二极管与晶闸管

1、二极管与晶闸管二极管与晶闸管第第 四四 章章4.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性4.1.1 半导体基础知识半导体基础知识导导 体体: 自然界中很容易导电的物质自然界中很容易导电的物质.例如例如金属金属。绝缘体：绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电电阻率很高的物质，几乎不导电;如如橡皮橡皮、陶瓷陶瓷、塑料塑料和和石英石英等。等。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的特点半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，

2、它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。明显改变。1. 本征半导体本征半导体GeSi本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理纯净的半导体纯净的半导体。如：硅和锗如：硅和锗1）最外层四个价电子。）最外层四个价电子。2）共价键结构）共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自

3、由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+43）在绝对）在绝对0度和没有度和没有外界激发时外界激发时,价电子完全价电子完全被共价键束缚着，本征被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动半导体中没有可以运动的带电粒子（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为0，相当

4、于绝缘体。，相当于绝缘体。+4+4+4+44）在热或光激发）在热或光激发下，使一些价电子获下，使一些价电子获得足够的能量而脱离得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价，同时共价键上留下一个空位，键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。+4+4+4+4空空穴穴束缚束缚电子电子自由自由电子电子在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴动，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。+4+4+4+

5、45）自由电子和空穴的运动形成电流）自由电子和空穴的运动形成电流可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流载流子子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高载流子的载流子的浓度浓度越高越高本征半本征半导体的导体的导电能力越强导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳2. 杂质半导体杂质半导体杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。杂质半

6、导体使某种载流子浓度大大增加。在本征半导体中掺入某些微量杂质。在本征半导体中掺入某些微量杂质。1）N型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加。+4+4+5+4N型型半导体半导体多余电子多余电子磷原子磷原子多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。2）P型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增

7、加。使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。数载流子和少数载流子（简称多子

8、、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P型半导体型半导体+N型半导体型半导体5.1.2 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了处就形成了PN结。结。 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电

9、荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。漂移运动P型半导体型半导体N型半导型半导体体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩

10、散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动没有电荷运动，空间电荷区，空间电荷区的厚度固定不的厚度固定不变。变。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区 1） PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一外加的正向电压有一部分降落在部分降落在PN结区结区，方向与，方向与PN结内电结内电场方向相反，削弱了场方向相反，削弱了内电场。于是内电场。于是,内电场内电场对多子扩散运动的阻对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂漂移电流，可忽

11、略漂移电流的影响，移电流的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。 2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分外加的反向电压有一部分降落在降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定的温度条件下在一定的温度条件下

12、，由本征激发决定的少子，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的基本上与所加反向电压的大小无关大小无关，这个电流也称这个电流也称为为反向饱和电流反向饱和电流。 空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍多子多子（ P中的中的空穴、空穴、N中的电子）中的电子） 的的扩散运动。扩散运动。 P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的漂移电数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。流很小。空间电荷区中内电场推动空间

13、电荷区中内电场推动少子少子（ P中的中的电子、电子、N中的空穴）中的空穴） 的的漂移运动。漂移运动。5.1.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加正向电压加正向电压（正向偏置）正向偏置）： P区区接电源的正极、接电源的正极、N区接电源的负极。区接电源的负极。PN结结加反向电压加反向电压（反向偏置反向偏置）：）： P区区接电源的负极、接电源的负极、N区接电源的正极。区接电源的正极。PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。I正正PN结反向偏置结反向偏置+内电场

14、内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强内电场被被加强，多子的扩散受，多子的扩散受抑制。少子漂移抑制。少子漂移加强，但少子数加强，但少子数量有限，只能形量有限，只能形成较小的反向电成较小的反向电流。流。I反反PN结的单向导电性结的单向导电性正向特性正向特性反向特性反向特性归纳归纳P（+），），N（-），外电场削弱内电场，结导通，），外电场削弱内电场，结导通，I大；大；I的大小与外加电压有关；的大小与外加电压有关；P（-），），N（+），外电场增强内电场，结不通，），外电场增强内电场，结不通，I反反很小；很小；I反反的大小与少子的数量有关，与的大小与少子的数量有关，与温度有关；温度有关；

15、半导体二极管半导体二极管基本结构基本结构PN结结 + 管壳和引线管壳和引线PN阳极阳极阴极阴极符号：符号：VD半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管伏安特性伏安特性UI【死区】【死区】 开启电开启电压硅管压硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: 硅硅管管0.7V,锗管锗管0.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)正向特性：正向特性：EVDI反向特性：反向特性：EVDI反反U死区死区电压，导电压，导通；通；UI I反反很小，与温度很小，与温度有关；有关；U 击穿电击穿电压，击穿导通；压，击穿导通；I 5.2.3 主要参数主要参数1.最大整流电流最大

16、整流电流 IFM2.最大反向工作电压最大反向工作电压URM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。它通常为。它通常为反向击穿电压的反向击穿电压的1/31/2。3. 反向饱和电流反向饱和电流 IR指二极管在规定的最大反向工作电压和环境温度下的指二极管在规定的最大反向工作电压和环境温度下的反向电流值反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。此反向电流越小越好。1. 理想二极管理想二极

17、管U 0，VD导通；导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一取决于外电路；相当于一个闭合的开关个闭合的开关EVDIUDEIUU 0，VD截止；截止；I=0， UD（负值）取决于外电路；（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关相当于一个断开的开关EVDI反反UDEI反反U5.2.4 应用举例应用举例二极管的简易判别二极管的简易判别 常用二极管类型常用二极管类型1整流二极管整流二极管 整流二极管实物图整流电路波形图2稳压二极管稳压二极管稳压二极管是利用二极管反向击穿特性工作的半导体器件。a） 常见外形 b）电路图形符号 稳压二极管稳压二极管的正向特性与普通硅二极管相似，但它的反向击穿特性很陡。稳压二极管的伏安特性曲线 最简单的串联稳压电路 3发光二极管发光二极管 a)内部结构图 b)普通发光二极管 c)贴片式发光二极管 d)图形符号发光二极管发光二极管常用作照明或显示器件，除单个使用外，也可制成七段式或点阵显示器，显示数字或图形文字，甚至用成千上万个发光二极管点阵制成超大面积的户外电视屏幕。a）汽车尾灯 b）交通信号灯 c）点阵显示屏LED灯应用示例4光敏二极管光敏二极管 光敏二极管也称光