1.3 晶体二极管及其应用

将PN结半导体芯片在P区和N区各引出一条分别称做正极和负极的金属引线，将芯片适当封装后就制成了一只普通晶体二极管。显然，普通二极管的核心是一个PN结，二极管的特性决定于PN结的基本特性。二极管的结构示意图和电路符号如图1-16所示。在图1-16（b）中，二极管符号中的箭头方向就是二极管正向电流的方向。

按生产工艺的不同，二极管可以分为点接触型和面接触型，后者又可以分为面结型（用合金法生产）和平面型（用扩散法生产）两种类型。不同类型二极管的应用领域有所不同，这些知识在很多教材上都有介绍。

1.3.1 晶体二极管的伏安特性

1.二极管的伏安特性方程

晶体二极管简称二极管，它的伏安特性反映了其电流与端电压之间的关系。二极管的伏安特性可用PN结的电流方程来表示。理论分析指出，在一定的近似条件下，PN结的电流与电压的关系满足方程

此式为著名的PN结伏安特性方程。式中，uD是加在二极管上的端电压，UT是一个量纲为电压且与温度有关的物理量，可称UT为热电压当量，UT=kT/q；当T=300 K时，UT=26 mV。IS即为PN结反向饱和电流，与少数载流子浓度有关。

在式（1-14）的具体应用中，正偏时取uD＞0，即式（1-14）以正偏电压方向作为参考方向（即正方向），故反偏时uD应代入负值。

（1）正偏PN结伏安特性方程

当二极管两端加正向偏置电压（即uD＞0），且当uD＞4UT时，euD/UT≫1，由式（1-14）可得出二极管的正偏伏安特性方程为

显然，PN结正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。以电压为横坐标，电流为纵坐标，由式（1-15）可画出PN结的伏安特性曲线。以硅PN结为例，取IS=0.1 pA，所画出的曲线如图1-17所示。

观察图1-17可发现，当硅管（Si）的uD＜0.5 V时，正向电流实际很小，不能认为PN结真正导通。而当uD＞0.6 V以后，正向电流急剧增大，PN结呈现较陡的伏安特性。即正偏PN结存在着一个导通电压UON，称为二极管的正向开启（死区或门限）电压。硅PN结导通电压的典型值为0.6 V，锗PN结导通电压的典型值为0.2 V。

（2）反偏PN结伏安特性方程

当二极管两端加反向偏置电压（即uD＜0），且uD≪-4UT时，euD/UT≪1，由式（1-14）可得出二极管的反偏伏安特性方程：

可见，反向电流不随反向偏压而变化，反偏时PN结仅有很小的反向饱和电流，相当于截止，可看成一个高阻抗的元件。

一般硅（Si）PN结的反向饱和电流IS在10-9 ～10-15 A量级，锗（Ge）PN结的IS在μA量级。即PN结具有单向导电特性，PN结方程所揭示的规律与前面的分析是一致的。图1-17表明了Si管和Ge管伏安特性的差别。

另外还需注意：①二极管反偏时，Ge管的反向饱和电流至少比Si管大三个数量级以上。由于PN结经过封装后存在着漏电阻，这使得实际二极管的反向饱和电流随反偏电压的增大略有增大。②温度增加时，二极管的反向饱和电流明显增大，其规律是：每温升10℃，反向饱和电流增大约1倍。二极管的正向特性也与温度有关。温度升高时，正向伏安特性曲线左移，大致的规律是：每温升1℃，曲线左移2～2.5 mV。二极管的这种正向温度特性表明：如果外加正向偏压不变，当温度增加时，正向电流也会增大。图1-18示意了温度对二极管伏安特性的影响。

（3）反向击穿现象及原因

当PN结反偏电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿。反向击穿发生时的电压值BUR如图1-17所示，称为反向击穿电压。导致出现反向击穿的原因有下面两种：

①雪崩击穿（价电子被碰撞电离）。对低掺杂的PN结，由于其耗尽层较宽，当反偏电压较大时，结内载流子有足够的空间被电场力不断加速而获得很大的动能，它们会与共价键中的价电子碰撞使其脱离共价键，产生新的电子-空穴对，这一现象称为价电子被碰撞电离。碰撞电离一旦发生，新产生的载流子又会被电场加速后与价电子碰撞，发生更新的碰撞电离，从而使载流子数像雪崩似的迅速增多，导致反向漂移电流急剧增大。

②齐纳击穿（价电子被场致激发）。对于高掺杂的PN结，击穿的原因有所不同。由于高掺杂PN结的耗尽层很窄，载流子没有足够的空间加速而获得很大的动能，雪崩击穿不会发生。但很窄的耗尽层使得在不大的反偏电压作用下结内会产生很强的电场，强大的电场力能将结内共价键中的价电子拉出共价键，产生电子-空穴对，这种现象称为场致激发。场致激发发生后，结内载流子数大大增加，从而导致反向电流很快增大。

两种击穿的特征如下。

雪崩击穿电压较高，一般高于6V。温度升高时，击穿电压增大。这是因为在温度升高时载流子无规则热运动加剧，难于被定向加速，载流子要在更大的反偏电压作用下才会获得发生碰撞电离所需的速度。

齐纳击穿电压较低，一般低于4V。温度升高时，击穿电压减小。在温度升高时，价电子更“活跃”，更容易被电场力拉出共价键，故产生场致激发所需的反偏电压在温度高时减小。

以单向导电特性应用于电路的普通二极管应避免发生反向击穿。使用时最大反向电压必须小于手册中规定的值。但是反向击穿是一种可逆的电击穿，击穿发生时只要限制电流的大小，使二极管消耗的平均功率（平均管耗）不超过允许值，则减小反偏电压后，二极管又会回复到反向截止状态。但如果击穿后没有合理的限流措施，使二极管耗散功率过大，结温过高，便会造成二极管因过热而损坏。这种“烧管”的现象称为热击穿。

1.3.2 二极管的直流电阻和交流电阻

线性电阻的伏安特性是一条直线。即线性电阻R的值是常数。与线性电阻的伏安特性比较，二极管的伏安特性为曲线，因此，二极管是一种非线性器件。一般对非线性器件电阻的定义有直流电阻和交流电阻两种形式。

1.直流电阻RD

一般把加在二极管上的直流偏置电压UD和直流偏置电流ID称为二极管的静态工作点（Q），那么二极管的直流电阻RD定义为：静态工作点处的直流电压和直流电流的比值。即

图1-19中给出了在Q1 和Q2 两个工作点处的直流电阻RD1和RD2，即RD1 =UD1/ID1，RD2 =UD2/ID2。显然，RD2 ＜RD1。即工作点处电流越大，二极管的直流电阻越小。二极管反偏时因电流极小，故反偏时直流电阻很大。二极管正、反向直流电阻相差很大正是二极管单向导电特性的反映。

2.交流电阻rd

在二极管静态工作点处电压的微变增量与相应的电流微变增量的比值称为二极管在该点处的交流电阻rd。根据该定义，二极管在工作点（Q）处的交流（动态）电阻rd被表示为

由式（1-18）的几何意义可知，rd就是伏安特性曲线在工作点处切线斜率的倒数。当在工作点附近的电压增量 ΔU和电流增量 ΔI很小时，可用增量比来估算，如图1-20所示，即

将二极管的伏安特性方程代入式（1-18），可求得rd的估算公式为

式（1-20）表明：二极管的交流电阻与工作点（Q）处的静态电流ID近似成反比。例如，当T=300 K、ID=lmA时，rd≈26 mV/1 mA=26 Ω。若ID增大1倍，则rd≈13 Ω。但要指出：上述结论只是比较粗略的工程估算。不同类型的二极管在电流相同时rd 仍有差别。当二极管电流很大时，使用式（1-20）估算rd，误差会较大。

交流电阻又称微变电阻、增量电阻或动态电阻，它是非线性电阻器件的一个重要概念，应注意在学习中逐步加深理解其含义和用处。对线性电阻而言，直流电阻与交流电阻其值相同。二极管的交流电阻rd与直流电阻RD是两个不相同的概念。

3.二极管的其他参数

在二极管手册里，生产厂家会给出一些二极管参数，现简单介绍如下。

最大平均整流电流IF：指二极管允许流过的最大平均电流。若超过该电流，二极管可能因过热而损坏。IF与环境温度等散热条件有关，故手册上给出IF值时往往注明温度条件。

最大反向工作电压UR：二极管反偏电压过大可能发生反向击穿，UR指使用时加在二极管上的最大反向电压，即UR在数值上应小于反向击穿电压BUR。

反向电流IR：IR就是反向饱和电流IS。手册上一般要注明IR是在什么反向电压和什么温度下测得的。

最高工作频率fM：若加在二极管上的交流电压频率超过该值，二极管的单向导电性能将明显变差。有时候手册上会给出二极管结电容和反向恢复时间，这些都是与fM相关的参数。

1.3.3 二极管模型

在分析含二极管的电路时，如果直接用二极管方程来计算，则涉及非线性方程的求解问题。虽然借助于计算机用诸如牛顿-拉夫森法等迭代法可以求解，但需要编程且分析会十分复杂。工程上的做法是将二极管用理想元件构成的等效电路来近似后再对电路分析计算，这样既简化了分析，结果也合理。这种能近似反映电子器件特性的由理想元件构成的等效电路称为器件的模型。线性电阻、电容和电感以及独立源、受控源，都是构成器件模型的基本理想元件。

1.二极管伏安特性的分段线性近似模型

（1）理想开关模型

该模型把二极管视为一个理想开关（理想二极管），即正偏时正向电压为零，反偏时反向电流为零。被看做理想开关的二极管，其伏安特性曲线如图1-21所示。理想二极管开关与普通机械开关的不同之处是：二极管开关合上时的电流和断开时的电压都只允许是单向的。工程上二极管理想开关模型常用于大电压时电路的近似分析。

（2）恒压源模型

该模型认为，二极管反偏，或正偏电压小于导通电压UON时，二极管截止，电流为零；当二极管导通后，其端电压维持UON不变。二极管的恒压源模型及伏安特性曲线如图1-22所示。该模型成立的根据是：当二极管导通，特别是电流较大时，交流电阻很小，故可以认为这时二极管端电压不随电流变化，即具有恒压特性。显然，恒压源模型更适合大电流时电路的近似分析。必须指出：模型中的恒压源UON只能吸收功率，因为它并非真实元件，只是使二极管对其外部电路等效的一个模型。

（3）折线近似模型

该模型认为，二极管电压uD≤UON时，iD=0；当uD≥UON时，二极管导通，且交流电阻rd不变。其模型和伏安特性曲线如图1-23所示。与理想开关和恒压源模型比较，折线近似模型更准确，特别是在电流较大时。

以上三种模型都是将二极管整个伏安特性曲线用分段的直线来近似，它通常适用于分析含二极管的大信号电路。

【例1-1】 Si二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图1-24所示。求二极管工作点UD和ID的值。

解：将二极管用恒压源模型近似后求解电路。对于导通的Si管，其工作点电压UD变化不大，可取UD≈UON≈0.7 V，由此可算出

ID≈E-UONR ≈3-0.7300 =7.67（mA）

估算法求工作点是工程上最常用的“手算”方法，该方法计算简单且结果合理。估算法其实就是将二极管用恒压源模型近似后求解电路。

【例1-2】 求解图1-25所示的多二极管电路中的电流ID2和电压UO，假设每个二极管的UON=0.7 V。

解题技巧：分析多二极管电路时需要确定每个二极管是导通还是截止。很多情况下，不是简单判断就可以的，这需要首先猜测每个二极管的状态，然后分析电路检验得出的解和最初的猜想是否一致。为了做到这些，可以采用以下步骤：

①假设一个二极管的状态。如果假设一个二极管导通，则二极管两端的电压就为UON；如果假设一个二极管截止，则二极管的电流就为零。

②用假设的状态分析“线性”电路，估算每个二极管的结果状态。如果开始假设二极管为截止，并且分析显示ID=0和二极管端电压UD≤UON，那么假设就是正确的。如果分析的结果显示ID＞0和UD≥UON，那么最初的假设就不成立。同样，如果开始假设二极管为导通，并且分析显示ID≥0和UD≥UON，那么假设就是正确的。如果分析的结果显示ID＜0或UD≤UON，那么最初的假设就不成立。

③如果任何一个最初的假设被证明是不成立的，那么必须再做一次新的假设，然后重新分析新的“线性”电路。必须重复第②步。

解：首先假设二极管VD1和VD2都处于导通状态，根据电路列写节点A、B的电流方程，可得

注意到UB=UA-0.7，联立这两个方程并消去ID2，可得UA=7.62 V和UB=6.92 V，代入上式可得ID2 =-0.786 mA。

以上曾假设VD2导通，所以负的二极管电流和最初的假设不一致，需要重新做一次假设。

现在重新假设二极管VD2截止和VD1导通。为了求得节点电压UA和UB，可以应用分压公式计算，结果为

这些电压显示二极管VD2确实反向偏置截止，所以ID2 =0。

2.二极管的交流小信号模型

当在二极管的工作点Q（UD，ID）电压和电流上叠加有低频的交流小信号电压ud和电流id时，只要工作点Q选择合适，ud和id足够小，那么Q点附近的一定范围内伏安特性曲线可近似看成直线，则交流电压ud和电流id之间的关系可用一个线性电阻来近似，这就是二极管的小信号模型。显然，二极管小信号模型就是工作点处的交流电阻rd，如图1-26（b）所示。需要强调的是：小信号模型不反映总的电压与电流的关系，只反映叠加在工作点上的交变电压与交变电流之间的关系。

【例1-3】 若在例1-1的电路中串联一个正弦电压源u（t）=100sin2π×104t（mV），图1-27（a）为其电路图，估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值Udm和Idm（T=300 K）。

解：当正弦电压源未加上，即u（t）=0V时，利用例1-1的计算结果，二极管的工作点UD=0.70 V，ID=7.67 mA，利用式（1-20），可估算出该工作点处的交流电阻为

rd≈UT/ID=26 mV/7.6 mA=3.39 Ω

当加上正弦电压u（t）后，电阻R和二极管将分别在其直流电压UR和UD的基础上叠加一个交流电压成分ur和ud。如果工作点选择的较合适，输入交流信号又比较小，那么二极管在电路中可近似等效为一个线性元件，利用线性电路的叠加原理，可以画出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称为交流等效电路（又称为交流通路），如图1-27（b）所示。由此等效电路可求出

Idm=Um/（R+rd）=100/（300+3.39）=0.33（mA），Udm=rdIdm=1.12（mV）

1.3.4二极管应用电路举例

二极管作为一种非线性器件应用非常广泛。在低频电路和脉冲电路领域里，二极管常用做整流、限幅、钳位、稳压等波形处理和变换；二极管与集成运算放大器配合，还可完成对信号的对数、指数、乘法和除法等运算。在高频电路中，二极管是检波、调幅、混频等各种频率变换电路的重要器件。这里只介绍一些二极管电路的简单例子，其目的是初步培养学生分析电子电路的能力。

1.二极管整流电路

利用二极管的单向导电性可设计出二极管整流电路，如图1-28（a）所示。假设输入信号ui（t）是振幅为3 V的正弦电压，如图1-28（b）所示。当ui（t）＞0（输入信号的正半周）时，二极管导通，电路中有电流i流过负载电阻R，产生输出信号uo（t）=ui（t）-UON≈ui（t）。而当ui（t）＜0（输入信号的负半周）时，二极管截止，电路中的电流i=0，输出信号uo（t）=0，如图1-28（c）所示。

2.二极管限幅电路

分析图1-29（a）所示的电路，假设输入信号ui（t）是振幅为3 V的正弦电压，如图1-29（b）所示。Si二极管VD1和VD2可以用恒压源近似（UON≈0.7 V）。当|ui（t）|＜UON时，VD1和VD2均未导通，视为开路，故限流电阻R上电流为零，此时uo（t）=ui（t）。当ui（t）＞UON时，VD1导通（VD2 仍截止），使uo（t）保持0.7 V不变；当ui（t）＜-UON时，VD2 导通（VD1 截止），uo（t）保持在 -0.7 V。这样，输出电压uo（t）便被限幅在 ±0.7 V之间，如图1-29（c）所示。这是一种双向限幅电路。

如果在VD1和VD2上串联合适的恒压源，便可实现对输入信号在任意电平上进行限幅（见习题1.6）。若将二极管限幅支路改为一个二极管，则为单向限幅电路。由于二极管在限幅时并非理想恒压源，这使得限幅期间电压仍会有点变化，故二极管限幅属于“软限幅”。

限幅电路在脉冲电路中常用做波形变换，如将正弦电压变为方波。在模拟电子设备中，限幅电路可用做保护电路。例如接收机输入端在遇到强电压干扰时，可能造成电路不能正常工作甚至损坏设备。若在输入端加入限幅器，则可避免这种情况。对正常接收的信号，由于输入信号幅度很小，限幅器并不起作用。

3.二极管钳位电路

钳位电路是一种能改变信号直流电压成分的电路。图1-30（a）是一个简单的二极管钳位电路的例子。假设输入信号ui（t）是幅度为±2.5 V的方波，如图1-30（b）所示。当ui（t）为负半周时，二极管导通。由于二极管导通电阻rD很小，使电容C被迅速充电到ui（t）的峰值电压2.5 V（应满足条件：T/2比rDC大数倍，T为输入方波的周期）。当ui（t）为正半周时，二极管截止，电容无法放电，uo（t）=ui（t）+2.5 V=5 V。当ui（t）下一个负半周到来时，因电容上电压已是2.5 V，使二极管上电压为uo（t）=ui（t）+2.5 V=0 V，二极管仍然不会导通。总之，电容上电压被充至峰值后便无法放电，使得输出电压uo（t）=ui（t）+2.5 V，其波形如图1-30（c）所示。uo（t）的底部被钳位于0 V。

若二极管正负极对调，则可实现顶部钳位。若在二极管上串联合适的直流电压源，可将输入波形钳位在所需的电平上（见习题1.7）。

实际电路在二极管反偏截止时会有一个等效的反偏电阻rR，这使得在ui（t）的正半周二极管截止时电容会经rR放电，当ui（t）负半周到来时电容又被充电到峰值，即电容上的电压是脉动的。这将导致uo（t）的波形如图1-30（d）所示，即出现波形失真。但只要rR远大于二极管的导通电阻rD，这种失真并不大。

由于含有直流成分的交变电压在通过含隔直电容的线性电路处理后，会失去直流成分，使用钳位电路就能实现直流恢复，故钳位电路有时也叫直流恢复电路。全电视信号中的行同步脉冲如果顶部不齐，则提取困难。采用钳位电路就能将行同步脉冲的顶部“钳”在同一电平上。这些都是钳位电路应用的例子。

1.3.5 稳压管及其应用

1.稳压管

稳压管是一种专门工作在反向击穿状态的二极管。如前所述，当PN结反偏电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿。包含反向击穿特性在内的Si二极管伏安特性曲线如图1-31（a）所示，UZ为击穿电压。由图可知，二极管的反向击穿特性曲线非常陡直，反向击穿电流在很大的范围内变化时，击穿电压几乎不变，即击穿电压十分稳定，或者说在击穿区的工作点上交流电阻很小。它的电路符号如图1-31（b）所示，符号中正负极含义与普通二极管相同，但稳压管工作时负极要接高电位，并使其击穿。

稳压管常用参数如下。

①稳定电压UZ：在规定测试电流（如50 mA）下的反向击穿电压BUR。即使是同一型号的稳压管，UZ的离散性也较大。

②最小稳定电流IZmin：击穿电流大于该值后稳压性能才好。

③最大稳定电流IZmax：击穿电流不允许超过该值，否则稳压管会因管耗过大而烧坏（此时管耗PZ=UZIZmax）。

④动态电阻rZ：在（IZmin～IZmax）范围内，稳压管交流电阻的典型值。显然rZ越小的管子稳压性能越好。应该指出：UZ不同的稳压管其动态电阻相差较大，rZ的值一般在几欧姆到几十欧姆之间。UZ在8 V附近的稳压管的rZ较小。

⑤电压温度系数α：温度变化1℃时，稳压值的相对变化量，即。α也是衡量稳压管的稳压性能的重要指标。UZ＞7 V的稳压管一般为雪崩击穿型，α为正；UZ＜4 V的稳压管一般为齐纳击穿型，α为负。UZ在4～7 V之间的稳压管一般为混合击穿型，α较小。为了进一步减小 α，可以采用具有温度补偿作用的双管结构，如图1-32所示。该管工作时，一管击穿，一管导通。击穿电压和导通电压的温度系数相反时，则可以互相抵消，使α减小。

2.稳压管电路

整流滤波后的直流电压会因市电电压的波动或用电负载的变化而不稳定。图1-33是一种简单易行的稳压管稳压电路。图中RL是用电负载，R称为限流电阻。只有合理地选取限流电阻才能保证稳压管正常工作。在输入电压UI必须大于稳压管的击穿电压UZ的条件下，只要选择击穿电压UZ为不同值的稳压管，电路就可获得用电负载所需要的各种稳定直流电压。

稳压原理：在图1-33示出的稳压管稳压电路中，稳压管VDZ并接在负载RL两端，若设稳压管的击穿电压为UZ，由图可知

当RL一定时，若UI增大，则UZ和Uo都要增大。但由于稳压管的UZ稍许增大，就会造成电流IZ急剧增加，这样限流电阻R上的压降（IZ+IL）R就会显著增加，使输入电压增量的绝大部分都降落在限流电阻R上，于是UO变化就很小，从而稳定了输出电压；同理，若UI减小，可以看出UO变化也很小，所以输出电压是稳定的。

另外，当UI一定时，若RL减小，流过负载的电流IL将会增大，同样会导致R上的压降将增大，使UO下降，但UO（或UZ）稍许下降，IZ就要减小很多，IL增大而IZ减小使流过R的电流近似保持不变（略有增大），因此UO只略有下降。上述分析说明，无论是输入电压UI或负载RL发生变化，通过稳压管的调节作用，使输出电压UO均几乎不变。因此，该电路可以做成稳压电源。

选择稳压管时应注意：流过稳压管的电流IZ不能过大，应使IZ≤IZmax，否则会超过稳压管的允许功耗；IZ也不能太小，应使IZ≥IZmin，否则不能输出稳定电压。可见电路的输入电压和负载电流的变化范围是受限制的。在实际工程中，当输入电压UI在UImin ～UImax之间变化，负载RL的变化范围为RLmin～RLmax时，要使稳压管正常工作，限流电阻值R必须满足下列要求：

（1）当UI=UImax和IL=ILmin（即RL=RLmax）时，要求流过稳压管的电流IZ不超过稳压管的最大稳定电流IZmax，即

整理上式可得

（2）当UI=UImin和IL=ILmax（即RL=RLmin）时，要求流过稳压管的电流IZ不低于稳压管的最小稳定电流IZmin，即

整理上式可得

根据式（1-22）和式（1-23）可得限流电阻R的取值范围为

【例1-4】 在图1-33的稳压电路中，稳压管选为2CWl4（UZ=6 V，IZmin =5 mA，IZmax=33 mA），R=510 Ω，假定输入电压UI的变化范围为18～24 V。试确定负载电流的允许变化范围。

解：（1）计算流过限流电阻R的电流IRmin和IRmax。

（2）计算ILmax和ILmin。

由于IR=IZ+IL，当UI=UImax和IL=ILmin时，流过稳压管的电流IZ最大，为了使稳压管能安全工作，应使

IZmax≥IRmax-ILmin

当UI=UImin和IL=ILmax时，流过稳压管的电流IZ最小，为了稳定输出电压，应使

IZmin≤IRmin-ILmax

因此

ILmax≤IRmin-IZmin=23.5-5=18.5 mA

ILmin≥IRmax-IZmax=35.3-33=2.3 mA

即IL的允许变化范围为2.3～18.5 mA。

1.3.6 PN结电容效应及应用

二极管不但具有非线性电阻特性，还具有电容特性。在频率很低时，电容的容抗（1/ωC）很大，这时，二极管只表现出非线性电阻特性的一面。但在频率很高时，电容的容抗减小，二极管的电容特性不可忽略，使二极管的电流成为双向电流。总之，高频时二极管失去单向导电特性的原因是PN结存在电容效应。所有PN结都有电容效应。点接触型PN结面积小，结电容很小，能在甚高频乃至微波波段完成混频或检波。面接触型PN结面积大，极间电容大，可流过的直流或低频电流大，适用于频率比较低的场合。

PN结电容CJ包括势垒电容CT和扩散电容CD，即CJ=CT+CD。下面分析产生电容效应的两个原因。

1.势垒电容（Barrier Capacitanc）CT

电容是一种能储存电荷（充电）和释放电荷（放电）的元件。伴随充放电，电容储能发生变化，端口电压也随之改变。如图1-34所示，在PN结反偏时，当反偏电压UR增大ΔUR时，空间电荷区变厚，区内正和负电荷量增加ΔQ，相当于对PN结充电；同理，当UR减小 ΔUR时，空间电荷区变薄，正和负电荷量减小ΔQ，相当于PN结放电。反偏电压的变化dUR会引起空间电荷区内电荷量的变化dQ，因此反偏PN结的势垒电容CT被定义为

可见，势垒电容可近似等效为一个极板距离随外加电压变化的平板电容，极板距离就相当于空间电荷区的宽度。

2.扩散电容（diffusion Capacitance）CD

扩散电容CD主要是指PN结加正向偏压时由载流子在扩散过程中的电荷积累引起的电容效应。当PN结正偏时，两区多子存在穿越PN结的扩散，扩散到对方区域后成为非平衡少子并在空间电荷区两外侧边缘区内累积，形成非平衡少子的浓度分布np（x）和pn（x），如图1-35所示。通常把存在非平衡少子浓度分布的这两个区域称为扩散区。故在每个扩散区内都累积有非平衡载流子的电荷，其数量为QN和QP。显然，其值与浓度分布曲线下面的面积成正比。当正偏电压UD增大到UD+ΔUD时，浓度分布线np（x）和pn（x）上移，扩散区内的累积电荷会增加ΔQN和ΔQP，这一过程相当于电容的充电过程，只有当这一暂态过程结束后PN结才会形成新的偏置电流。这种当外加正偏电压变化时，PN结外扩散区内累积的非平衡载流子数变化引起的电容效应，称为扩散电容。扩散电容用符号CD表示，有

式中，τ是非平衡载流子的平均寿命，ID是正向电流。式（1-26）说明CD与ID成比例。CD比CT大，一般CD在数十pF～0.01 μF范围内。当反偏时，ID=-IS，故CD=0。

3.变容二极管

势垒电容和扩散电容都不是常数，它们分别与偏压和偏流有关，因此，势垒电容和扩散电容都是非线性电容。如果考虑CD和CT而不计P区和N区的体电阻以及漏电阻，则在工作点处二极管的小信号模型如图1-36所示。CD和CT对外电路并联等效，总电容CJ=CT+CD，称CJ为PN结的结电容。正偏二极管的扩散电容CD比势垒电容CT大，CJ以CD为主；加反向偏压时，CD=0，CJ以CT为主。

一般当信号角频率ω较低时，rd≪1/（ωCJ），CD和CT的容抗很大，相当于开路，二极管的小信号模型中只有rd；当频率很高时，1/（ωCJ）可以与rd相比较，结电容CJ的影响就必须考虑。所以图1-36称为二极管高频小信号模型。

如果二极管以其单向导电特性应用于电路，则结电容CJ是不希望有的参数，因此信号频率应受到限制，应满足ω≪1/（rdCJ）。但如果使二极管反偏，这时CD=0，而且反向电阻rd =rR很大，在高频时完全可能满足1/（ωCJ）远小于反向电阻rd，这样，rd相当于开路，二极管高频模型便只有势垒电容CT。因此，反偏二极管在高频时可以当做电容器来使用，而且电容量可以通过调整反偏电压来改变。这种利用反偏时的势垒电容工作的二极管称为变容二极管，简称变容管。变容管的电路符号如图1-37所示。变容二极管具有电压控制（简称压控）电容量的特性。

专门制造的变容管往往通过改变P区和N区界面两侧杂质密度的变化方式来获得不同的压控电容特性。CT与外加反向偏压的一般关系为

式中，UΦ为PN结内建电压，CT（0）是反向偏压UR=0 V时的势垒电容；γ称为变容指数，它与PN结物理界面两侧的杂质密度的变化方式有关。物理界面两侧均匀掺杂的PN结称为突变结。对于突变结，γ=1/2。另外，还有越靠近界面杂质密度越高的超突变结，以及越靠近界面杂质密度越低的缓变结。对于各种不同工艺制作的变容管而言，一般γ=1/3～3。图1-38是变容管的伏容特性曲线的示意图。

变容管广泛应用于高频电路，例如在压控振荡器（英文缩写VCO）中用做频率控制元件。在微波电路中，变容管可以用做参量放大器和倍频器。

1.3.7* 特殊二极管

1.光敏二极管

光敏二极管又称光电二极管，其特点是PN结的面积大，管壳上有透光的窗口便于接收光照。光敏二极管的电路符号如图1-39（a）所示。

光敏二极管工作在反向偏置下。当无光照时，它的伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，半导体共价键中的电子获得了能量，产生的电子-空穴对增多，反向电流增加，且在一定的反向电压范围内，反向电流与光照度E成正比关系，光电二极管的PN结特性曲线如图1-39（b）所示。

利用光敏管做成的光电传感器，可以用做光的测量。当PN结的面积较大时，可以做成光电池。

2.发光二极管

发光二极管简称LED，通常用化学元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等制成，内部的基本单元仍是一个PN结。当外加正向电压时，P区的空穴扩散到N区与N区中的电子复合，N区中的电子扩散到P区与P区中的空穴复合。在电子与空穴复合的过程中，有一部分能量以光子的形式释放出来，使二极管发光，其光谱的范围比较窄，其波长由所使用的基本材料而定。发光二极管的电路符号见图1-40。

发光二极管主要用来作为显示器件，除单独使用外，还可用多个PN结按分段式制成数码管或阵列显示器。将发光二极管和光敏二极管组合起来可构成二极管型光电耦合器，它以光为媒介可以实现电信号的传递，如图1-41所示。光电耦合器既可用来传递模拟信号，也可作为开关器件使用，它具有抗干扰、隔噪声、速度快、耗能少、寿命长等优点。由于发光器件和光敏器件分别接在输入、输出回路中，相互绝缘，所以常用在信号的单方向传输，并需要电路间电气隔离的场合，例如在数字电路或计算机控制系统中经常把它用做接口电路。

3.激光二极管

单色相干性光是一种电磁幅射，其中所有的光子具有相同的频率且同相位。相干单色光信号可以用激光二极管来产生。如图1-42（a）所示，激光二极管的物理结构是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED发射出光，并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从PN结发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。

半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。但气体激光器所发射的是可见光，而激光二极管发射的则主要是红外线。这与所用的半导体材料（如砷化镓等）的物理性质有关。图1-42（b）是激光二极管的电路符号。激光二极管在小功率光电设备中得到广泛的应用，如计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等。

4.太阳能电池

太阳能电池是一个PN结器件，在这个器件中没有电压直接加在PN结上。图1-43所示的PN结将太阳能转换成电能并与负载相连接。当太阳光照在空间电荷区上时，就会产生电子和空穴，它们快速地分离并被电场推出空间电荷区，于是就产生了光电流。产生的光电流在负载两端产生电压，这意味着太阳能电池提供了能量。太阳能电池通常由硅材料制作，但是也可用砷化镓（GaAs）或其他的Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体进行制造。

太阳能电池长期以来用于为人造卫星及空间运输工具提供电能，也常用做某些计算机的电源，太阳能电池阵列产生的能量还可以用来驱动电机或者给电池组充电。