高中通用技术抓住晶体管工作原理的重要性施教电子控制技术的心得体会.doc

高中通用技术抓住晶体管工作原理的重要性施教电子控制技术的心得体会电子控制技术依靠的是电子计算机及电子控制电路。而电子计算机、电子电路则都是由晶体管及集成电路组成的。而集成电路又是在硅片上加工制成“PN结”结构，从而形成大量的晶体管而工作的。所以我们说晶体管是集成电路的核心组成部分，那么晶体管也就是一切电子控制电路及电子计算机的核心。可见学习晶体管的知识对学习电子控制技术是何其重要。晶体管的知识在本教材里仅在第三章第一节介绍了光敏二极管、光敏三极管；第三章第三节介绍了晶体管的开关特性及简介了数字集成电路的知识；第四章第三节介绍了晶闸管（可控硅）的知识；在P101附录里才比较系统地学习了晶体管、集成电路的知识。虽然占的篇幅不是很多，却涵盖了晶体管的工作原理、结构、作用诸方面的知识，是学习电子控制技术的关键部分，起着举足轻重的重要作用。因此我们学习“电子控制技术”必须抓住晶体管工作原理这个纲，抓住了这个纲，纲举目张，“电子控制技术”的学习，就能起到事半功倍的效果。为了达到“抓纲”的目的，那么一定要让同学们真正弄通晶体管的工作原理。高二年级的同学，高中物理课中尚未学习电学方面的知识，晶体管工作原理又用到大量的电学基础理论，所以在学习上是很有难度的。为此我们必须借助多媒体手段，采用大量形象直观的PPT课件，通过列举各种各样通俗易懂的实例，帮助同学们来学习理解。并注意抓住重点精讲细讲深入探讨。具体有以下几个部分是要抓住精讲的；一、 PN结的形成1、 空穴导电的原理从半导体（晶体）的温度特性、空穴导电等基本特性讲起。利用高二同学已经学习过了原子结构的优势，向同学们传授：晶体结构的原子受热获得能量溢出自由电子，形成“空穴”，（半导体的温度特性）。当空穴移动形成电流，就是所谓的空穴导电。什么是空穴导电的原理，可用这样的例子：电影院的前排位置空出来后，后排的人相继去填补，如此一个接一个地填补下去，最后空位置移到了最后排。看似空位移到了最后，实际上是人移到了前排。同理，空穴导电的原理也是一样，看似空穴在移到，实是电子在移动。实际上也就是电子去填补空穴造成的空穴移动。另外，我们知道，电荷的移动，叫产生了电流。由于空穴带正电荷，所以，空穴在移动，也就是产生了电流，就能导电。我们把这种导电方式叫作空穴导电。2、P型半导体和N型半导体晶体结构的硅原子或锗原子，其原子核外层电子个数为4。掺入核外层电子数为5个的砷后，替代了核外层只有4个电子的锗原子或硅原子后，将多出一个电子。由于原子很小，即使锗中只掺入了少量的砷。例如：0.1g，也包含了数额巨大的砷原子，可获得大量的自由电子，使得锗或硅这类半导体导电性能大幅度提高，（半导体掺杂后，导电性能增加的掺杂特性。）这种主要靠电子导电的半导体称为电子型半导体，用N表示电子型半导体。同样，在锗或硅里掺入核外层电子数为3个的铟原子后，由于铟原子核外层只有三个电子，替代了核外层有4个电子的锗原子或硅原子后，因缺少了电子形成了所谓的空穴。同理，掺入少量的铟原子可获得大量的空穴，使导电性能大大增加。这种靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，用P表示空穴型半导体。3、PN结的形成将P型半导体与N型半导体用特殊工艺做成一起（例如烧结在一起），使得两者的距离很近（接近原子的距离时），交界面便形成了PN结。晶体管神奇的功能均发生在这薄薄的PN结中，这里可用下面的例子向同学们交代PN结所发生的物理过程，最后揭示晶体管的奥妙！人都喜欢从拥挤的地方跑向人稀少一些的地方，少量的气体可以充满整个空间，一滴墨水能把一杯清水染蓝。这类客观存在的自然现象叫做扩散。扩散的规律：浓度大的地方跑向浓度低的地方。PN结也有类似的情况，PN结的P 区，空穴浓度大，因此P区有大量的空穴从P区向N区扩散；PN结的N区，电子浓度大，有大量的电子从N区向P区扩散。带正电荷的空穴由P区跑到N区，使N区带正电。带负电荷的电子由N区跑到P区，使P区带负电。实际上，由于同种电荷之间有排斥力存在，异种电荷之间有吸引力存在，交换移动的距离并不会太远，所以都集中在靠近结合层的两边。（同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引的原理，也是自然界客观存在的规律。）另外这种交换也不会无止境地进行下去，因为随着扩散，P区逐渐带上更多的负电荷，若再有电子移过来，便会受到排斥， N区也是一样，当N区逐渐带上更多的正电荷之后，若再有空穴移过来，也会受到排斥。也就是说：由于扩散，在交界面二边积累了性质不同的二种电荷，形成了一个所谓的电场，对继续扩散产生拒斥作用。（这些知识，在此只作简单介绍，更深的研究，要到同学们系统地学习了高中物理中有关电场的知识以后。）随着扩散的进行，交界面附近积累的电荷越来越多，拒斥作用也越来越大，最后达到了动态平衡，即电子与空穴扩散到对方有多少，则又被电场力推回来多少，它的数量相等，在交界面的电荷不再增加。我们所说的PN结，就是指在导电类型相反的二种半导体，P型半导体和N型半导体的交界面附近所形成的这种导电结构。因为它阻止了空穴、电子的继续扩散，所以叫做阻挡层。4、PN结的单向导电性 PN结具有单向导电的特性。我们可做这样的实验，如图1所示：图1将P型半导体部分接电池的正极，N型半导体部分接到电池的负极，移动滑线变阴器活动端，可以改变加到PN结上的电压。当滑线变阻器活动端自左向右滑动使加到PN结两端的电压逐渐增加时，从电压表及电流表上可以发现：通过PN结的电流随电压的增加迅速增加。从这里我们可以知道，当P型部分接电池正极，N型部分接电池负极时，半导体的电阻很小，流过的电流很大，这样的连接方法我们称为正向连接，正向连接时流过半导体的电流叫正向电流，加在半导体两端的电压叫正向电压。这时半导体的电阻叫正向电阻。我们调换电池的正负极连接，也就是P型半导体部分接电池负极，N型半导体部分接电池正极，如图2所示：图2重作上述实验。实验结果证明，当电压增加时，通过半导体的电流稍有增加，以后电压在某一范围内继续加大时，通过半导体的电流几乎不变。这样的连接方法叫反向连接，反向连接时通过的几乎不变的电流，叫反向饱和电流，加在半导体两端的电压叫反向电压，这时的电阻叫反向电阻。 以上所述就是pn结的单向导电特性。应当如何去理解PN结所具有的这种单向导电性呢？我们认真地研究一下PN结的形成过程，就个问题就很清楚了。在PN结中阻止电子空穴扩散继续进行的根本原因，是由于在结交界面的两边堆积了两种异性电荷，它们产生了对扩散有排斥作用的阻挡层。当PN结与外电源正向连接时，电池在PN结中又形成了一个附加电场，这个电场的方向恰好和PN结原来存在的电场方向相反，是由P型区指向N型区的，如图1所示。因而PN结中原先存在的电场被削弱了，阻挡层的厚度减小了。这样，P区的空穴和N区的电子在这个外加电场的帮助下，不断地跑向交界处，于是扩散又继续进行，这样就产生了正向电流。随着外加正向电压的增加，在PN结中外加的电场作用更强，进一步抵消（或减弱）了PN结中原先存在的阻止电子或空穴通过的排斥电场，所以正向电流随着外加正向电压的增加而迅速地上升。当PN结反向连接时，外加电压在PN结中所产生的附加电场方向是由N区指向P区，是与PN结中原先存在的排斥电场方向一致，如图2所示。这样就使阻止电子与空穴扩散的电场大大加强，N区的电子与P区的空穴受到电场的排斥作用，各自向远离交界面的方向运动，于是阻挡层厚度加大，PN结的电阻也大大增加，电流就更难通过了。这就是反向连接时电流小的道理。以上就是PN结单向导电原理。二、晶体三极管的工作原理高中二年级的同学，由于数学知识不够，电学理论基础也不多，学习晶体管的放大原理，不能够定量分析，所以只作定性分析与学习。这种学习方式，实践证明也是一种行之有效的学习方式。如各行各业很多技术能手，革新发明者，都是通过这种定性分析的学习方式先入“电子技术”的门，最后成长为电子技术专家的。1、 定性学习晶体三极管的放大作用晶体管的放大作用，我尝试着是这样教学的。“放大”这两个字同学们并不陌生。就像去照相馆放大照片一样，一张一寸的小照片放大成十寸的大照片，每一个部位都成比例放大了，但人像仍然是原来的人像。数学上讲的相似形，对应边成比例地变长，整个相似形都放大了。这些都是“放大”作用，都遵循放大前后“变化规律一致”的特点。然后再这样讲述晶体管的放大作用。我们所说的晶体管的放大作用，是指给晶体管输入一个很小的变化电压（或电流）便能在输出端得到一个很大的变化电压（或电流）。这里以PNP型晶体管为例，分析它的放大作用。在发射结与集电结上所加的电压及对电流分配的影响：图3图3为简单的放大原理图。这里，在晶体管上加有两组电压：在发射结上加一个较小的正向电压Ecb（发射极接电池的正极，基极接电池的负极）；而在集电结上加一个较大的反向电压Ecb（集电极接电池的负极，基极接电池的正极）。这种接法是以基极为输入和输出电路和公共端，所以称为共基极接法。由于发射结加的是正向电压，因而使阻挡层减薄，动态平衡被破坏，扩散就能继续进行。而集电结加的是反向电压，因此使阻挡层大大加厚，扩散更加困难，以至呈中断状态。在发射结由于扩散的进行，发射区的空穴就通过PN结而到达基区，形成空穴流。基区的自由电子越过PN结到达发射区形成电子流。但在制作晶体管时，总是在基区少掺些杂质，所以基区的电子远没有发射区的空穴多，因而发射结电流的主要成分是空穴流（如果是NPN型晶体管则是向基区注入电子流）。发射区的作用主要是向基区注入带正电荷的空穴（如果是NPN型晶体管则是向基区注入电子）。这里发射结上的外加电压保证了发射空穴的持续进行，空穴由发射区注入基区，它的任务就完成了。当发射区的空穴进到基区之后，就在发射结附近堆积起来，并向集电结扩散。由于基区做得很薄，而且在集电结上又加了几伏到十几伏的反向电压，所以当空穴很快扩散到集电结附近时，就受到外加电场的吸引而迅速跑到集电区，形成了集电极电流。这里集电结上反向电压的作用，一方面阻止了集电区的空穴向基区扩散，另一方面它继续完成了发射结电压尚未完成的任务，帮助由发射区进入基区的空穴继续前进而到达集电区。但是，从发射区进到基区的空穴并不是都能通过基区而到达集电区的，其中一部分没有到达集电结就被基区中的自由电子中和而消失。基区的自由电子也有一部分进入发射区，这就需要从电源的负极取得电子来补充，从而形成了基极电流。不过一般为了减小基极电流，基区作得很薄，而且少掺杂质，使它的电子与空穴中和的机会很少，使绝大部分的空穴都能超过基区而到达集电区，形成集电极电流。因此集电极电流差不多等于发射极电流。总的电流流通情况如图4所示。10图4我们再来进一步分析加在发射结与集电结上两组电压对晶体管内电流分配的影响情况。由于发射结上的电压是正接的，所以电阻很小，这个电压对注入基区的空穴流影响特别大，它稍微有变化，就会引起空穴流很大的变化；而加在集电结上的电压是反接的，所以电阻很大，它只能保证注入基区的空穴几乎全部地跑到集电极，而不能改变注入基区的空穴数目，因此它对电流的影响很小。也就是说，影响集电极电流大小的主要因素取决于注入基区的空穴数目，亦即取决于发射结上所加的正向电压。于是，只要这个电压有一个很小的变化，就能使集电极电流相应产生一个很大的变化。如果这时在集电极佳接入一足够大的电阻，就可以在电阻上获得一个变化很大的电压，而且这个电压的变化规律与发射结上电压变化的规律是一样的。通过以上讨论可知，晶体三极管所以能有放大作用，也是由它的内部原因和外部原因决定的。内因，是由PN结组成，它的基区作得很薄，掺杂质又少，使空穴能尽可能多的通过基区而不被自由电子所中和。外因，在各电极上加有相应的电压，它为电荷在管内的有规则的运动创造了条件。这里尤其要注意所加的电压的大小和方向，对晶体三极管来说，总是在发射结加上较小的正向电压，而在集电结加上较大的反向电压。这就是晶体三极管放大作用的原理。（晶体管放大原理另一说法）我们还可以这样向学生简述晶体三极管的放大原理增大发射结的正向电压，使基极电流增加，必然导致基区的电子增多，为了保证 基区的电子与发射区涌来的空穴复合这一动态平衡，发射区必须向基区提供更多的空穴（发射极电流大量地增加）而这些空穴又大部分被集电极吸收，使集电极电流大量增加，可见由于基极电流的变化，使集电极电流发生更大的变化，那么基极电流微小的变化，控制了集电极电流较大的变化。这就是三极管放大的原理；（晶体管放大原理 又一说法）扩散形成的集电极电流IC和复合形成的基极电流IB的比值基本上是定值，是人们制作晶体管时设计的，由管内电荷传输过程决定的。Ic与Ib的关系： Ic=Ib =Ic/Ib例如：每复合10个空穴就有1000个空穴扩散到了集电极每复合5个空穴就有500个空穴扩散到了集电极则该晶体管的放大倍数=1000/10=500/5=100（倍）所以晶体管具有放大作用。2、 晶体管的开关的作用 从晶体管的放大原理我们已经知道，晶体三极管是一种控制元器件，它的基极所加的电压能够控制集电极电流（电压）的大小，从而能够控制晶体管发射极到集电极的导通与否。当选择晶体管工作在截止区域时，发射极到集电极，电流截止，可以理解为发射极到集电极是断开的。当选择晶体管在饱和导通区工作时，发射极到集电极，可以看做是导通的。所以我们说晶体管具有类似于开关的作用，被广泛地用电子开关电路等等。三、晶闸管（可控硅）工作原理 由三个PN结组成的晶闸管（可控硅）则具有更良好的开关特性和控制特性，也是必须精讲的