1、二極管與晶閘管第一頁，共42頁。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(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)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、陶陶瓷瓷、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(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力

2、明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。變。第二頁，共42頁。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(gè)價(jià)電子。）最外層四個(gè)價(jià)電子。2）共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)）共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4共價(jià)鍵共用電子對(duì)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4表示除去價(jià)電子后的原子表示除去價(jià)電子后的原子第三頁，共42頁。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵

3、成為共價(jià)鍵成為自由電子自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自，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)電能力很弱。由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第四頁，共42頁。3）在絕對(duì)）在絕對(duì)0度和沒有外度和沒有外界激發(fā)時(shí)界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即子（即載流子載流子）

4、，它的導(dǎo)），它的導(dǎo)電能力為電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+44）在熱或光激發(fā)下，）在熱或光激發(fā)下，使一些價(jià)電子獲得足夠使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為束縛，成為自由電子自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空位，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第五頁，共42頁。在其它力的作用下，空穴在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補(bǔ)，吸引臨近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可于正電荷的移動(dòng)，因

5、此可以認(rèn)為空穴是載流子。以認(rèn)為空穴是載流子。+4+4+4+45）自由電子和空穴的運(yùn)動(dòng)形成電流）自由電子和空穴的運(yùn)動(dòng)形成電流第六頁，共42頁?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)。第七頁，共42頁。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)量相等的兩種載流子載流子，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導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的的導(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濃

6、載流子的濃度度。歸納歸納第八頁，共42頁。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(jià)）中摻入少量的五價(jià)元素磷，在硅或鍺晶體（四價(jià)）中摻入少量的五價(jià)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。第九頁，共42頁。+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

7、。第十頁，共42頁。2）P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體（四價(jià)）中摻入少量的三價(jià)元素硼，使空在硅或鍺晶體（四價(jià)）中摻入少量的三價(jià)元素硼，使空穴濃度大大增加。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第十一頁，共42頁。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

8、，電子是少子。1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載、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(jiǎn)稱多子、少子）。流子和少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子、少子）。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，、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。少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。第十二頁，共42頁。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)體第十三頁，共42頁。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

9、的交界面處就型半導(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(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 第十四頁，共42頁。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(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)第十五頁，共42頁。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(dòng)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(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子

10、的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。第十六頁，共42頁。漂移運(yùn)動(dòng)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(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個(gè)區(qū)之間于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。第十七頁，共42頁。+空間電空間電荷區(qū)荷區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)第十八頁，共42頁。 1） PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的正

11、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)電場(chǎng)方結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。結(jié)呈現(xiàn)低阻性。第十九頁，共42頁。 2. PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降外加的反向電壓有一部分降落在落在PN結(jié)區(qū)，方向與結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)

12、多強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)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，由本征激發(fā)決定的少子濃由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大本上與所加反向電壓的大小無關(guān)小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為這個(gè)電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 第二十頁，共42頁?？臻g

13、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(chǎng)阻礙空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子多子（ P中的空穴、中的空穴、N中的電子）中的電子） 的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 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），數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小。有限，因此由它們形成的漂移電流很小。空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)推動(dòng)空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)推動(dòng)少子少子（ P中的電中的電子、子、N中的空穴）中的空穴） 的的漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)。第二十一頁，共42頁。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)接電區(qū)接電源的正極、源的正極

14、、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)接區(qū)接電源的負(fù)極、電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極。區(qū)接電源的正極。第二十二頁，共42頁。PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置+內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，內(nèi)電場(chǎng)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正正第二十三頁，共42頁。PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向能形成

15、較小的反向電流。電流。I反反第二十四頁，共42頁。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(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)導(dǎo)通，），外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，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(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)不通，），外電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)不通，I反反很?。缓苄?；I反反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；有關(guān)；第二十五頁，共42頁。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(hào)：符號(hào)：VD第二十六頁，共42頁。半導(dǎo)體二極管

16、半導(dǎo)體二極管第二十七頁，共42頁。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管第二十八頁，共42頁。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管第二十九頁，共42頁。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死死區(qū)電壓，導(dǎo)區(qū)電壓，導(dǎo)通；通；UI I反反很小，與溫度有很小，與溫度有關(guān)；關(guān)；U 擊穿電壓，擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通；擊穿導(dǎo)通；I 第三十頁，共42頁。5.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1.最大整流電流最大整流電流 IFM2.最大反向工作電壓

17、最大反向工作電壓URM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管正常工作時(shí)允許承受的最大反向工作電壓二極管正常工作時(shí)允許承受的最大反向工作電壓。它通常為反。它通常為反向擊穿電壓的向擊穿電壓的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)境溫度下的反向指二極管在規(guī)定的最大反向工作電壓和環(huán)境溫度下的反向電流值電流值。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。越小越好。第三十一頁，?2頁。1. 理想二極管理想二極管U 0，VD

18、導(dǎo)通；導(dǎo)通；UD=0，I取取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)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；相（負(fù)值）取決于外電路；相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)EVDI反反UDEI反反U5.2.4 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例第三十二頁，共42頁。二極管的簡(jiǎn)易判別二極管的簡(jiǎn)易判別 第三十三頁，共42頁。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(shí)物圖整流電路波形圖第三十四頁，共42頁。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(hào) 穩(wěn)壓二極管第三十五頁，共42頁。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(jiǎn)單的串聯(lián)穩(wěn)壓電路 第三十六頁，共42頁。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(hào)發(fā)光二極管第三十七頁，共42頁。發(fā)光二極管常用作照明或顯示器件，除單個(gè)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(gè)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(hào)燈 c）點(diǎn)陣顯示屏LED燈應(yīng)用示例第三十八頁，共42頁。4光敏二