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1、安徽马鞍山技师学院教案纸课 题课题一：半导体二极管和三极管班级09电气时间教学 目的 要求1、了解半导体的基本知识，理解PN结的单向导电性。2、掌握二极管的特性及主要参数。3、理解三极管的电流放大作用和特性曲线及主要 参数。4、掌握三极管电路的基本分析方法。5、了解稳压二极管、发光二极管、光电二极管的 基本特点。6、掌握二极管和三极管的检测与应用7、熟悉EWB的操作环境和仿真实验法。场地1-312教具 挂图 与演示 实验实物演示EWB仿真重点二极管和三极管的特性、检测及应用难点三极管电路的基本分析方法讲授 思路 与 教学 方法从人们日常接触的物质按照其导电性能划分入手引入半导体这一概念，由浅入
2、深，逐步展开地进行教学。理论教学内容以教师的分析法为主，穿插晶体管实物演示；以EWB仿真软件为辅，引入虚拟实验法，先给学生一个感性上的认识。技能训练项目 以学生自己动手检测、EWB仿真为主的练习法。引入新课在我们日常接触的物质中，一类是电阻率很小，容易导电的金属，如金、银、铜、锡等，这类物质叫做导体；另一类是电阻 率很大，几乎不能导电的物质，如橡胶、陶瓷、玻璃等，这类物 质叫绝缘体。但是在自然界里面， 还有一些物质，它们的导电本 领即电阻率，处在导体和绝缘体之间，这种物质我们叫它为半导 体。目前用来制造晶体管的材料主要有锗、硅等。本章着重介绍二极管和三极管的特性、检测及应用课题一：半导体二极管
3、和三极管（一）理论部分1.1半导体的基本知识根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体 和半导体。半导体的电阻率为10-310-9 11 cm典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化傢GaAs等。本征半导体本征半导体一化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。1 本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价 电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排 列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图1.1 o
4、（a）硅晶体的空间排列 （b）共价键结构平面示意图图1.1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图2.电子空穴对当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温 度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣 脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本 征激发（也称热激发）。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空 位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负 电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 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。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，女口图 1.2所
5、示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。空冗电子图1.2本征激发和复合的过程图1.3空穴在晶格中的移动3.空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可 形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共 价键中的价电子依次充填空穴来实现的。如图 1.3所示。杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的 导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入 杂质的本征半导体称为杂质半导体。1. N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素， 例如磷，可形成N型半 导体,也称电子型半导体。讲授内容因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原
6、子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚 而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载 流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形 成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子， 因此五 价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图1.4 所示。2. P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了 P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在 共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因 而
7、也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图01.05所示。1.1.3 PN 结1. PN结的形成图1.6 PN结的形成过程讲授内容在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N 型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结 合面上形成如下物理过程：因浓度差I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最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半 导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 PN结形 成的过程可参阅图1.6。2. PN结的单向导电性PN结
8、具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外 加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正 偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反 偏。(1) PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如图1.7所示。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。(2) PN结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压时的导电情况如图1.8所示。讲
9、授内容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，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的 漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。图1.7 PN结加正向电压时图1.8 PN结加反向电压时在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定 的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电 流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电 流。结论：PN结具有单向导电性。1.2半导体二
10、极管二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按 结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意 图如图1.9 （a）、（ b）、（ c）所示。1. 点接触型二极管一一PN结面积小，结电容小，用于检波 和变频等高频电路。1947 年 12 月 23 日, 美国新泽西 州墨累山的 贝尔实验里， 3位科学家 巴丁博 士、布菜顿博 士和肖克莱 博士在紧张 而又有条不 紊地做着实 验。他们在导 体电路中正 在进行用半 导体晶体把 声音信号放 大的实验。3 位科学家惊 奇地发现，在 他们发明的 器件中通过 的一部分微 量电流，竟然 可以控制另 一部分流过 的大得多的 电流，
11、因而产 生了放大效 应。这个器 件，就是在科 技史上具有 划时代意义 的成果一一 晶体管。这3 位科学家因2. 面接触型二极管一一PN结面积大，用于工频大电流整流讲授此共同荣获 了 1956年诺 贝尔物理学 奖。电路。二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线如图1.10所示。处于第一象 限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲 线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示UiD =ls（e T -1）式中I s为反向饱和电流，UD为二极管两端的电压降，U T =kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电 荷量，T为热力学温度。对于室温（相当 T = 30
12、0 K ），则有 Vt = 26 mV。仗）正极引线 铝合金小球负极引线金属甬谢正极引裟 一J 负极引线底座正极引线负极引线图1.9二极管的结构示意图1. 正向特性当u0,即处于正 向特性区域。正向区又 分为两段：当 0v Uv Uth 时， 正向电流为零，Uth称为 死区电压或开启电压。当U Uth时，开始 出现正向电流，并按指 数规律增长。硅二极管 的死区电压Uh =0.5 V讲授内容左右，锗二极管的死区电压 Uh =0.1 V左右。2. 反向特性当Uv0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当UBrv Uv0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变 化而变化，此时的反向电流也称反向
13、饱和电流Is。当UUBr时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管 的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极 管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 从击穿的机理上看，硅二极管若|UbR 7 V时，主要是雪崩击穿； 若LBr 4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V7 V之间两种击穿都 有，有可能获得零温度系数点。二极管的主要参数1 .主要参数(1) 最大整流电流If二极管长期连续工作时，允许通 过二极管的最大整流电流的平均值。(2) 反向击穿电压UBr和最大反向工作电压LRm-二极管反 向电流急剧增加时对应
14、的反向电压值称为反向击穿电压 LBRo为 安全计，在实际工作时，最大反向工作电压 LRm一般只按反向击 穿电压UBr的一半计算。(3) 反向电流I r-在室温下，在规定的反向电压下，一般 是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般 在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。(4) 正向压降UF-在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8 V ;锗二极管约 0.20.3 V。(5) 动态电阻rd反映了二极管正向特性曲线斜率的倒 数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd = ：UF r I f2 温度特性温度对二极管的性能有较大
15、 的影响，温度升高时，反向电流 将呈指数规律增加，如硅二极管 温度每增加8C,反向电流将约 增加一倍；锗二极管温度每增加 12C，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的&坯尹:J%正向压降将减小，每增加1 C,正向每增加1 C,正向压降UF（ud）大约减小2mV即具有负的温度系数。这些可以从图1.11 图1-11温度对特性曲线的影响 所示二极管的伏安特性曲线上看出。特殊二极管1. 稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极符号 （b） 伏安特性 （c） 应用电路图1.12稳压二极管的伏安特性管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压讲授内容伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图1.12所示。从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参 数。（1） 稳定电压UZ 在规定
