news 2026/5/25 17:18:26

模电复习-二极管及基本电路、半导体材料与PN结特性

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张小明

前端开发工程师

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模电复习-二极管及基本电路、半导体材料与PN结特性

本章重点在于二极管的特性、曲线以及基本电路的分析方法,以下是重点知识以及例题

常用的半导体材料有哪些?

主要有:硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。其中是最常用、最广泛的半导体材料,因其储量丰富、热稳定性好、氧化膜性能优良。

●硅原子波尔原子模型最外层有几个电子?一个硅原子要与周围
的几个硅原子形成共价键?

最外层电子数:硅原子最外层有4个电子(价电子)共价键数量:一个硅原子与周围的4个硅原子形成4个共价键,构成正四面体结构的晶体

●什么是本征半导体?什么是本征激发?
●什么是半导体中的载流子,有哪两种载流子?
能够自由移动的带电粒子,自由电子、空穴
●什么是空穴?空穴用来描述谁的导电?
●什么是掺杂半导体,有哪两种掺杂半导体?
●如何形成P型半导体,P型半导体的多子和少子是什么?
  • 多数载流子(多子)空穴

  • 少数载流子(少子)电子

●如何形成N型半导体,N型半导体的多子和少子是什么
  • 多数载流子(多子)电子

  • 少数载流子(少子)空穴

在半导体中,载流子有哪两种运动?分别如何描述?
  1. 漂移运动:在电场作用下,载流子的定向运动,运动方向与电场方向有关

  2. 扩散运动:由于浓度差引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动

●PN结是如何形成的?PN结还有其他三个别名,是什么?
  • 形成过程:P型半导体与N型半导体结合后,因浓度差产生多子扩散,在交界面形成空间电荷区,产生内建电场,最终扩散与漂移达到动态平衡

  • 三个别名空间电荷区耗尽层势垒区

●什么是PN结的单向导电性?PN结的正向偏置和反
相偏置是什么?
  • 单向导电性:PN结在正向偏置时导通反向偏置时截止的特性

  • 正向偏置:P区接极,N区接极,外电场削弱内建电场,PN结导通

  • 反向偏置:P区接极,N区接极,外电场增强内建电场,PN结截止

●用I-V特性图和方程如何表述PN结的单向导电性?
  • 伏安特性方程:iD​=IS​(euD​/UT​−1)

    • IS​ :反向饱和电流

    • UT​ :温度电压当量(常温约26mV)

  • 特性描述

    • 正向:uD​>0 时,电流随电压指数增长

    • 反向:uD​<0 时,电流很小(≈IS​ ),基本保持不变

●什么是PN结的反向击穿?有哪两种电击穿?●电击穿和热击穿产生后造成的结果有什么不同?
●PN结的电容效应影响半导体器件的什么特性?
主要影响半导体器件的高频特性限制工作频率
●PN结的电容效应描述成为哪两种电容?
  • 势垒电容(CB​ ):描述耗尽层电荷变化

  • 扩散电容(CD​ ):描述扩散区非平衡少子电荷变化

●PN结正偏和反偏时,那种电容起主导作用?
  • 正向偏置扩散电容起主导作用

  • 反向偏置势垒电容起主导作用

二极管是PN结的物化器件,其结构可分为哪两类?各自特点是?
  1. 点接触型二极管

    • 特点:结面积,结电容,工作频率,但允许通过的电流

    • 应用:高频检波、脉冲数字电路

  2. 面接触型二极管

    • 特点:结面积,结电容,工作频率,但允许通过的电流

    • 应用:整流电路

重点:二极管曲线及其特性

●请记住二极管的I-V特性曲线图,曲线图可以分成几个部分,各自
描述了二极管的什么特性?描述每个特性是怎么样的。

曲线分为三大部分:

  1. 正向特性

    • 描述:存在死区电压(硅管约0.5V,锗管约0.1V),超过后电流指数增长

    • 特点:导通后压降基本稳定(硅管约0.7V,锗管约0.2V)

  2. 反向特性

    • 描述:反向电压下仅有很小的反向饱和电流IS​ (硅管nA级)

    • 特点:电流几乎不随电压变化

  3. 反向击穿特性

    • 描述:反向电压超过击穿电压UBR​后,电流急剧增大

    • 特点:击穿后电压基本稳定

●二极管的主要参数有哪些?
●如果二极管用于检波、开关电路,我们应最关心哪些参数?
  • 最高工作频率fM​(要求结电容小)

  • 反向恢复时间trr​(影响开关速度)

  • 正向压降UF​

●如果二极管用于整流电路,我们应最关心哪些参数?
  • 最大整流电流IF​(承受负载电流)

  • 最高反向工作电压UR​(承受反向峰值电压)

  • 反向恢复时间trr​(高频整流时重要)

●二极管是一种非线性器件,为了避免分析非线性电路的复杂,通常
使用哪两种分析方法进行分析?
  1. 图解法:利用特性曲线和负载线作图求解

  2. 模型分析法(等效电路法):用线性电路模型等效非线性二极管

●使用图解法分析的前提是?
  • 已知二极管的伏安特性曲线

  • 已知外电路参数(电源电压、负载电阻等)

●描述使用图解法求解二极管两端电压电流的过程。
  1. 列负载线方程:根据KVL写出 UD​=VCC​−ID​R

  2. 画特性曲线:在坐标系中画出二极管伏安特性曲线

  3. 画负载线:在坐标系中画出负载线(两点法:ID​=0 时UD​=VCC​ ;UD​=0 时ID​=VCC​/R )

  4. 确定工作点特性曲线与负载线的交点Q即为静态工作点

  5. 读取数值:Q点的横坐标为UD​ ,纵坐标为ID​

●图解法有什么优点和缺点?
  • 优点直观形象,能全面反映器件工作状态,便于观察参数变化的影响

  • 缺点过程繁琐,精度不高,需已知特性曲线,不适合复杂电路分析

●模型分析法中,介绍了几种二极管的简化模型?

●模型分析法中,介绍了哪几种常用的二极管电路

重点:用模型法分析,求电压

书中介绍的特殊二极管, 一共有哪几种?
  1. 稳压二极管(齐纳二极管)

  2. 肖特基二极管

  3. 光电二极管

  4. 发光二极管(LED)

  5. 变容二极管

稳压二极管正常工作时处于什么状态?
反向击穿状态(利用PN结的反向击穿特性来稳定电压)
肖特基二极管有什么特点?
  • 正向压降小(约0.3-0.5V,硅管0.7V)

  • 开关速度极快(反向恢复时间极短,ps级)

  • 结电容小(适合高频)

  • 反向耐压低(一般<100V)

●光电二极管是将什么转换成什么的器件?
光信号转换成电信号的器件(工作在反向偏置状态)
●某年的诺贝尔物理学奖发给了什么颜色的LED?
2014年诺贝尔物理学奖发给了蓝色LED
●LED发光后如何形成激光
LED + 粒子数反转 + 光学谐振腔 = 半导体激光器

重点练习

参考康华光第七版模电

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