二极管与晶闸管

扩散运动
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 － － － － － － + 内电场E N型半导体
+ + + +
+ + + + + + + + + + + +
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － －
+ +
+
所以扩散和漂 +移这一对相反 的运动最终达 +到平衡，相当 于两个区之间 + 没有电荷运动 +，空间电荷区 的厚度固定不 变。
5.2.4 应用举例
1. 理想二极管
U >0，VD导通；UD=0，I 取决于外电路；相当于一 个闭合的开关
E UD I VD E U I
U 0，VD截止；I=0， UD（负值）取决于外电路 ；相当于一个断开的开关
E
E
UD
VD
I反
U I反
二极管的简易判别
常用二极管类型
1．整流二极管
整流二极管实物图
阳极
符号：
P
VD
阴极
N
半导体二极管
半导体二极管
半导体二极管
伏安特性
I反很小，与温度 有关；U击穿电 压，击穿导通； I
【死区】 开启电 压硅管0.5V,锗管 E 0.1V。
正向特性： I VD
I
导通压降: 硅 管0.7V,锗管 0.3V。
反向特性： E VD
反向击穿电 压U(BR)
当受外界热和光的作用时，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 明显改变。
1. 本征半导体
本征半导体的导电机理
纯净的半导体。如：硅和锗
1）最外层四个价电子。
2）共价键结构
+4
Ge
+4 +4
Si
+4
+4表示除去价电子后的原子
共价键共用电子对
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。
空间电荷区中没有载流子。
空间电荷区中内电场阻碍多子（ P中的 空穴、N中的电子） 的扩散运动。 空间电荷区中内电场推动少子（ P中的 电子、N中的空穴） 的漂移运动。
P中的电子和N中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的漂移电 流很小。
5.1.3 PN结的单向导电性 PN结加正向电压（正向偏置）： P区 接电源的正极、N区接电源的负极。
杂质半导体的示意表示法
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P型半导体
N型半导体
5.1.2 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P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 处就形成了PN结。
整流电路波形图
2．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 稳压二极管
b）电路图形符号
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
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
第 四 章 二极管与晶闸管
4.1 PN结及其单向导电性
4.1.1 半导体基础知识
导 体: 自然界中很容易导电的物质.例如金属。 绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电;如橡皮、 陶瓷、塑料和石英等。 半导体：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 半导体的特点
杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。
1）N型半导体
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。
N型半导体
磷原子
+4
+4
多余电子
+5
+4
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。
2）P型半导体
在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼， 使空穴浓度大大增加。 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。
+ +
+
空间电荷区
扩散运动
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 － － － － － － N型半导 内电场E 体 + + + + + + 内电场越强，就使漂 + + + + + + 移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。 + + + + + + + + + + + +
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
之改变。
变容二极管应用电路
汽车光电式点火信号发生器
汽车光电式点火信号发生器示意图
b）内部结构 光敏二极管
c）图形符号
5．开关二极管
开关二极管一般用于接通或切断电路，它是利用PN结 的正向偏置导电、反向偏置截止的特性完成工作的。
开关二极管
6．变容二极管
变容二极管是利用PN结电容效应的一种特殊二极管。
a) 外形
b)图形符号
变容二极管
c) C-u关系曲线
当调节电位器RP时，加在变容二极管上的电压发生变 化，其电容量相应改变，从而使振荡回路的谐振频率也随
+4 +4
+4 +4
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，称为电子空穴对。
归纳
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载流
子，即自由电子和空穴。
浓度。
本征半导体的导电能力取决于载流子的
导体的导电能力越强。
温度越高载流子的浓度越高本征半
2. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质。
扩散运动
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
N型区
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1） PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一 部分降落在PN结区 ，方向与PN结内电 场方向相反，削弱了 内电场。于是,内电场 对多子扩散运动的阻 碍减弱，扩散电流加 大。扩散电流远大于 漂移电流，可忽略漂 移电流的影响，PN 结呈现低阻性。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价 键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难 脱离共价键成为自由电子，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 能力很弱。
3）在绝对0度和没有 外界激发时,价电子完全 被共价键束缚着，本征 半导体中没有可以运动 的带电粒子（即载流子 ），它的导电能力为0 ，相当于绝缘体。
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
光敏二极管也称光电二极管，是一种将光信号变成电信
号的半导体器件。
a）外形
_ P
－ － －
内电场 外电场
I反
归纳
PN结的单向导电性
◆ 正向特性
P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I大；
I的大小与外加电压有关；
◆ 反向特性
P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小； I反的大小与少子的数量有关，与 温度有关；
半导体二极管
基本结构
PN结 + 管壳和引线
因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E + N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
PN结加反向电压（反向偏置）： P区 接电源的负极、N区接电源的正极。
PN结正向偏置
变薄 － + + + +
内电场被削弱， 多子的扩散加强
能够形成较大的
扩散电流。
+
－
_
N
P
－ － 外电场
内电场
I正
PN结反向偏置 变厚
－ + + + + 内电场被被加强 ，多子的扩散受 抑制。少子漂移 加强，但少子数 量有限，只能形 + 成较小的反向电 N 流。
4）在热或光激发 下，使一些价电子获 得足够的能量而脱离 共价键的束缚，成为 自由电子，同时共价 键上留下一个空位， 称为空穴。
空 穴
自由 电子 束缚 电子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
5）自由电子和空穴的运动形成电流 在其它力的作用下，空 穴吸引临近的电子来填 补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可以认为空穴 是载流子。
+4
+4
空穴
+3
硼原子
+4
归纳
1、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）。 2、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。
◆ 3、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；
P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
U
U<死区电 压，不通 ；U>死区 电压，导 通； UI
I反
5.2.3 主要参数
1.最大整流电流 IFM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
2.最大反向工作电压URM
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 反向击穿电压的1/3~1/2。
3. 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 反向电流值。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。
2. PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压有一部分 降落在PN结区，方向与 PN结内电场方向相同，加 在一定的温度条件下 强了内电场。内电场对多 ，由本征激发决定的少子 子扩散运动的阻碍增强， 浓度是一定的，故少子形 扩散电流大大减小。此时 成的漂移电流是恒定的， PN 结区的少子在内电场的 基本上与所加反向电压的 作用下形成的漂移电流大 大小无关，这个电流也称 于扩散电流，可忽略扩散 为反向饱和电流。 电流， PN结呈现高阻性。