二極管與晶閘管

1、二極管與晶閘管二極管與晶閘管第第 四四 章章4.1 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?.1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)導(dǎo) 體體: 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì).例如例如金屬金屬。絕緣體：絕緣體：電阻率很高的物質(zhì)，幾乎不導(dǎo)電電阻率很高的物質(zhì)，幾乎不導(dǎo)電;如如橡皮橡皮、陶瓷陶瓷、塑料塑料和和石英石英等。等。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)， 例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等例如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等半導(dǎo)體的特點(diǎn)半導(dǎo)體的特點(diǎn)當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。當(dāng)受外界熱和光的作用時，

2、它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。明顯改變。1. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體GeSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理純凈的半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體。如：硅和鍺如：硅和鍺1）最外層四個價電子。）最外層四個價電子。2）共價鍵結(jié)構(gòu)）共價鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4共價鍵共用電子對共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子表示除去價電子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為脫離共價鍵成為自由電子自

3、由電子，因此本征半導(dǎo)體，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+43）在絕對）在絕對0度和沒有度和沒有外界激發(fā)時外界激發(fā)時,價電子完全價電子完全被共價鍵束縛著，本征被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即的帶電粒子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)

4、于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+44）在熱或光激發(fā)）在熱或光激發(fā)下，使一些價電子獲下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為共價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同時共價，同時共價鍵上留下一個空位，鍵上留下一個空位，稱為稱為空穴空穴。+4+4+4+4空空穴穴束縛束縛電子電子自由自由電子電子在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填穴吸引臨近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。是載流子。+4+4+4+

5、45）自由電子和空穴的運(yùn)動形成電流）自由電子和空穴的運(yùn)動形成電流可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對電子空穴對。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流載流子子，即，即自由電子自由電子和和空穴空穴。溫度溫度越高越高載流子的載流子的濃度濃度越高越高本征半本征半導(dǎo)體的導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)導(dǎo)電能力越強(qiáng)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的載流子的濃度濃度。歸納歸納2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體使某種載流子濃度大大增加。雜質(zhì)半

6、導(dǎo)體使某種載流子濃度大大增加。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)。1）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的五價元素磷，在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的五價元素磷，使自由電子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加。+4+4+5+4N型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子多數(shù)載流子（多子）：電子。取決于摻雜濃度；多數(shù)載流子（多子）：電子。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子（少子）：空穴。取決于溫度。少數(shù)載流子（少子）：空穴。取決于溫度。2）P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的三價元素硼，在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的三價元素硼，使空穴濃度大大增

7、加。使空穴濃度大大增加。多數(shù)載流子（多子）：空穴。取決于摻雜濃度；多數(shù)載流子（多子）：空穴。取決于摻雜濃度；少數(shù)載流子（少子）：電子。取決于溫度。少數(shù)載流子（少子）：電子。取決于溫度。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子歸納歸納3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。4、N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子； P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子、少子）。數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子

8、、少子）。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5.1.2 PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了處就形成了PN結(jié)。結(jié)。 因濃度差因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動多子的擴(kuò)散運(yùn)動由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電

9、荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動結(jié)處載流子的運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。荷區(qū)逐漸加寬。漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動結(jié)處載流子的運(yùn)動內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動結(jié)處載流子的運(yùn)動所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)

10、散和漂移這一對相反移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個區(qū)之間于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的厚度固定不的厚度固定不變。變。+空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū) 1） PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 外加的正向電壓有一外加的正向電壓有一部分降落在部分降落在PN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)，方向與，方向與PN結(jié)內(nèi)電結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂漂移電流，可忽

11、略漂移電流的影響，移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。結(jié)呈現(xiàn)低阻性。 2. PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分外加的反向電壓有一部分降落在降落在PN結(jié)區(qū)，方向與結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 在一定的溫度條件下在一定的溫度條件下

12、，由本征激發(fā)決定的少子，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)大小無關(guān)，這個電流也稱這個電流也稱為為反向飽和電流反向飽和電流。 空間電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙多子多子（ P中的中的空穴、空穴、N中的電子）中的電子） 的的擴(kuò)散運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動。 P中的電子和中的電子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小。流很小?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場推動空間

13、電荷區(qū)中內(nèi)電場推動少子少子（ P中的中的電子、電子、N中的空穴）中的空穴） 的的漂移運(yùn)動。漂移運(yùn)動。5.1.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)結(jié)加正向電壓加正向電壓（正向偏置）正向偏置）： P區(qū)區(qū)接電源的正極、接電源的正極、N區(qū)接電源的負(fù)極。區(qū)接電源的負(fù)極。PN結(jié)結(jié)加反向電壓加反向電壓（反向偏置反向偏置）：）： P區(qū)區(qū)接電源的負(fù)極、接電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極。區(qū)接電源的正極。PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變薄變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的能夠形成較大的擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流。I正正PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+內(nèi)電場

14、內(nèi)電場外電場外電場變厚變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形量有限，只能形成較小的反向電成較小的反向電流。流。I反反PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦哉蛱匦哉蛱匦苑聪蛱匦苑聪蛱匦詺w納歸納P（+），），N（-），外電場削弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，），外電場削弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，I大；大；I的大小與外加電壓有關(guān)；的大小與外加電壓有關(guān)；P（-），），N（+），外電場增強(qiáng)內(nèi)電場，結(jié)不通，），外電場增強(qiáng)內(nèi)電場，結(jié)不通，I反反很?。缓苄。籌反反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；溫度有關(guān)；

15、半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)結(jié) + 管殼和引線管殼和引線PN陽極陽極陰極陰極符號：符號：VD半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管伏安特性伏安特性UI【死區(qū)】【死區(qū)】 開啟電開啟電壓硅管壓硅管0.5V,鍺管鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: 硅硅管管0.7V,鍺管鍺管0.3V。反向擊穿電反向擊穿電壓壓U(BR)正向特性：正向特性：EVDI反向特性：反向特性：EVDI反反U死區(qū)死區(qū)電壓，導(dǎo)電壓，導(dǎo)通；通；UI I反反很小，與溫度很小，與溫度有關(guān)；有關(guān)；U 擊穿電擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通；壓，擊穿導(dǎo)通；I 5.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1.最大整流電流最大

16、整流電流 IFM2.最大反向工作電壓最大反向工作電壓URM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管正常工作時允許承受的最大反向工作電壓二極管正常工作時允許承受的最大反向工作電壓。它通常為。它通常為反向擊穿電壓的反向擊穿電壓的1/31/2。3. 反向飽和電流反向飽和電流 IR指二極管在規(guī)定的最大反向工作電壓和環(huán)境溫度下的指二極管在規(guī)定的最大反向工作電壓和環(huán)境溫度下的反向電流值反向電流值。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。此反向電流越小越好?. 理想二極管理想二極

17、管U 0，VD導(dǎo)通；導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一取決于外電路；相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)個閉合的開關(guān)EVDIUDEIUU 0，VD截止；截止；I=0， UD（負(fù)值）取決于外電路；（負(fù)值）取決于外電路；相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)EVDI反反UDEI反反U5.2.4 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例二極管的簡易判別二極管的簡易判別 常用二極管類型常用二極管類型1整流二極管整流二極管 整流二極管實物圖整流電路波形圖2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是利用二極管反向擊穿特性工作的半導(dǎo)體器件。a） 常見外形 b）電路圖形符號 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管的正向特性與普通硅二極管相似，但它的反向擊穿特性很陡。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線 最簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電路 3發(fā)光二極管發(fā)光二極管 a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 b)普通發(fā)光二極管 c)貼片式發(fā)光二極管 d)圖形符號發(fā)光二極管發(fā)光二極管常用作照明或顯示器件，除單個使用外，也可制成七段式或點(diǎn)陣顯示器，顯示數(shù)字或圖形文字，甚至用成千上萬個發(fā)光二極管點(diǎn)陣制成超大面積的戶外電視屏幕。a）汽車尾燈 b）交通信號燈 c）點(diǎn)陣顯示屏LED燈應(yīng)用示例4光敏二極管光敏二極管 光敏二極管也稱光