《电子技术教学课件 PPT 作者 王金花 王树梅 孙卫锋 第1单元 半导体器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术教学课件 PPT 作者 王金花 王树梅 孙卫锋 第1单元 半导体器件（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第1单元 半导体器件,项目一 二极管的检测与判别,项目二 三极管的检测与判别,相关知识,相关知识,实训与仿真,实训与仿真,项目导入,项目导入,一、项目导入,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件，是构成各种电子电路最基本的器件。掌握半导体器件的基本知识、识别与检测是专业人员必须具备的基本知识和基本技能。晶体二极管、稳压二极管和发光二极管都是常用的半导体器件，应用十分广泛。 通过对本项目的学习，应了解半导体的基础知识，理解二极管的结构、分类、工作特性和主要参数，学会常用电子仪器的使用方法，掌握二极管的识别与检测。,二、相关知识,（一）半导体的基础知识,1半导体的导电特性,导体：电阻率小于104
2、cm的物质称为导体，载流子为自由电子。导电的原因是最外层电子数通常是13个，且电子距原子核较远，受原子核的束缚力较小，因此，导体在常温下存在大量等。,物质的结构：物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。,绝缘体：电阻率大于109cm的物质称为绝缘体。导电能力极差或不导电的原因是最外层电子数一般为68个，且电子距原子核较近，因此受原子核的束缚力较大而不易挣脱其束缚，常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。,半导体：电阻率介于导体、绝缘体之间的物质称为半导体。因为半导体最外层电子数一般为4个，半导体的导电能力
3、介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料主要有硅(Si)、锗(Ge)等（4价元素）。半导体的应用极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。,半导体的性能： 光敏性半导体受光照后，其导电能力会大大增强。 热敏性受温度的影响，半导体的导电能力变化很大。 掺杂性在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力会大大增强。,本征半导体：纯净的不含其他杂质的半导体称为本征半导体，本征半导体形成晶格完全对称的共价键结构。如图1-1所示。,图1-1 硅晶体中的共价键结构,电子空穴对：室温下，由于热运动，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好像
4、空穴带正电荷一样，因此空穴相当于一个带正电荷的粒子。自由电子和空穴成对出现，称为电子空穴对 。由于热运动而在晶体中产生电子空穴对的过程称为热激发，又称本征激发；电子空穴对成对消失的过程称为复合。如图1-2所示：,图1-2 热运动产生的电子空穴对,本征半导体的导电特性：在外电场作用下，本征半导体中的自由电子和空穴定向运动形成电流，电路中的电流是自由电子电流和空穴电流的和。,2杂质半导体,N型半导体：在纯净的半导体中掺入5价元素，形成以自由电子导电为主的掺杂半导体，这种半导体称为N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多数载流子，简称多子；空穴为少数载流子，简称少子。,P型半导体：在纯净的半导体中掺
5、入3价元素，形成以空穴导电为主的掺杂半导体，这种半导体称为P型半导体。在P型半导体中，空穴为多数载流子，简称多子；自由电子为少数载流子，简称少子。,杂质半导体：由于掺入不同的杂质，因而产生了两种不同类型的半导体N型半导体和P型半导体，它们统称为，如图1-3所示。,图1-3 N型半导体和P型半导体结构示意图,注意：（1）无论是P型半导体还是N型半导体都是中性 的，对外不显电性。 （2）多数载流子是掺入杂质形成的，掺入杂质浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，温度越高，少数载流子的数量越多。,3PN结及其单向导电性,PN结：采用一定的工艺措施，将一块半导体的一侧掺杂成P型半导
6、体，另一侧掺杂成N型半导体，于是在两种半导体的交界面处形成了PN结。,PN结的形成：（1）在P型半导体和N型半导体的交界处，由于交界面两侧载流子的浓度差别，N区的电子往P区扩散，P区的空穴往N区扩散。扩散结果是：在N区一侧因失去电子而留下带正电的离子，在P区一侧因失去空穴而留下带负电的离子，于是带电离子在交界面两侧形成空间电荷区，又称为耗尽层或阻挡层。,（2）空间电荷区形成的电场叫内电场，内电场对多数载流子的运动起阻碍作用，但却有助于少数载流子的运动，少数载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，形成了稳定的PN结。PN结的形成过程如图1-4所示。,图1-4
7、 PN结的形成,PN结的单向导电性:(1)当P区接电源正极，N区接电源负极时，称为PN结加正向电压或正向偏置。在正向电压作用下，外电场与内电场方向相反，驱使N区电子进入空间电荷区，与其中的正离子复合；驱使P区空穴进入空间电荷区，与其中的负离子复合。结果使空间电荷区变窄，有利于PN结两侧的多数载流子流过PN结形成较大的正向电流，PN结呈现低阻状态。因此PN结正向偏置时，处于导通状态。如图所示,（2）当N区接电源正极，P区接电源负极时，称为PN结加反向电压或反向偏置。在反向电压作用下，外电场与内电场方向相同，使空间电荷区变宽，多数载流子的扩散运动难以进行。但是内电场有利于少数载流子的漂移运动，因而
8、形成漂移电流。由于常温下少数载流子的数目很少，形成的反向电流很小，PN结呈现高阻状态。因此PN结反向偏置时，可以认为基本上不导电，处于截止状态。如图1-5所示。,图1-5 PN结加反向电压,（二）半导体二极管,1二极管的结构与分类,结构：将PN结的两端加上两根电极引线并用外壳封装，就形成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为正极(又称阳极)，由N区引出的电极为负极(又称阴极)。常见二极管的电路符号及结构如图1-6所示。,图1-6 二极管的电路符号及结构示意图,分类：（1）根据其用途，二极管分为检波二极管、开关二极管、稳压二极管和整流二极管等。,（2）按照结构不同，二极管分为点接触型和面
9、接触型两类。点接触型二极管(一般为锗管)的特点是：PN结面积小，结电容小，只能通过较小的电流，适用于高频(几百兆赫)工作。面接触型二极管(一般为硅管)的特点是：PN结面积较大，能通过较大的电流，但结电容也大，常用于频率较低、功率较大的电路中。,（3）根据所用材料不同，二极管分为硅二极管和锗二极管两种。硅二极管因其温度特性较好，使用较为广泛。,图1-7 二极管实物图,2二极管的伏安特性,伏安特性：是指加在二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系，即I=f(U)。2CP12(普通型硅二极管)和2AP9(普通型锗二极管)的伏安特性曲线如图1-8所示。,图1-8 二极管的伏安特性曲线,（1）正
10、向特性： 二极管伏安特性曲线的第一象限称为正向特性，它表示外加正向电压时二极管的工作情况。在正向特性的起始部分，由于正向电压很小，外电场还不足以克服内电场对多数载流子的阻碍作用，正向电流几乎为零，这一区域称为正向死区，对应的电压称为死区电压。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。,当正向电压超过某一数值后，内电场就被大大削弱，正向电流迅速增大，二极管导通，这一区域称为正向导通区。二极管一旦正向导通后，只要正向电压稍有变化，就会使正向电流变化较大，二极管的正向特性曲线很陡。因此，二极管正向导通时，管子上的正向压降不大，正向压降的变化很小，一般硅管为0.7V左右，锗管为0.3V左
11、右。,（ 2）反向特性： 二极管伏安特性曲线的第三象限称为反向特性，它表示外加反向电压时二极管的工作情况。在一定的反向电压范围内，反向电流很小且变化不大，这一区域称为反向截止区。这是因为反向电流是少数载流子的漂移运动形成的；一定温度下，少子的数目是基本不变的，所以反向电流基本恒定，与反向电压的大小无关，故通常称其为反向饱和电流。 当反向电压过高时，会使反向电流突然增大，这种现象称为反向击穿，这一区域称为反向击穿区。反向击穿时的电压称为反向击穿电压，用UBR表示。各类二极管的反向击穿电压从几十伏到几百伏不等。反向击穿时，若不限制反向电流，则二极管的PN结会因功耗大而过热，导致PN结烧毁。,3二极
12、管的主要参数,（1）最大整流电流IOM。IOM是指二极管长期使用时，允许通过的最大正向平均电流。,（2）最高反向工作电压URM。URM是为了防止二极管反向击穿而规定的最高反向工作电压。最高反向工作电压一般为反向击穿电压的1/2或2/3，二极管才能够安全使用。,（3）最大反向电流IRM。IRM是指当二极管加上最高反向工作电压时的反向电流。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下。锗管的反向电流较大，是硅管的几十至几百倍。,（4）最高工作频率fM。fM是指保持二极管单向导电性能时，外加电压允许的最高频率。使用时如果超过此值，二极管的单向导电性能就不能很好地体现。,
13、4温度对二极管特性的影响,温度对二极管的特性有较大影响，随着温度的升高，二极管的正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移，正向特性曲线向左移，表明在相同正向电流下，二极管正向压降随温度升高而减小；反向特性曲线向下移，表明温度升高时，反向电流迅速增大。一般在室温附近，温度每升高1，其正向压降减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大1倍左右。如图1-9所示。,图1-9 温度对二极管特性的影响,（三）特殊二极管,1稳压二极管,结构：与一般二极管相同。是一种特殊的面接触型硅二极管。,伏安特性：稳压二极管的正向特性曲线和普通二极管类似，只是反向特性曲线比较陡电路符号和伏安特性曲线如图1-10所示。,
14、图1-10 稳压二极管的图形符号与伏安特性,主要参数:,（1）稳定电压Uz和稳定电流Iz。稳定电压就是稳压二极管在正常工作时管子两端的电压。同一型号的稳压二极管，由于制造方面的原因，其稳压值也有一定的分散性。稳定电流常作为稳压二极管的最小稳定电流Izmin来看待。,（2）最大稳定电流Izmax和最大允许耗散功率PZM。这两个参数都是为了保证管子安全工作而规定的。最大允许耗散功率PZM=UzIzmax，如果管子的电流超过最大稳定电流Izmax，则实际功率将会超过最大允许耗散功率，管子将会发生热击穿而损坏。,（4）动态电阻rz。动态电阻是指稳压二极管两端电压的变化量Uz与相应的电流变化量Iz的比值
15、。,稳压二极管的反向性曲线越陡，动态电阻越小，稳压性能就越好。rz的数值约为几欧至几十欧。,（3）电压温度系数Uz。它是说明稳定电压Uz受温度变化影响的系数。,2发光二极管,发光二极管通常用砷化镓、磷化镓等材料制成。发光二极管也具有单向导电性。当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合的过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常作为七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几毫安到十几毫安。图1-11为发光二极管的电路符号及工作
16、电路。,图1-11 发光二极管的电路符号及工作电路,3光电二极管,光电二极管的结构与普通二极管类似，但其PN结面积较大且管壳上有一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管工作时，其PN结工作在反向偏置状态，在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升（这时的电流称为光电流）。在无光照射时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样，此时的反向电流称为暗电流，一般在几微安甚至更小。光电二极管的电路符号如图1-12所示。,图1-12 光电二极管的电路符号,三、项目实施,（一）实训：常用电子仪器仪表的使用,1实训目的,（1）熟悉示波器的使用方法，学会用示波器观察信号波形和测量波形参数的方法。 （2）了解低频信号发生器的使用。 （3）熟悉直流稳压电源、晶体管交流毫伏表、万用表的使用方法。,2实训器材 通用电学实验台、示波器、晶体管交流毫伏表、低频信号发生器、万用表各一台，电容、电阻和导线若干。,3实训内容及步骤 （1）稳压电源的使用。 （2）晶体管毫伏表的使用。 （3）低频信号发生器的使用。 （4）示波器的
