模拟电子技术课的题目一.docx

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模拟电子技术课的题目一

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

安徽马鞍山技师学院教案纸

讲授内容

课题一：

半导体二极管和三极管

（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10-3～10-9cm。

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

1.1.1本征半导体

本征半导体—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。

2．电子空穴对

讲授内容

当导体处于热力学温度0K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，如图1.2所示。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

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。

1.1.2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，由热激发形成。

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。

1.1.3PN结

1.PN结的形成

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

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。

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半导体二极管

1.2.1二极管的结构

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——PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

2.面接触型二极管——PN结面积大，用于工频大电流整流

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，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——晶体管。

这３位科学家因

讲授内容

电路。

1.2.2二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

式中IS为反向饱和电流，UD为二极管两端的电压降，UT=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=300K），则有VT=26mV。

1.正向特性

当U＞0，即处于正

向特性区域。

正向区又

分为两段：

当0＜U＜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Uth=0.5V

此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。

讲授内容

左右，锗二极管的死区电压Uth=0.1V左右。

2.反向特性

当U＜0时，即处于反向特性区域。

反向区也分两个区域：

当UBR＜U＜0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饱和电流IS。

当U≥UBR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|≥7V时，主要是雪崩击穿；若UBR≤4V则主要是齐纳击穿，当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。

1.2.3二极管的主要参数

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URM---二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。

为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。

（3）反向电流IR---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0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。

（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/IF

讲授内容

2．温度特性

温度对二极管的性能有较大

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8℃，反向电流将约

增加一倍；锗二极管温度每增加

12℃，反向电流大约增加一倍。

另外，温度升高时，二极管的

正向压降将减小，每增加1℃，

正向每增加1℃，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

所示二极管的伏安特性曲线上看出。

1.2.4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

管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二

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——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

（2）动态电阻rZ——其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。

RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

rz=UZ/IZ

（3）最大耗散功率PZM——稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。

反向工作时，PN结的功率损耗为PZ=VZIZ，由PZM和VZ可以决定IZmax。

（4）最大稳定工作电流IZMAX和最小稳定工作电流IZMIN——稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。

而Izmin对应VZmin。

若IZ＜IZmin，则不能稳压。

稳压二