正半周时，二极管导通，电容迅速充电至
Vp（峰值电压），极性为左正右负。 - 当方波为负半周时,二极管截止，电容通过负载电阻缓慢放电，由于电容C很大，其电压基本保持不变
Vc ≈ Vp。 - 输出电压
Vo = Vi - Vc，对于负半周Vi = -Vp，则Vo = -Vp - Vp = -2Vp，对于正半周Vi = Vp，则Vo = Vp - Vp = 0V。 - 输出波形被“钳”在了0V。
- 输入一个方波信号,当方波为正半周时，二极管导通，电容迅速充电至
- 应用：用于恢复被电容耦合丢失的直流分量，或在电视信号中恢复同步脉冲。
特殊二极管
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稳压二极管（齐纳二极管）
- 特性：利用PN结的反向击穿特性，击穿是可逆的，只要限制电流，就不会损坏。
- 主要参数：
- 稳定电压 Uz：在规定电流下，两端的稳定电压。
- 稳定电流 Iz：维持稳定电压的工作电流范围。
- 耗散功率 Pz：允许的最大耗散功率
Pz = Uz * Izmax。
- 应用：构成稳压电路，为负载提供一个稳定的直流电压。
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发光二极管
（图片来源网络，侵删）- 特性：正向导通时，电子与空穴复合释放能量，以光子的形式发出光。
- 应用：指示灯、七段数码管、显示屏等。
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光电二极管
- 特性：工作在反向偏置状态，光照越强，反向电流越大，具有光-电转换功能。
- 应用：光接收器、光电传感器、光纤通信等。
第二部分：本章重点与难点
重点
- PN结的单向导电性：这是理解所有半导体器件的基础。
- 二极管的伏安特性：必须能看图说话，理解曲线各段的含义。
- 二极管的四种模型：
- 理想模型：正向导通时压降为0，反向截止时电阻为无穷大，适用于精度要求不高的粗略分析。
- 恒压降模型：正向导通时压
