《電子技術基礎（第二版）》 課件 課題一 半導體器件及其應用

電子技術基礎（第二版）1課題一半導體器件及其應用2半導體器件及其應用任務一任務二半導體二極管及其應用半導體三極管及其應用34任務一半導體二極管及其應用學習目標5掌握二極管的結構、圖形符號和工作特性，了解二極管的主要參數(shù)和分類熟悉二極管的識別、檢測方法熟悉二極管的實際應用任務引入6現(xiàn)代生活中，電子數(shù)碼產品的使用已非常普遍，如圖1-1-1所示的筆記本電腦、平板電腦和手機。這些電子數(shù)碼產品的工作電源是不同電壓等級的直流電，除了可以使用電池外，還可以使用50Hz的交流電，那如何把交流電轉換為直流電呢?這就是本任務中半導體二極管可以解決的問題，其電路組成框圖如圖1-1-2所示，包括整流電路、穩(wěn)壓電路和狀態(tài)顯示電路，可以分別使用不同類型和特性的二極管來實現(xiàn)，其電路板如圖1-1-3所示。圖1-1-1電子數(shù)碼產品任務引入圖1-1-2二極管整流、穩(wěn)壓、顯示電路組成框圖7圖1-1-3二極管整流、穩(wěn)壓、顯示電路板任務引入8本任務是認識二極管，熟悉二極管的識別、檢測方法，熟悉二極管在整流、穩(wěn)壓、顯示電路中的應用。相關知識9一、二極管的結構和圖形符號半導體二極管又稱為晶體二極管，簡稱二極管，是一種采用半導體材料制成的電子器件，制造材料主要是硅、鍺及其化合物。二極管用途廣泛，可用于產生、控制、接收、變換信號和進行能量轉換等。如圖1-1-4所示，各種交通信號燈、LED顯示屏、紅外遙控器和裝飾燈等都要用到二極管。圖1-1-4各種二極管的使用場合相關知識10一、二極管的結構和圖形符號所謂半導體材料是指導電性能介于導體和絕緣體之間的材料，常用的有硅和鍺兩種。純凈的半導體稱為本征半導體。在本征半導體中加入不同的雜質元素，可制成P型半導體和N型半導體。例如，在硅單晶體中加入微量的硼元素，可得到P型硅;在硅單晶體中加入微量的磷元素，可得到N型硅。二極管是在硅或者鍺單晶基片上加工出P型半導體區(qū)和N型半導體區(qū)，從P型半導體區(qū)引出二極管的正極(陽極)，用符號“A”表示，從N型半導體區(qū)引出二極管的負極(陰極)，用符號“K”表示。兩個區(qū)域之間的結合部形成一個特殊的薄層，稱為PN結。二極管的內部其實就是一個用硅或者鍺材料制造的PN結，二極管的結構和圖形符號如圖1-1-5所示相關知識11一、二極管的結構和圖形符號圖1-1-5二極管的結構和圖形符號a)結構

b)圖形符號相關知識12二、二極管的工作特性、主要參數(shù)和分類圖1-1-6二極管的導電性能實驗a)正偏狀態(tài)b)反偏狀態(tài)1.二極管的工作特性(1)二極管的單向導電性二極管的導電性能可以通過圖1-1-6所示的實驗來說明。先將二極管V、可調直流穩(wěn)壓電源E、開關S、限流電阻器R和指示燈HL按照圖1-1-6a用導線連接，合上開關，觀察指示燈的狀態(tài)。再將二極管的正負極對調，如圖1-1-6b所示，合上開關，觀察指示燈的狀態(tài)。相關知識131.二極管的工作特性圖1-1-6a中的指示燈亮，說明此時二極管的電阻很小，導電性能良好，稱為“導通”狀態(tài)。圖1-1-6b中的指示燈不亮，說明此時二極管的電阻很大，導電性能極差，稱為“截止”狀態(tài)。二極管導通時，其正極電位高于負極電位，此時的外加電壓稱為正向電壓，二極管處于正向偏置，簡稱“正偏”;二極管截止時，其正極電位低于負極電位，此時的外加電壓稱為反向電壓，二極管處于反向偏置，簡稱“反偏”。二極管在加正向電壓時導通，加反向電壓時截止，這就是二極管的單向導電性。相關知識141.二極管的工作特性(2)二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線即二極管兩端的電壓與通過二極管的電流之間的關系曲線如圖1-1-7所示。位于第一象限的曲線表示二極管的正向特性，位于第三象限的曲線表示二極管的反向特性。正向特性是指給二極管加正向電壓時的特性，反向特性是指給二極管加反向電壓時的特性。圖1-1-7二極管的伏安特性曲線相關知識151.二極管的工作特性1)正向特性。在第一象限曲線的起始階段(0a段)，當正向電壓很小時，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，正向電流很小，二極管幾乎不導通，這個正向電壓很小的范圍稱為死區(qū)。使二極管開始導通的臨界電壓稱為開啟電壓或門限電壓，用Uon表示，硅管的開啟電壓約為0.5V，鍺管的開啟電壓約為0.1V。當正向電壓超過Uon值后，正向電流迅速增大，二極管電阻變得很小，此時二極管處于導通狀態(tài)，對應曲線的ab段，ab段曲線較陡直。當正向電壓超過b點電壓值時，二極管兩端的電壓幾乎不再變化，此時的電壓稱為正向壓降，硅管的正向壓降為0.7V左右，鍺管的正向壓降為0.3V左右。相關知識161.二極管的工作特性2)反向特性。在第三象限曲線起始的一段范圍內(0c段)，反向電流很小，且?guī)缀醪浑S反向電壓而變化，該反向電流稱為反向飽和電流或反向漏電流，簡稱反向電流，0c段稱為截止區(qū)。通常硅管的反向電流為零點幾微安，鍺管的反向電流為十幾微安。在實際應用中，反向電流越小，二極管的質量越好。當反向電壓增大到超過某一值時，反向電流突然急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，對應曲線的cd段。反向擊穿時的電壓稱為反向擊穿電壓，用UBR表示。二極管在正常使用時應避免出現(xiàn)反向擊穿，因此所加的反向電壓應小于UBR。二極管反向擊穿時并不一定損壞，只是在沒有限流措施時，反向電流超過一定限度，PN結過熱才會燒毀，造成永久性損壞。相關知識172.二極管的主要參數(shù)(1)最大正向工作電流IFM二極管長期運行時允許通過的最大正向電流。實際工作時二極管的正向電流不得超過此值，否則二極管可能會因過熱而損壞。(2)最高反向工作電壓URM二極管正常工作時所允許外加的最高反向電壓。若二極管兩端反向電壓超過此值，可能導致二極管反向擊穿。(3)反向電流IR在規(guī)定的反向電壓(<UBR)和環(huán)境溫度下的反向電流。此值越小，二極管的單向導電性能越好，工作越穩(wěn)定。IR對溫度很敏感，使用時應注意環(huán)境溫度不宜過高。最大正向工作電流IFM、最高反向工作電壓URM是選用二極管的兩個重要依據(jù)。相關知識183.二極管的分類(1)按材料不同，二極管分為硅二極管和鍺二極管等。(2)按構造不同，二極管分為點接觸型二極管和面接觸型二極管(包括鍵型二極管、合金型二極管、擴散型二極管、平面型二極管、臺面型二極管)等，其結構示意圖及特點如圖1-1-8所示。圖1-1-8點接觸型、面接觸型二極管的結構示意圖及特點a)點接觸型b)面接觸型相關知識193.二極管的分類(3)按用途不同，二極管可分為整流二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管等。1)整流二極管。整流二極管的內部結構為一個PN結，其外形包括金屬封裝、塑料封裝和玻璃封裝等多種形式。整流二極管主要用于整流電路，利用二極管的單向導電性，將交流電轉換為直流電。由于整流二極管的正向電流較大，因此，整流二極管多為面接觸型二極管，結面積大、結電容大，但工作頻率低。本任務中使用的整流二極管型號是1N4007，其圖形符號和外形如圖1-1-9所示。相關知識203.二極管的分類2)穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管在電子電路中起穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓二極管的外形包括金屬封裝、塑料封裝等形式。穩(wěn)壓二極管在起穩(wěn)定作用的范圍內，其兩端的反向電壓值，稱為“穩(wěn)定電壓”，用符號UZ表示。不同型號的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓是不同的。本任務中使用的穩(wěn)壓二極管型號是1N5242，其圖形符號和外形如圖1-1-10所示，其穩(wěn)定電壓為12V，即當加在穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓超過12V時，其兩端電壓就會穩(wěn)定在12V。圖1-1-9整流二極管的圖形符號和外形圖1-1-10穩(wěn)壓二極管的圖形符號和外形相關知識213.二極管的分類3)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管采用砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等材料制成。不同材料制成的發(fā)光二極管，可以發(fā)出不同顏色的光。例如，磷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出綠色光，磷砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出紅色光，砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，此外還有雙向變色發(fā)光二極管(加正向電壓時發(fā)紅色光，加反向電壓時發(fā)綠色光)、三顏色變色發(fā)光二極管等。發(fā)光二極管的外形包括圓形、方形、三角形等，發(fā)光形式包括透明和散射、無色和單色等。其外形包括金屬封裝、陶瓷封裝和全塑料封裝三種形式，以陶瓷封裝和全塑料封裝為主。本任務中使用的是紅色發(fā)光二極管，其圖形符號和外形如圖1-1-11所示。圖1-1-11發(fā)光二極管的圖形符號和外形相關知識223.二極管的分類4)光電二極管。光電二極管和普通二極管一樣，是由一個PN結組成的半導體器件，具有單向導電性，其圖形符號和外形如圖1-1-12所示。在電子電路中通過光電二極管將光信號轉換為電信號。圖1-1-12光電二極管的圖形符號和外形相關知識233.二極管的分類除以上四種外，還有很多其他不同用途的二極管，如變容二極管、檢波二極管、開關二極管、紅外光電二極管、紅外發(fā)光二極管、激光二極管等，在電子電路中也得到了較為廣泛的應用。24任務二半導體三極管及其應用學習目標25掌握三極管的結構、圖形符號和工作特性，了解三極管的主要參數(shù)和型號命名方法熟悉三極管的識別、檢測方法熟悉三極管的實際應用任務引入26照明開關在生活中非常常見，一般常用機械式開關，如圖1-2-1a所示。隨著電子技術的發(fā)展，聲控、光控和遙控開關相繼出現(xiàn)，極大地方便了人們的生活，圖1-2-1b所示為遙控開關。在這些新型的開關電路中，有的使用了三極管驅動電路，其電路板如圖1-2-2所示。圖1-2-1照明開關a)機械式開關b)遙控開關任務引入27圖1-2-2三極管驅動電路板任務引入28本任務是認識三極管，熟悉三極管的識別、檢測方法，熟悉三極管在驅動電路中的應用。29相關知識一、三極管的結構、圖形符號和分類半導體三極管又稱為晶體三極管，簡稱三極管，由于其工作時半導體中的電子和空穴兩種載流子都起作用，因此屬于雙極型器件，也稱為雙極結型晶體管(bipolarjunction

transistor，簡稱BJT)，是放大電路的重要元件。30相關知識三極管分為NPN型和PNP型兩種類型，其結構和圖形符號分別如圖1-2-3和圖1-2-4所示。三極管是一個三層結構、內部具有兩個PN結的器件，它的中間層稱為基區(qū)，基區(qū)的兩邊分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是同類型的半導體?；鶇^(qū)的半導體類型與發(fā)射區(qū)和集電區(qū)不同，在基區(qū)與發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)之間分別形成兩個PN結，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結，集電區(qū)與基區(qū)之間的PN結稱為集電結。三個區(qū)引出的電極分別稱為基極B(b)、發(fā)射極E(e)和集電極C(c)。三極管圖形符號中的箭頭表示發(fā)射結加正向電壓時的發(fā)射極電流方向。一、三極管的結構、圖形符號和分類31相關知識一、三極管的結構、圖形符號和分類圖1-2-3NPN型三極管的結構和圖形符號圖1-2-4PNP型三極管的結構和圖形符號32相關知識二、三極管的電流分配關系三極管的發(fā)射極電流=集電極電流+基極電流，即IE=IC+IB。由于基極電流很小，因此集電極電流與發(fā)射極電流近似相等，即IC≈IE。33相關知識三、三極管的電流放大作用

34相關知識三、三極管的電流放大作用一般情況下，同一只三極管的β—比β略小，實際應用中并不嚴格區(qū)分。若β=50，則ΔIC=βΔIB=50ΔIB，說明集電極電流的變化量是基極電流變化量的50倍。當基極電流發(fā)生微小的變化時，就能引起集電極電流較大的變化，這種現(xiàn)象稱為三極管的電流放大作用。35相關知識四、三極管的伏安特性1.輸入特性三極管各極上的電壓和電流之間的關系，可通過伏安特性曲線直觀地描述。三極管的伏安特性主要包括輸入特性和輸出特性兩種。三極管的輸入特性是指在集電極—發(fā)射極間電壓UCE一定的條件下，基極電流IB與發(fā)射結電壓UBE之間的關系。三極管的輸入特性曲線如圖1-2-6所示。三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性曲線相似，只有當發(fā)射結正向電壓大于開啟電壓(硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V)時，才產生基極電流，此時三極管處于正常放大狀態(tài)。需要說明的是，當UCE>1V時，UCE的變化對三極管的輸入特性曲線影響不大;但是環(huán)境溫度變化時，三極管的輸入特性曲線也會發(fā)生變化。36相關知識四、三極管的伏安特性圖1-2-6三極管的輸入特性曲線37相關知識2.輸出特性三極管的輸出特性是指在基極電流IB一定的條件下，集電極電流IC與集電極—發(fā)射極間電壓UCE之間的關系。三極管的輸出特性曲線