电工学6.docx

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电工学6

安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（内页）

授课章节

第六章晶体管放大和振荡电路

教学目的

了解P型半导体和N型半导体的导电机理；掌握半导体二极管、三极管的结构、导电特性和工作原理；会对二极管和三极管的伏安特性曲线进行分析；知道影响二极管和三极管特性的主要参数。

重点与难点

教学重点

教学难点

教学方法

讲授法、比较法、图形分析法

教学手段

讲解法

教学过程

时间分配

教学内容

学时数

教学过程设计

复习提问，引入新课

讲授新课

小结：

重点及难点

学生练习：

课后习题

思考题及作业题

教后感

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教学内容

教提示法及备注

第一节半导体基本知识

一、半导体的导电性能

导体是容易导电的物体，即是能够让电流通过的材料；导体依其导电性还能够细分为超导体、导体、半导体、及绝缘体。

我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷,橡胶等等，称为绝缘体。

而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。

把自然界中导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质称为半导体，最常见的半导体材料有硅和锗。

在金属中，部分电子可以脱离原子核的束缚，而在金属内部自由移动，这种电子叫做自由电子。

金属导电，靠的就是自由电子。

而在半导体中存在着两种载流子：

自由电子和空穴，但其浓度比金属导体要小的多。

半导体载流子的浓度还会随温度、光照、杂质等因素作用发生明显变化。

1.本征半导体

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教学内容

教提示法及备注

纯净的、不含任何杂质的半导体称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。

现以常用的单晶硅为例说明其内部结构特征。

硅原子外层有14个电子，其最外层只有4个电子，而且只有这4个电子参与导电过程。

原子最外层上的电子叫做价电子。

在硅晶体中，原子的排列非常有规律，每个原子最外层的4个价电子分别和相邻的4个原子的价电子构成共价键，由于价电子被束缚宰共价键中，一般很难挣脱出来成为载流子。

在常温下，仅有极少数价电子受热激发获得足够的能量，才可能摆脱共价键的束缚而成为自由电子即载流子。

当一个价电子摆脱束缚成为电子载流子，则在原来共价键处就留下一个呈正电的空位，这个带正电的空位称为空穴。

空穴一出现，邻近共价键的价电子很容易过来填补这个空位；而在该电

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教提示法及备注

子所在位置又产生一个新空穴，又有相邻的价电子来填补，再产生新的空穴，………。

可见，空穴也像自由电子一样，可以在晶格中自由移动，就如同带正电的粒子沿着与成为自由电子的价电子相反的方向移动，所以我们把空穴当做一个带正电荷的载流子。

由此可见，本征半导体中不仅有带负电荷的电子载流子，还有带正电荷的空穴载流子，他们在外电场作用下都能定向运动，形成电流。

在本征半导体，自由电子和空穴总是成对出现，同时它们又可能随时相遇复合成对消失。

2.杂质半导体的导电性能

由于本征半导体在常温下载流子的浓度很低，导电能力差。

若在本征半导体中掺入微量的（杂质）元素，其导电能力会发生显著变化。

这种掺有杂质的半导体称为杂质半导体。

1）N型半导体

在硅（或锗）本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷（或锑）等，它就成为N型半导体，其自

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教提示法及备注

由电子为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子），它的导电性主要取决于电子数。

其晶体结构如下图所示：

每个磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子与相邻的4个硅原子组成4个共价键，多余的一个价电子处在共价键之外，只受自身磷原子核吸引，这种吸引力比较微弱，在室温下集可挣脱原子核的吸引成为自由电子。

这种半导体主要依靠电子载流子导电，所以称为电子型半导体或N型半导体。

2）.P型半导体

在硅和锗的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼或铟等。

由于硼原子最外层只有3个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键时，因为缺少一个价电子而形成一个空位，故空穴数远远大于自由电子

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教提示法及备注

数，多数载流子为空穴，主要靠空穴导电，所以叫空穴型半导体（P型半导体）

其晶体结构如下图所示：

提出问题：

杂质半导体中的载流子的数量比本征半导体中的载流子的数量要多得多，导电性也要好得的多，但它的导电性仍不及导体，那么能有什么用途呢？

总结：

1、自由电子和空穴都是载流子，载流子的多少是衡量半导体导电能力的标志。

2、空穴的移动是束缚电子在共价键内的移动，它和自由电子是完全不同的。

3、本征半导体内自由电子和空穴数总是相等的。

二、PN结的形成及单向导电性

1.PN结的形成

1）什么是PN结呢？

（将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，在两种半导体的交界处就会产生一个特殊的接触面，称之为PN结。

它是构成半导体器件的基础，也

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教提示法及备注

是半导体获得广泛应用的原因。

）

在本征半导体上，通过掺杂技术，使一端形成P型半导体，另一端形成N型半导体。

N区内电子多而空穴少，P区内空穴多而电子少，在交界面上会形成扩散，其结果是P区因失去空穴，留下带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下带正电的2离子。

这些离子不能移动，称为空间电荷，它们集中在P区N区交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。

2）、扩散运动：

指电子和空穴从浓度高的地方向浓度低的地方运动。

复合：

电子与空穴结合后同时消失的过程。

空间电荷区：

由于扩散运动使电子与空穴复合以后，在P区与N区的交界面处留下不能移动带正电和带负电的离子的区域，称为空间电荷区，这就是PN结，在空间电荷区中不再存在载流子，因此PN结又叫耗尽层。

内电场：

空间电荷区中在正、负离子的作用下形成的电场，其方向由N区指向P区。

内电场对多子的

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扩散起着阻挡作用，所以又称PN结为阻挡层。

这个电场是由载流子扩散运动也就是内部形成的，而不是外加的电场，故称为内电场。

3）、漂移运动：

载流子在内电场作用下的运动叫漂移运动。

漂移运动的结果使空间电荷区变窄，而扩散运动则使空间电荷区变宽，两者作用正好相反。

当漂移运动与扩散运动达到相等时，便处于动态平衡

结论：

刚开始时，扩散运动强于漂移运动，使空间

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教提示法及备注

电荷区不断加宽，内电场也随之增强，这又使漂移运动增强，空间电荷区变窄，最后当两种运动达到动态平衡时，内电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定了（阻挡层的厚度保持不变），便形成了PN结。

2、PN结的单向导电性

（1）、外加正向电压时，PN结导通

①在PN结上加正向电压UF：

外电源的正极与PN结的P区相连，负极与PN结的N区相连。

UF又称正向偏置电压。

②原理分析：

1）、外电场ε外的方向与内电场ε内的方向相反，削弱了内电场的作用，促使扩散运动增强，P区的多子（空穴）和N区的多子（电子）都向PN结移动。

2）、空间电荷区中一部分正负离子被扩散进来的电子和空穴中和，空间电荷量减少，结果使阻挡层变薄。

3）、在正向偏置电压UF的作用下，多子源源不断地通过PN结，而外接电源又对P区和N区不断地补充多子，形成了通过PN结的正向导通电流，用IF表示。

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此时PN结呈低阻状态，正向导通电阻RF较小。

4）、P区和N区的体电阻较小，UF几乎全降在PN结上，而PN结又呈低阻，所以UF的微小变化就会引起IF的较大的变化。

（2）、外加反向电压时，PN结截止

①在PN结上加反向电压UR：

外电源的正极与PN结的N区相连，负极与PN结的P区相连。

UR又称反向偏置电压。

②原理分析：

1）、外电场ε外的方向与内电场ε内的方向同向，P区的多子（空穴）和N区的多子（电子）进一步离开PN结，使阻挡层加宽，此时PN结呈高阻状态，扩散运动产生的电流趋于零。

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2）、反向电压虽然使多子不能通过PN结，它却使少子更容易通过PN结形成漂移电流（又称反向电流）IR，由于少子的数量非常少，所以IR很小，与UR的大小无关，故IR又称反向饱和电流。

③外加反向电压时，PN结截止

小结：

PN结加正向偏置电压就导通，加反向偏置电压就截止，这就是PN结的单向导电性。

PN结正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性。

导电方向是从P区到N区，条件是加正向电压。

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第二节晶体二极管

一、晶体二极管的结构和分类

1.晶体二极管的结构

晶体二极管简称二极管，是一种最简单的电子器件，是由一个PN结加上相应的电极引线和管壳做成的，是电子技术中最常见的电子元件之一。

顾名思义,它有二根引线,由P区引出的电极叫阳极,由N区引出的电极叫阴极。

参照课本图示。

2.分类

根据PN结的结构特点，二极管可分为点接触型和面接触型两大类。

点接触型二极管的特点是，PN结面积小，结电容也小，适用于小电流和高频电路。

面接触型二极管的特点是，PN结面积大，结电容也大，一般用于低频、整流电路。

按照不同的功能和用途，二极管可分为：

1）普通二极管，用于小信号检波、小电流整流等；

2）整流二极管，用于各种电源设备中不同功率的整流，将交流电变为单向脉动直流电。

3）开关二极管，用于控制开关电路。

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4）稳压二极管，在小功率电源中起稳定电压的作用。

其它还有光电二极管、发光二极管、变容二极管。

根据制作材料来分，有硅二极管和锗二极管。

二、晶体二极管的伏安特性和主要参数

1.二极管的伏安特性

二极管最重要的性能就是单向导电性。

这种特性可通过二极管的电流随两端电压而变化的伏安特性来表示。

1）正向区

理想的二极管，正向电流和电压成指数关系。

但是实际的二极管，加正向电压的时候，需要克服PN结内电压，所以电压要大于内电压时，才会出现电流。

这个最小电压称作开启电压。

小于开启电压的区域，叫做死区。

当电压大于开启电压，那么电流成指数关系上升。

增加很快，所以二极管上的压降，其实很小，否则由于电流太大，就烧坏了。

2）反向区

当二极管的两端外加电压小于一定值时，二极管的反向电流很小，且不随反向电压的变化而变化。

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因此，该电流又称之为反向饱和电流。

工作在反向区的二极管，呈现很高的反向电阻，在电路中相当于一个开关断开的状态，反向电流越小，表明二极管的反向性能越好。

3）反向击穿区

若反向电压继续增大，反向电流突然上升，即二极管发生了反向击穿，此时所对应的反向电压称为反向击穿电压。

发生反向击穿后，如果对反向击穿电压加以限制，使其不超过额定范围，管子则不会损坏，反向电压降低时，仍可恢复原来的性能。

3.二极管的主要参数

二极管的参数反映了二极管的性能和适用范围，也是正确选用二极管的依据。

1）最大整流电流

它表示二极管长期工作时，所允许流过的最大正向平均电流。

2）最高反向工作电压

它是指允许加在二极管上的最大反向电压的峰值。

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二极管的其它参数还有反向电流、最高工作频率、结电容等。

三、晶体二极管的简易判断

在使用二极管时，必须注意极性不能接错，否则电路不仅不能正常工作，甚至可能烧毁管子和其它元件。

因此，在使用前需要判别它的正、负极和质量。

1.判断二极管的极性

用万用表RX100档或RX1K档，测量二极管的正反向电阻。

若二极管是好的，总会测得一大一小两个阻值。

由于万用表的红表笔接表内电池负极，黑表笔接表内电池正极，而二极管正向偏置时阻值较小，当测得阻值较小时，黑表笔所接的是二极管正极，红表笔接的是二极管负极；反之，当测得电阻值很大时，红表笔所接的是二极管的正极，而黑表笔接的是二极管的负极。

2.判断二极管的好坏

用万用表测二极管正反向电阻，若正向电阻阻值是几十到几百欧，反向电阻值在几百千欧以上，可以

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认为二极管是好的；若正反向电阻无穷大，说明管子内部已断路；若反向电阻很小，说明管子内部已经短路；若反向电阻比正向电阻大得不多，说明管子质量不佳。

正向电阻越小同时反向电阻越大，二者差值越大，二极管的质量越好。

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第三节晶体三极管

晶体三极管俗称晶体管、三极管，它具有放大、开关等多种功能，是电子电路中应用最广泛的一种电子器件。

一、三极管的基本结构

三极管是在一块P型或N型半导体芯片上制作出两个PN结形成的。

根据P型和N型半导体的组合方式不同，三极管分为NPN型和PNP型两种类型。

两个ON结分别叫集电结和发射结，它把二极管分为三个区：

集电区、基区和发射区，从三个区分别引出三个电极：

集电极、基极和发射极。

为了实现三极管的放大作用，在制造工艺上具有如下特点：

1.基区做得很薄，且掺杂浓度很低。

2.发射区掺杂浓度非常高。

通常它的掺杂浓度要比基区高几百倍。

3..集电区掺杂浓度较低，其掺杂浓度比发射区小得多，但集电区的几何面积做得很大，以利于散热。

二、三极管的电流放大原理

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为了使三极管工作在放大状态，需要在发射结上加正向电压，集电结上加反向电压。

三极管之所以具有电流放大能力，是因为它有特殊的内部结构。

1.发射区向基区注入电子

当发射结加正向电压时，发射区的多子不断通过发射结扩散到基区；同时，电源不断给发射区补充电子，从而形成发射极电流，其方向与电子流方向相反，由发射极流出。

虽然基区的多子也扩散到发射区，但由于基区掺杂浓度很低，与电子流相比，空穴流可忽略不计。

2.电子在基区的扩散和复合

由于基区很薄且掺杂浓度很低，发射区电子扩散到基区后，大部分很快扩散到集电结附近，只有小部分电子与基区的空穴复合；同时，接在基区的正电源不断从基区“拉走”电子，相当于不断给基区空穴。

这个过程不断进行，从而形成了较小的基极电流，其方向由外电路流入基极。

3.集电区收集电子

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由于集电区加上较高的反向电压，其内电场较强，对扩散到集电结附近的电子有很大的吸引力，使电子很快通过集电结为集电区所收集，形成较大的电子电流；此外，集电区中的少子在反向电压作用下向基区漂移会形成很小的反向饱和电流，这两部分电流共同组成集电极电流。

三、三极管的伏安特性和主要参数

1.三极管的伏安特性

1）输入特性曲线

输入特性曲线是指Uce为一固定值时，加在三极管的b极与e极之间的电压Ube与Ib之间的关系曲线。

2）输出特性曲线

输出特性曲线是指当Ib为一定值，三极管的Ic与Uce之间的关系曲线。

根据输出特性曲线的特点，可将其分为三个工作区：

截止区、饱和区和放大区。

3.主要参数

三极管的参数是用来表征管子的性能和适用范围的参考数据，它是合理选用三极管的依据。

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1）共射极电流放大系数

电流放大系数表示三极管放大电流的能力，它分为直流放大系数和交流放大系数两种。

2）极间反向电流

反向饱和电流：

是指三极管的发射极开路，集电结反向偏置时，c与b极间出现的反向漏电流，它是由集电区的少子和基区漂移形成的。

穿透电流：

是指三极管基极开路时，c与e极间产生的电流。

3）极限参数

极限参数是保证三极管安全工作的依据。

四、三极管的判别

用万用表进行判别

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