关键知识：电子带负电，电流方向与电子运动方向相反。

PN 结

半导体基础

• 半导体：导电能力介于导电和绝缘之间的材料。

• 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体，也就是没有杂质的半导体。

• 杂质半导体：在本征半导体中掺入杂质元素。

载流子：

• 定义：在半导体中传导电流的粒子。包括电子和空穴，电子能导电，空穴也能导电。

• 载流子根据数量分为多子和少子，即字面意思。

• 温度对少子影响大，对多子影响小。

载流子的运动：

• 扩散运动：浓度高的到浓度低的。

• 漂移运动：在外电场的作用下定向移动。

N型半导体：

• 制作工艺：掺入磷（P）的半导体。磷是五价元素，掺入本征半导体后形成4个共价键，并且多出来了一个自由电子，这也就是N型半导体电子比较多的原因。

• 特性：电子多于空穴。电子是多子，空穴是少子。

P型半导体：

• 制作工艺：掺入硼（B）的半导体。硼是三价元素，掺入本征半导体后只能形成3个共价键，剩下了一个空穴，这也就是P型半导体空穴比较多的原因。

• 特性：空穴多于电子。空穴是多子，电子是少子。

PN结的形成

空穴是一个虚拟的概念，我们只用关心电子的运动就行了。

图中的正离子是磷产生自由电子后形成的磷离子，负离子是硼掺杂后产生的，它们在晶格中固定的很牢固，不会移动。

将 N 型半导体和 P 型半导体结合在一起，由于浓度差，N 型半导体的电子扩散到 P 型半导体中，填充了 P 区的空穴（复合运动），中间区域逐渐被中和。

然后正离子和负离子会形成电场，它的强度逐渐增加，阻碍着扩散运动的进行。

在电场的作用下，载流子会发生漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到平衡后，中间会形成一个区域，叫作空间电荷区，又称为耗尽层、PN结。

二极管

P 和 N 型半导体的结合，在添加封装后，就是二极管。

二极管存在半导体体电阻和引线电阻。

单向导电性

（1）正向偏置：外接正向电压（P+N-）

N 区接负极，电源的电子源源不断的流入到 N 区，N 区电子浓度增大，打破了原来的平衡，使扩散运动加剧，使漂移运动减弱，削弱了内电场，因此就导通了。

实际上，在单独连接时，就相当于直接短路了，因此必须添加一个限流电阻。

（2）反向偏置：外接反向电压（P-N+）

N 区接正极，电子从 N 区流出到电源，N 区电子浓度减小，空间电荷区变宽，加强了内电场，使漂移运动加剧，扩散运动减弱，因此就截止了。

漂移运动产生的电流，称为反向电流。

伏安特性曲线

（1）正向特性

当电压大到一定程度才能突破内电场，形成电流，PN 结开始导通时所需的最低电压叫作开启电压$U_{on}$。

二极管要正常导通，外加电压必须大于其开启电压。由于二极管内部存在电阻和势垒压降，实际工作电压通常高于开启电压，这个工作时的电压称为导通电压。

二极管对温度很敏感：

• 若正向电流不变，当温度每升高1℃，正向压降减小 2 ~ 2.5 mV。（即相同输入电压下，温度越高，电流越大。）

• 当温度每升高10℃，反向电流$I_s$约增大一倍。

（2）反向特性

二极管反向偏置时，由于漂移运动，会产生反向漏电流$I_s$。

当电压超过一定数值$U_{BR}$（击穿电压），二极管反向击穿。

PN 结的反向击穿有两种类型，无论哪种类型，若对电流不加以限制，都会造成 PN 结的永久损坏。

PN 结的损坏不是因为反向击穿的电压，而是因为反向击穿时的电流很大，导致 PN 结功率很大，发热严重，烧毁了。

1、雪崩击穿

普通二极管，掺杂浓度低，耗尽层很宽。

在外电场的作用下，内电场不断加强，到达一定程度后，就变成了“离子加速器”。

此时，当自由电子进入耗尽层时，被瞬间加速，撞在共价键上，一下子就给共价键撞断了。

共价键撞断后，离子的价电子也变成了自由电子，然后这些自由电子再被加速，撞击别的共价键。

就这样一传十，十传百，像雪崩一样瞬间产生了大量的自由电子，外在表现为电流瞬间增大。

2、齐纳击穿

稳压二极管，掺杂浓度高，耗尽层很窄。

PN 结很窄，不大的电压就能让它形成很强的内电场，电场直接破坏了共价键，把价电子从共价键中拉出来，形成了大量的自由电子。因此，齐纳击穿电压较低。

另外，温度越高，价电子越容易出来。

从曲线中可以看出，反向击穿时电流的变化很大，但是电压几乎不变，利用该特性制成了稳压二极管。

二极管种类

阳极 A，阴极 K。

根据开关频率、载流能力，二极管又可细分为：

• 开关二极管：工作频率高但电流小。

• 整流二极管：工作频率低但电流大。

主要参数

美森科 的1N4007 A7

一般手册中没有给出最高工作频率，但是普通二极管。

（1）电流相关

最大平均电流电流$I_{(AV)}$，就是工作电流上限。

反向漏电流$I_R$

正向浪涌电流$I_{FSM}$：表示二极管在极短时间内可以承受的 最大正向电流脉冲，而不会被烧毁。

（2）电压相关

正向压降$V_F$：二极管导通时的电压降。

反向耐压：

直流下考虑：

• 重复峰值反向电压$U_{RRM}$

• 直流反向电压$U_{DC}$，也叫作反向击穿电压$U_{BR}$

这两个值一般相等，可视为一个东西。

交流下考虑：

有效值反向电压$U_{RMS}$，等于$U_{RRM} / 根号2$

交流的有效值要小于URMS

（3）信号切换相关

最高工作频率 fm：频率过高，二极管就失去了单向导电性。

反向恢复时间 trr：

结电容$C_J$

（4）温度相关

• $T_J$二极管工作温度范围

• $T_{STG}$二极管储存温度范围

结到环境的热阻$R_{θJA}$：值越小，散热效率越高。

K/W 和 °C/W 在这里是一样的。

这个参数用于评估芯片工作时的温度。

假设环境温度为30℃

就是说它的功率超过0.67W就会过热。

TA 为环境温度

二极管没有最大正向电压这个参数，它看的是电流，二极管能不能承受住热量。

二极管的功耗计算

（一）直流

（二）交流

等效电路

（一）理想二极管的等效电路

• 正向压降为 0 V

• 反向电流为 0 A

（二）直流下二极管的等效电路

导通压降不变。

（三）交流下二极管的等效电路

小信号分析法：先求直流，再求交流，最后叠加起来。

符号说明：

• $i_d$：交流

• $I_D$：直流

• $i_D$：交流直流都有

在交流信号下，二极管的电阻时刻在变化，称为动态电阻。

二极管接直流正向电压时，会产生电流，Q 点就是曲线中反应该电压和电流的点。

用以 Q 点为切点的直线来近似表示微小变化的曲线，根据直线上电压和电流的变化量，可求得此时的动态电阻$r_d=\frac{\Delta u_D}{\Delta i_D}$。

应用电路

（1）二极管限幅电路

（2）二极管整流电路