第3章二极管及其基本电路

章节概览

项目	内容
教材	电子技术基础（模拟部分）第七版，康华光主编
章节编号	第3章
涵盖小节	3.1 ~ 3.5
核心主题	半导体基础 → PN结 → 二极管 → 二极管电路分析 → 特殊二极管

本章知识框架

第3章 二极管及其基本电路
├── 3.1 半导体的基本知识
│   ├── 3.1.1 半导体材料
│   ├── 3.1.2 半导体的共价键结构
│   ├── 3.1.3 本征半导体
│   └── 3.1.4 杂质半导体
├── 3.2 PN结的形成及特性
│   ├── 载流子的漂移与扩散
│   ├── PN结的单向导电性
│   ├── PN结的反向击穿
│   └── PN结的电容效应
├── 3.3 二极管
│   ├── 二极管的结构
│   ├── 二极管的I-V特性
│   └── 二极管的主要参数
├── 3.4 二极管的基本电路及其分析方法
│   ├── 图解分析法
│   ├── 简化模型分析法
│   └── 模型分析法应用举例
└── 3.5 特殊二极管
    ├── 齐纳二极管（稳压管）
    ├── 变容二极管
    ├── 肖特基二极管
    └── 光电器件

3.1 半导体的基本知识

3.1.1 半导体材料

知识点

根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体有硅 Si 和锗 Ge 以及砷化镓 GaAs 等。

3.1.2 半导体的共价键结构

知识点

硅和锗是四价元素，原子最外层有4个价电子。
在单晶结构中，每个原子与周围4个原子通过共价键连接，形成稳定的晶体结构。
共价键中的两个电子被两个原子共享。

图示说明：半导体共价键结构图中，每个原子核标注”+4”（表示4个价电子），相邻原子之间通过共价键（一对电子）相连，形成规则的晶格排列。

对应截图：134025

3.1.3 本征半导体

知识点

概念	定义
本征半导体	化学成分纯净的半导体，在物理结构上呈单晶体形态
空穴	共价键中的空位
电子空穴对	由热激发而产生的自由电子和空穴对
空穴的移动	靠相邻共价键中的价电子依次填填空穴来实现

关键机制

在绝对零度时，本征半导体中没有自由电子和空穴，不导电。
温度升高时，热振动使部分共价键被打破，产生自由电子和空穴（电子-空穴对）。
自由电子带负电，空穴等效带正电，两者都是载流子。

图示说明：本征半导体晶格结构图中，原子核标注”+4”，由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴-电子对。图中标注了”由于热激发而产生的自由电子”和”自由电子移动后而留下的空穴”。

📷 对应截图：134033

3.1.4 杂质半导体

知识点

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

1. N型半导体

掺入五价杂质元素（如磷 P）的半导体。
五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
在N型半导体中：
- 自由电子是多数载流子（多子），主要由杂质原子提供
- 空穴是少数载流子（少子），由热激发形成
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

图示说明：N型半导体晶格图中，中心原子标注”+5”（五价施主杂质），周围原子标注”+4”。施主原子提供的多余的电子成为自由电子，施主原子本身成为施主正离子。

📷 对应截图：134038

2. P型半导体

掺入三价杂质元素（如硼 B）的半导体。
三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。
在P型半导体中：
- 空穴是多数载流子（多子），主要由掺杂形成
- 自由电子是少数载流子（少子），由热激发形成
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

图示说明：P型半导体晶格图中，中心原子标注”+3”（三价受主杂质），周围原子标注”+4”。邻近的电子落入受主的空位，留下可移动的空穴；受主获得一个电子而形成一个负离子。

📷 对应截图：134041

3. 杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下：

序号	参数	数值
①	本征硅的原子浓度	$4.96 \times 1 0^{22} / cm^{3}$
②	$T = 300 K$ 室温下，本征硅激发的电子和空穴浓度	$n = p = 1.4 \times 1 0^{10} / cm^{3}$
③	掺杂后N型半导体中的自由电子浓度	$n = 5 \times 1 0^{16} / cm^{3}$

以上三个浓度基本上依次相差 $1 0^{6} / cm^{3}$ 。

3.1 总结

半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其导电能力与温度、光照或掺杂浓度有关。
本征半导体是一种化学上完全纯净的、结构完整的半导体，自由电子和空穴是分别携带负电荷和正电荷的可移动的粒子，称为载流子。空穴的运动是人们根据共价键中出现的空穴移动虚拟出来的，实际上是共价键中价电子移动形成的。
实际中的半导体并非由本征半导体制成的，而是由杂质半导体制成，分为N型半导体和P型半导体。
- N型半导体：在本征半导体中掺入五价杂质元素形成，多子是电子，少子是空穴。
- P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素形成，多子是空穴，少子是电子。
微量掺杂就可以形成大量的多子，多子是杂质半导体主要导电粒子，杂质半导体的导电率比本征半导体要高很多。
杂质半导体中多子主要由掺杂形成，少子由热激发形成。即温度变化直接影响少子的浓度。

3.2 PN结的形成及特性

载流子的漂移与扩散

知识点

运动类型	定义
漂移运动	在电场作用引起的载流子的运动
扩散运动	由载流子浓度差引起的载流子的运动

PN结的形成

知识点

一块半导体的一侧掺入五价杂质元素形成N型区域，另一侧掺入三价杂质元素形成P型区域，N型区域与P型区域的交界面就会形成PN结。
PN结形成过程中：
- P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散
- 在交界面附近形成空间电荷区（耗尽层）
- 空间电荷区产生内建电场，方向从N区指向P区
- 内建电场阻碍扩散运动，促进漂移运动
- 最终扩散与漂移达到动态平衡

PN结的单向导电性

知识点

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(1) PN结加正向电压时

低电阻
大的正向扩散电流

图示说明：PN结加正向电压时的导电情况图中，P区接电源正极，N区接电源负极。外加电场方向与内建电场方向相反，削弱内电场，使耗尽层变窄，多子扩散运动增强，形成大的正向电流。I-V特性曲线显示正向偏置时电流随电压指数增长。

📷 对应截图：134101

(2) PN结加反向电压时

高电阻
很小的反向漂移电流

在一定的温度条件下，由于本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。反向饱和电流很小，基本认为不导电，称PN结截止。

图示说明：PN结加反向电压时，P区接电源负极，N区接电源正极。外加电场方向与内建电场方向相同，增强内电场，使耗尽层变宽。I-V特性曲线显示反向偏置时电流很小（ $i_{D} = - I_{S}$ ），基本不随电压变化。

📷 对应截图：134104

单向导电性结论

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；
PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

(3) PN结 I-V 特性表达式

$i_{D} = I_{S} (e^{v_{D} / V_{T}} - 1)$

其中：

符号	含义
$I_{S}$	反向饱和电流
$V_{T}$	温度的电压当量

且在常温下（ $T = 300 K$ ）：

$V_{T} = \frac{k T}{q} = 0.026 V = 26 mV$

图示说明：PN结I-V特性曲线图中，横轴为 $v_{D}$ /V，纵轴为 $i_{D}$ /mA。正向偏置区域（ $v_{D} > 0$ ）电流指数增长；反向偏置区域（ $v_{D} < 0$ ）电流趋近于 $- I_{S}$ 。右下角附图为 $y = e^{x}$ 函数图，说明 $lim_{x \to - \infty} e^{x} = 0$ ， $lim_{x \to + \infty} e^{x} = + \infty$ 。

对应截图：134113

PN结的反向击穿

知识点

当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。 $V_{BR}$ 为反向击穿电压。

击穿类型

类型	分类	可逆性	机理
雪崩击穿	电击穿	可逆	反向电压很大数值后，载流子倍增像都陡峻的积雪山坡发生雪崩，使反向电流急剧增大
齐纳击穿	电击穿	可逆	反向电压很大数值后，PN结空间电荷区存在一个很强的电场，能够破坏共价键，分离电子-空穴对
热击穿	—	不可逆	反向击穿电流很大，造成PN结发热，长时间容易烧毁

图示说明：反向击穿I-V特性曲线图中，横轴为 $v_{D}$ ，纵轴为 $i_{D}$ 。在 $v_{D} = - V_{B}$ 处（ $V_{B}$ 为击穿电压），反向电流急剧增大，曲线几乎垂直下降。

📷 对应截图：134116

PN结的电容效应

(1) 势垒电容 $C_{B}$

外加反向电压变化 → 离子层厚薄变化 → 等效于电容充放电
势垒电容由空间电荷区（耗尽层）的电荷量随外加电压变化而产生

图示说明：势垒电容示意图中，(a)电压减小时耗尽层变窄，(b)电压增加时耗尽层变宽。外加反向电压变化导致离子层厚薄变化，等效于电容充放电。

📷 对应截图：134120

(2) 扩散电容 $C_{D}$

外加正向电压变化 → 扩散到对方区域在靠近PN结附近累积的载流子浓度发生变化 → 等效于电容充放电

图示说明：扩散电容示意图中，P区和N区靠近PN结处分别标注了少子浓度分布曲线 $n_{p}$ 和 $p_{N}$ ，横轴为位置 $x$ 。

📷 对应截图：134123

电容效应的意义

势垒电容决定器件能跑多高的频率
扩散电容决定器件能跑多快的开关切换

3.2 总结

由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。由于浓度差引起的载流子从高浓度到低浓度运动成为扩散。
一块半导体的一侧掺入五价杂质元素形成N型区域，另一侧掺入三价杂质元素形成P型区域，N型区域与P型区域的交界面就会形成PN结。
PN结外加正向电压(P高，N低)削弱内电场，利于多子扩散，形成大的正向电流，称为PN结导通。反之，外加反向电压，使内电场增强，形成很小的反相电流，PN结截止。即PN结的单向导电特性。
PN结的单向导电特性：正向电流随正向电压增加，指数规律增大。反向电流基本不随电压变化而变化，但当反向电压增加到一定程度，反相电流会突然增大，意味PN结反向击穿。反向击穿后，PN结两端的电流几乎不变。
PN结还具有电容效应，由扩散电容和势垒电容两部分组成。PN结的电容效应是影响半导体器件的最高工作效率的根本原因。

3.3 二极管

二极管的结构

知识点

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。

类型	特点	应用
(1) 点接触型	PN结面积小，结电容小	用于检波和变频等高频电路
(2) 面接触型	PN结面积大	用于工频大电流整流电路

图示说明：(a)点接触型二极管结构中，金属触丝与N型锗片形成点接触，有阳极引线和阴极引线，外壳封装。(b)面接触型二极管结构中，铝合金小球与N型硅形成面接触，P型支持衬底，有阳极引线和阴极引线，金锑合金底座。

📷 对应截图：134212

(3) 二极管的代表符号

基本符号：阳极 a —▷|— k 阴极（三角形箭头指向阴极）

二极管类型	符号特征
普通二极管	标准三角形+竖线
稳压二极管	三角形+Z形竖线
发光二极管	三角形+竖线+向外箭头
光电二极管	三角形+竖线+向内箭头
变容二极管	三角形+竖线+电容符号

图示说明：右侧附图展示了发光二极管(LED)实物图，标注了负极和正极。

📷 对应截图：134151

二极管的 I-V 特性

知识点

二极管的伏安特性曲线可用下式表示：

$i_{D} = I_{S} (e^{v_{D} / V_{T}} - 1)$

硅二极管与锗二极管对比

参数	硅二极管 (2CP10)	二极管 (2AP15)
死区电压 $V_{t h}$	约 0.5V	约 0.1V
导通电压	约 0.7V	约 0.2V
反向击穿电压 $V_{B R}$	约 -40V	约 -20V
反向饱和电流	很小（nA级）	较大（μA级）

图示说明：左侧为硅二极管2CP10的I-V特性曲线， $V_{B R} \approx - 40$ V， $V_{t h} \approx 0.5$ V，死区标注清晰。右侧为二极管2AP15的I-V特性曲线， $V_{B R} \approx - 20$ V， $V_{t h} \approx 0.1$ V。两图均标注了正向特性、反向特性和反向击穿特性三个区域。

电路说明：右上附图展示了二极管I-V特性测试电路：电源通过电阻R与二极管D串联， $i_{D}$ 为流过二极管的电流， $v_{D}$ 为二极管两端电压。

📷 对应截图：134154

二极管的主要参数

序号	参数	符号	说明
(1)	最大整流电流	$I_{F}$	管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流
(2)	反向击穿电压	$V_{B R}$	管子反向击穿时电压值
(3)	反向电流	$I_{R}$	管子反向击穿时的反向电流，越小越好
(4)	极间电容	$C_{d}$ （ $C_{B}$ 、 $C_{D}$ ）	主要用于高频或开关状态
(5)	反向恢复时间	$T_{R R}$	管子由正向导通到反向截止时的变化时间

图示说明：右侧附图为PN结的高频等效电路（图23.5），由电阻 $r$ 和电容 $C$ 并联组成。

📷 对应截图：134158

3.4 二极管的基本电路及其分析方法

符号约定

在分析二极管电路时，符号中大小写的含义如下：

符号形式	含义	示例
大写字母大写下标	静态值（直流）	$I_{B}$
小写字母大写下标	总量（直流+交流）	$i_{B}$
小写字母小写下标	瞬时值（交流）	$i_{b}$

参见”本书常用符号表”

简单二极管的图解分析方法

知识点

二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。

例3.4.1 图解分析法

题目：电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源 $V_{D D}$ 和电阻 $R$ ，求二极管两端电压 $v_{D}$ 和流过二极管的电流 $i_{D}$ 。

电路说明：电源 $V_{D D}$ 、电阻 $R$ 和二极管D串联。 $i_{D}$ 为回路电流， $v_{D}$ 为二极管两端电压。

📷 对应截图：134215

解：由电路的KVL方程，可得：

$i_{D} = \frac{V _{D D} - v _{D}}{R}$

即：

$i_{D} = - \frac{1}{R} v_{D} + \frac{1}{R} V_{D D}$

这是一条斜率为 $- 1/ R$ 的直线，称为负载线。

$Q$ 的坐标值 $(V_{D}, I_{D})$ 即为所求。 $Q$ 点称为电路的工作点。

图示说明：右侧图中，二极管I-V特性曲线与负载线（斜率为 $- 1/ R$ 的直线）的交点即为Q点（工作点）。负载线与横轴交于 $V_{D D}$ ，与纵轴交于 $V_{D D} / R$ 。

📷 对应截图：134215

二极管电路的简化模型分析方法

1. 二极管 I-V 特性的建模

将指数模型 $i_{D} = I_{S} (e^{v_{D} / V_{T}} - 1)$ 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。

(1) 理想模型

状态	条件	等效
正向偏置	$i_{D} > 0$	$v_{D} = 0$ （短路）
反向偏置	$v_{D} < 0$	$i_{D} = 0$ （开路）

图示说明：(a)I-V特性为理想折线：正向时 $v_{D} = 0$ 电流任意，反向时 $i_{D} = 0$ 电压任意。(b)代表符号为标准二极管符号。(c)正向偏置时的电路模型为短路（导线）。(d)反向偏置时的电路模型为开路（断开）。

📷 对应截图：134219

(2) 恒压降模型

正向导通时，二极管压降为恒定值
硅二极管典型值： $V_{D} = 0.7 V$
锗二极管典型值： $V_{D} = 0.2 V$

图示说明：(a)I-V特性曲线在正向导通区为垂直线（ $v_{D} =$ 常数）。(b)电路模型为理想二极管串联一个电压源 $V_{D}$ 。

📷 对应截图：134222

(3) 折线模型

正向导通时，二极管等效为电压源 $V_{t h}$ 串联电阻 $r_{D}$
硅二极管典型值： $V_{t h} = 0.5 V$

图示说明：(a)I-V特性曲线为折线： $v_{D} < V_{t h}$ 时 $i_{D} = 0$ ， $v_{D} \geq V_{t h}$ 时按斜率 $1/ r_{D}$ 增长。(b)电路模型为理想二极管串联电压源 $V_{t h}$ 再串联电阻 $r_{D}$ 。

📷 对应截图：134222

(4) 小信号模型

将 $Q$ 点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以 $Q$ 点为切点的一条直线。

当 $v_{s} = V_{m} sin ω t$ 时（ $V_{m} ≪ V_{D D}$ ）， $Q$ 点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。

过 $Q$ 点的切线可以等效成一个微变电阻：

$r_{d} = \frac{Δ v _{D}}{Δ i _{D}}$

根据 $i_{D} = I_{S} (e^{v_{D} / V_{T}} - 1) \approx I_{S} e^{v_{D} / V_{T}}$

得 $Q$ 点处的微变电导：

$g_{d} = \frac{d i _{D}}{d v _{D}}_{Q} = \frac{I _{S}}{V _{T}} e^{v_{D} / V_{T}}_{Q} \approx \frac{i _{D}}{V _{T}}_{Q} = \frac{I _{D}}{V _{T}}$

则：

$r_{d} = \frac{1}{g _{d}} = \frac{V _{T}}{I _{D}}$

常温下（ $T = 300 K$ ）：

$r_{d} = \frac{V _{T}}{I _{D}} = \frac{26 ( mV )}{I _{D} ( mA )}$

图示说明：(a)I-V特性曲线中，Q点附近的小范围被放大， $Δ v_{D}$ 和 $Δ i_{D}$ 标注清晰。(b)小信号电路模型为一个微变电阻 $r_{d}$ 。

📷 对应截图：134225; 134228

特别注意

小信号模型中的微变电阻 $r_{d}$ 与**静态工作点 $Q$ **有关。
该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且 $v_{D} ≫ V_{T}$ 。

模型分析法应用举例

(1) 整流电路（理想模型）

电路说明：电源 $v_{s}$ 、二极管D和电阻 $R$ 串联。 $v_{o}$ 为电阻 $R$ 两端的输出电压。

📷 对应截图：134235

当 $v_{s}$ 为正半周时，二极管导通，且导通压降为0V， $v_{o} = v_{s}$ 。

当 $v_{s}$ 为负半周时，二极管截止， $i_{D} = 0$ ， $v_{o} = 0$ 。

图示说明：左侧为电路图。右侧波形图中， $v_{s}$ 为正弦波（完整正弦）， $v_{o}$ 为半波整流波形（仅保留正半周）。

📷 对应截图：134235

(2) 静态工作情况分析

题目：当 $V_{D D} = 10 V$ 时， $R = 10 k Ω$ 。

电路说明：(a)简单二极管电路：电源 $V_{D D}$ 、电阻 $R$ 和二极管D串联。(b)习惯画法：二极管在下方，电阻在上方。

📷 对应截图：134253

模型	计算结果
理想模型	$V_{D} = 0 V$ ， $I_{D} = V_{D D} / R = 1 mA$
恒压模型	$V_{D} = 0.7 V$ （硅二极管典型值）， $I_{D} = (V_{D D} - V_{D}) / R = 0.93 mA$
折线模型	$V_{t h} = 0.5 V$ （硅二极管典型值），设 $r_{D} = 0.2 k Ω$ ， $I_{D} = \frac{V _{D D} - V _{t h}}{R + r _{D}} = 0.931 mA$ ， $V_{D} = V_{t h} + I_{D} r_{D} = 0.69 V$

当 $V_{D D} = 1 V$ 时（自学）

图示说明：三种模型的电路表示：理想模型为开关；恒压模型为开关串联0.7V电压源；折线模型为开关串联0.5V电压源再串联 $r_{D}$ 电阻。

📷 对应截图：134253

(3) 限幅与钳位电路

例1 — 限幅电路：

电路如图， $R = 1 k Ω$ ， $V_{R E F} = 3 V$ ，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当 $v_{I} = 6 sin ω t V$ 时，绘出相应的输出电压 $v_{O}$ 的波形。

电路说明：三个电路并排展示。输入 $v_{I}$ 通过电阻 $R$ 连接到输出 $v_{O}$ ，二极管D和参考电压 $V_{R E F}$ 串联后并联在输出端。左图为基本电路，中图为理想模型分析（二极管用理想开关表示），右图为恒压降模型分析（二极管用0.7V电压源+开关表示）。

📷 对应截图：134257

理想模型：当 $v_{I} > V_{R E F} = 3 V$ 时，D导通， $v_{O} = V_{R E F} = 3 V$ ；当 $v_{I} < 3 V$ 时，D截止， $v_{O} = v_{I}$ 。输出波形在3V处被限幅。
恒压降模型：当 $v_{I} > V_{R E F} + V_{D} = 3.7 V$ 时，D导通， $v_{O} = 3.7 V$ ；当 $v_{I} < 3.7 V$ 时，D截止， $v_{O} = v_{I}$ 。输出波形在3.7V处被限幅。

图示说明：下方两个波形图分别展示了理想模型和恒压降模型的输出。理想模型输出在3V处削顶；恒压降模型输出在3.7V处削顶。输入 $v_{I}$ 为振幅6V的正弦波。

📷 对应截图：134257

例2 — 钳位电路：

电路如图，二极管为硅二极管， $V_{D} = 0.7 V$ ， $v_{s} = V_{m} sin ω t V$ ，且 $V_{m} ≫ V_{D}$ ，绘出相应的输出电压 $v_{o}$ 的波形。

电路说明：电源 $v_{s}$ 通过电容 $C$ 连接到输出 $v_{o}$ ，二极管D并联在输出端（阴极朝上接地）。

📷 对应截图：134300

$v_{s}$ 的负半周，D导通， $C$ 充电，但无放电回路，最后（稳态）：

$V_{C} = V_{m} - V_{D} = V_{m} - 0.7 V (V_{m} 是振幅值)$

此后输出电压为：

$v_{o} = v_{s} + V_{C} = v_{s} + V_{m} - 0.7 V$

将输入波形的底部钳位在了 $- 0.7 V$ 的直流电平上。

若颠倒二极管的方向， $v_{o}$ 的波形将怎样变化？

图示说明：右侧波形图中， $v_{s}$ 为振幅 $V_{m}$ 的正弦波， $v_{o}$ 为被钳位后的波形，底部在 $- 0.7 V$ 处，顶部在 $2 V_{m} - 0.7 V$ 处。

📷 对应截图：134300

(4) 开关电路

题目：电路如图所示，求AO的电压值。

电路说明：6V电源通过二极管D连接到A点，A点通过3kΩ电阻连接到12V电源，O点为参考地（0V）。

📷 对应截图：134303

解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。

则接D阳极的电位为 $- 6 V$ ，接阴极的电位为 $- 12 V$ 。
阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。
导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。
所以，AO的电压值为 $- 6 V$ 。

(5) 小信号工作情况分析

重要提示：直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。

题目：图示电路中， $V_{D D} = 5 V$ ， $R = 5 k Ω$ ，恒压降模型的 $V_{D} = 0.7 V$ ， $v_{s} = 0.1 sin ω t V$ 。

(1) 求输出电压 $v_{O}$ 的交流量和总量； (2) 绘出 $v_{O}$ 的波形。

电路说明：三个电路从左到右排列。(左)原始电路： $V_{D D}$ 和 $v_{s}$ 串联通过电阻 $R$ 和二极管D。(中)直流通路（静态）：仅保留 $V_{D D}$ 、 $R$ 和D，电容开路。(右)小信号模型的交流通路（动态）： $v_{s}$ 通过微变电阻 $r_{d}$ 和 $R$ 分压。

📷 对应截图：134310

解：

静态（直流通路）：

$I_{D} = \frac{V _{D D} - V _{D}}{R}$

微变电阻：

$r_{d} = \frac{V _{T}}{I _{D}}$

交流（小信号通路）：

$v_{o} = \frac{R}{R + r _{d}} \cdot v_{s}$

解得：

$v_{O} = V_{O} + v_{o} = 4.3 + 0.0994 sin ω t (V)$

图示说明：右下角波形图中， $v_{O}$ 为在4.3V直流电平上叠加振幅0.0994V的正弦交流信号。

对应截图：134310

3.5 特殊二极管

3.5.1 齐纳二极管（稳压二极管）

1. 符号及稳压特性

利用二极管反向击穿特性实现稳压（又称稳压管）。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。

图示说明：(a)符号：与普通二极管类似，但阴极竖线为Z字形。(b)伏安特性：反向击穿区域非常陡峭，标注了 $- V_{Z 0}$ 、 $- V_{Z}$ 、 $- I_{Z (m i n)}$ 、 $- I_{Z T}$ 、 $- I_{Z (m a x)}$ 等关键参数，斜率为 $1/ r_{Z}$ 。(c)反向击穿时的模型：稳压值 $V_{Z 0}$ 串联动态电阻 $r_{Z}$ 。

对应截图：134322

2. 齐纳二极管主要参数

序号	参数	符号	说明
(1)	稳定电压	$V_{Z}$	在规定的稳压管反向工作电流 $I_{Z}$ 下，所对应的反向工作电压
(2)	动态电阻	$r_{Z}$	$r_{Z} = Δ V_{Z} /Δ I_{Z}$
(3)	最大耗散功率	$P_{Z M}$	—
(4)	最大/最小稳定工作电流	$I_{Z (m a x)}$ 、 $I_{Z (m i n)}$	—
(5)	稳定电压温度系数	$α_{V_{Z}}$	—

3. 稳压电路

正常稳压时 $V_{O} = V_{Z}$

电路说明：输入电压 $V_{I}$ 通过限流电阻 $R$ 连接到稳压管 $D_{Z}$ （反向接入）和负载 $R_{L}$ 的并联节点。 $I_{R}$ 为流过 $R$ 的电流， $I_{Z}$ 为流过稳压管的电流， $I_{O}$ 为负载电流， $V_{O}$ 为输出电压。

📷 对应截图：134329

稳压条件：

$I_{Z (m i n)} \leq I_{Z} \leq I_{Z (m a x)}$

不加 $R$ 可以吗？——不可以。 $R$ 起限流作用，保护稳压管不被烧毁。

3.5.2 变容二极管

利用PN结的势垒电容随反向电压变化的特性
反向电压越大，结电容越小
用于RC或LC等谐振电路中

图示说明：(a)符号：二极管符号上方叠加电容符号。(b)结电容与电压的关系曲线：横轴为 $- V$ /V（0到25V），纵轴为 $C$ /pF（对数刻度，2到50pF），曲线单调递减。

对应截图：134331

3.5.3 肖特基二极管

特性	说明
电容效应	很小，工作快，适合高频或开关状态
正向压降	比较低（约 0.2V）

图示说明：(a)符号：与普通二极管类似，阴极竖线为S形（肖特基特征）。(b)正向V-I特性曲线对比：肖特基二极管的导通电压比PN结二极管更低，曲线更靠左。

📷 对应截图：134335

3.5.4 光电器件

1. 光电二极管

图示说明：(a)符号：二极管符号加向内箭头（表示接收光）。(b)电路模型：电流源 $i_{p}$ 与二极管并联。(c)特性曲线：横轴为 $v_{p}$ /V（-10到正），纵轴为 $i_{p}$ /μA。不同光照强度 $E$ （200 lx、400 lx）对应不同的反向饱和电流，光照越强反向电流越大。

📷 对应截图：134338

2. 发光二极管（LED）

图示说明：符号为二极管加向外箭头（表示发光）。附图展示了光电传输系统：发光二极管发射电路（0~5V脉冲串通过 $R_{s} = 500Ω$ 驱动LED）→ 光缆 → 光电二极管接收电路（ $V_{C C} = 5 V$ ， $R = 43 k Ω$ ，输出 $v_{o}$ ）。传输速率75元/s。

📷 对应截图：134341

3. 激光二极管

图示说明：(a)物理结构：P型和N型半导体层之间为光活性半导体层，注入电流后从抛光面发射激光。(b)符号：与发光二极管类似。

4. 太阳能电池

光电二极管的主要原理是光电效应：当光子的能量传递给半导体材料时，就能够激发出电子-空穴对，从而形成电流。
太阳能电池的原理是光伏效应：它利用了半导体材料的PN结的光电特性，将光能直接转化为电能。

器件	原理	主要应用
光电二极管	光电效应	光电控制、光电检测、电力计量、光通信、光谱分析
太阳能电池	光伏效应	宇航、交通、通信、农业、家庭照明

图示说明：太阳能电池结构图中，P区和N区形成PN结，太阳光照射产生光电流 $I_{p h}$ ，内电场 $E$ 方向从N到P，负载 $R_{L}$ 连接在两端。

附录：本章核心公式汇总

编号	公式	适用场景
1	$V_{T} = \frac{k T}{q} = 0.026 V$ （ $T = 300 K$ ）	温度电压当量
2	$i_{D} = I_{S} (e^{v_{D} / V_{T}} - 1)$	PN结/二极管 I-V 特性
3	$r_{d} = \frac{V _{T}}{I _{D}} = \frac{26 ( mV )}{I _{D} ( mA )}$	二极管小信号微变电阻
4	$r_{Z} = Δ V_{Z} /Δ I_{Z}$	稳压管动态电阻
5	$i_{D} = - \frac{1}{R} v_{D} + \frac{1}{R} V_{D D}$	负载线方程（图解法）
6	$v_{o} = \frac{R}{R + r _{d}} \cdot v_{s}$	小信号输出电压

附录：本章电路图索引

编号	电路名称	说明
图3.1	N型半导体晶格结构	五价施主杂质提供自由电子
图3.2	P型半导体晶格结构	三价受主杂质产生空穴
图3.3	PN结正向偏置导电情况	P接正、N接负，低电阻大电流
图3.4	PN结反向偏置导电情况	P接负、N接正，高电阻小电流
图3.5	PN结I-V特性曲线	指数正向特性 + 反向饱和电流
图3.6	反向击穿I-V特性	雪崩/齐纳击穿， $V_{B R}$ 为击穿电压
图3.7	势垒电容示意图	反向电压变化→耗尽层变化→等效电容
图3.8	扩散电容示意图	正向电压变化→少子浓度变化→等效电容
图3.9	二极管结构（点接触型/面接触型）	高频用点接触，整流用面接触
图3.10	二极管代表符号	普通/稳压/发光/光电/变容
图3.11	硅/锗二极管I-V特性对比	2CP10 vs 2AP15
图3.12	PN结高频等效电路	$r$ 与 $C$ 并联
图3.13	图解分析法负载线	Q点为I-V曲线与负载线交点
图3.14	二极管四种模型	理想/恒压降/折线/小信号
图3.15	半波整流电路	理想模型， $v_{o}$ 仅保留正半周
图3.16	限幅电路	$V_{R E F}$ 限制输出上限
图3.17	钳位电路	电容+二极管将波形底部钳位
图3.18	开关电路	二极管作为电子开关
图3.19	小信号分析电路	直流通路+交流通路分离
图3.20	稳压管稳压电路	$D_{Z}$ 反向工作， $R$ 限流
图3.21	变容二极管C-V特性	反向电压越大电容越小
图3.22	肖特基二极管V-I特性	低压降、快速
图3.23	光电二极管特性	光照强度影响反向电流
图3.24	光电传输系统	LED发射+光电二极管接收
图3.25	激光二极管结构	P-N光活性层
图3.26	太阳能电池	光伏效应，光能→电能

笔记说明：本笔记根据山东交通学院电子技术基础课程PPT整理，对应教材《电子技术基础（模拟部分）第七版》（康华光主编）第3章。电路图以文字描述形式呈现，如需查看原图请对照PPT截图。后续章节笔记将按相同模板格式补充。

怜清韵

第3章 二极管及其基本电路

第3章 二极管及其基本电路

章节概览

本章知识框架

3.1 半导体的基本知识

3.1.1 半导体材料

知识点

3.1.2 半导体的共价键结构

知识点

3.1.3 本征半导体

知识点

关键机制

3.1.4 杂质半导体

知识点

1. N型半导体

2. P型半导体

3. 杂质对半导体导电性的影响

3.1 总结

3.2 PN结的形成及特性

载流子的漂移与扩散

知识点

PN结的形成

知识点

PN结的单向导电性

知识点

(1) PN结加正向电压时

(2) PN结加反向电压时

单向导电性结论

(3) PN结 I-V 特性表达式

PN结的反向击穿

知识点

击穿类型

PN结的电容效应

(1) 势垒电容 CB​

(2) 扩散电容 CD​

电容效应的意义

3.2 总结

3.3 二极管

二极管的结构

知识点

(3) 二极管的代表符号

二极管的 I-V 特性

知识点

硅二极管与锗二极管对比

二极管的主要参数

3.4 二极管的基本电路及其分析方法

符号约定

简单二极管的图解分析方法

知识点

例3.4.1 图解分析法

二极管电路的简化模型分析方法

1. 二极管 I-V 特性的建模

(1) 理想模型

(2) 恒压降模型

(3) 折线模型

(4) 小信号模型

特别注意

模型分析法应用举例

(1) 整流电路（理想模型）

(2) 静态工作情况分析

(3) 限幅与钳位电路

(4) 开关电路

(5) 小信号工作情况分析

3.5 特殊二极管

3.5.1 齐纳二极管（稳压二极管）

1. 符号及稳压特性

2. 齐纳二极管主要参数

3. 稳压电路

3.5.2 变容二极管

3.5.3 肖特基二极管

3.5.4 光电器件

1. 光电二极管

2. 发光二极管（LED）

3. 激光二极管

4. 太阳能电池

附录：本章核心公式汇总

附录：本章电路图索引

关系图谱

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第3章二极管及其基本电路

第3章二极管及其基本电路

(1) 势垒电容 $C_{B}$

(2) 扩散电容 $C_{D}$