模拟电子技术

模块1二极管的分析与应用

学习目的

要知道：N型和P型半导体的区别、PN结的导电特性、硅和锗二极管阔值电压和正向导通电压值、温度对二极管特性和参数的影响、常用特种二极管以及倍压整流的使用要点。

会计算：二极管电路参数（用等效电路法）、单相桥式整流电路、单相桥式整流电

容滤波电路的输出电压和输出电流。

会画出：单相桥式整流电容滤波电路、二极管限幅电路的输出波形。

会确定：选用二极管、滤波电容、变压器所依据的主要参数。

会分析：单相桥式整流电容滤波电路中的故障原因。

会判断：二极管引脚极性和质量的好坏（用万用表）。

单元1.1二极管的认知

知识准备

二极管又称为晶体二极管，简称二极管。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，利用不同参数的二极管和一定参数的电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电流整流，对调制信号检波、限幅和钳位以及实现对电源的稳压等多种功能。无论在常见的收音机电路中还是在其他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。

二极管的内部核心是一个PN结，PN结是一块P型半导体和一块N型半导体有机结合所产生的一个区域。下面介绍半导体的基本知识，重点介绍PN结的导电特性。

1.1.1PN结

1.本征半导体

导体（如金、银、铜、铝、铁等）很容易导电，因为导体内部有着大量的自由电子（已经摆脱原子核束缚的电子称为自由电子），在外电场作用下，这些自由电子会逆电场方向运动，形成较大的电流，这就是导体具有良好导电能力的基本原理。在外电场作用下，物质内部能形成电流的粒子称为载流子。自由电子在外电场作用下，能形成带负电荷的电子流（称其为电子载流子）。导体内部电子载流子很多，所以导电能力强。在绝缘体中，其原子核外电子受原子核束缚力很大，自由电子很少，因此在正常情况下，绝缘体内电子载流子很少，所以很难导电。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体，其导电能力与它内部载流子的多少有关。

几乎不含杂质的纯净半导体称为本征半导体。目前用于制造半导体器件的材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）等，其中以硅和锗最为常用。硅和锗制成单晶体后，都是共价键结构。硅和锗的原子最外层有4个价电子。图1-1表示了硅或锗晶体的共价键结构。每个硅或锗原子与其相邻的4个原子的价电子发生联系，使每个硅或锗原子外层有8个电子，以求得稳定结构。

（1）本征半导体中的两种载流子——电子和空穴

在本征半导体中，原子外层价电子受到原子核的束缚力，没有绝缘体里的价电子那么大，因此在室温下，总有少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。本征硅或锗每产生一个自由电子，必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对出现（如图1-2所示），称为电子空穴对。在室温下，本征半导体内产生的电子空穴对数目是很少的。

本征半导体在室温下，其内部自由电子可以自由运动，空穴是怎样运动的呢？在一个价电子成为自由电子后，同时产生了一个空穴。原子本来是电中性的，在失去一个带负电的电子后，留下的空穴相当于带正电荷的粒子，它所带电量与电子相等、符号相反。有了这样一个带正电的空穴，附近的价电子就很容易跳过来填充这个空穴，这时空穴就转移到相邻的原子上去了。图1-2中A处共价键出现空穴以后，相邻原子的价电子（如B处价电子）填补了A处空穴，结果空穴从A处移到了B处。同理，B处空穴也很容易被相邻原子的价电子来填补，因此空穴运动实质上是价电子填补空穴的运动，空穴运动方向与价电子运动方向相反。

为了区别于自由电子的运动，把这种与价电子运动方向相反的运动称为空穴运动。由此可见，在本征半导体中，有自由电子和空穴两种带电粒子，它们在半导体中均可自由运动，不过这种杂乱的自由运动不会使本征半导体呈现电性。当本征半导体处在外界电场作用下，其内部自由电子逆外电场方向定向运动，形成电场作用下的漂移电子流，空穴顺外电场方向定向运动，形成电场作用下的漂移空穴流，因为在电场作用下，自由电子带负电荷，空穴带正电荷，它们都对形成电流做出贡献，因此称自由电子为电子载流子，空穴为空穴载流子。

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