中职电工电子基础教案4：第四章 常用半导体电子教案

1、教 案任课教师龙爱忠授课班级17秋机电一体化5年一贯制班课时安排4个课时专业、层次中职课题内容第四章 常用半导体教学重点半导体基本知识PN结教学难点1、半导体二极管2、半导体三极管课程目标1、掌握半导体二极管工作原理2、掌握半导体三极管工作原理课的类型新授课教学策略通过多媒体教学方法与手段讲授、实践等教 学 过 程 设 计教学过程及时间分配教 学 内 容时间分配组织教学1、点名检查学生出勤情况。2、填写教学记录表。5min导入新课提问引入：什么是半导体？半导体的工作原理是什么样的呢？3min新课讲授4.1 半导体基本知识1、本征半导体半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。用得最多的半导体是锗和

2、硅，都是四价元素。将锗或硅材料提纯后形成的完全纯净、具有完整晶体结构的半导体就是本征半导体。 本征半导体结构示意图半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但有些半导体在温度增高、受光照等条件下，导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。更重要的是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。 半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的：在半导体价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（5价元素）

3、中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电时共价键中留下的空位称为空穴。 在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。载流子能运载电荷做定向移动并形成电

4、流的粒子2、掺杂半导体本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。本征半导体中掺入磷或其他五价元素，就构成N型半导体。半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子，本征半导体中掺入硼或其他三价元素，就构成P型半导体。半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。 应注意，不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的。4.2 PN结1、PN结的形成 通过某些方式将P型半导体

5、和N型半导体结合在一起，则在它们的交接面上将形成PN结。PN结的形成图a所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽)，形成载流子极少的正负空间电荷区（如图b所示），也就是PN结，又叫耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。扩散和漂移是相互联系，又是相互矛

6、盾的。在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。2、PN结的单向导电性PN结具有单向导电的特性，这也是半导体器件的主要工作机理。如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，使空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。 PN结加正向电压时导通如果在PN结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，使空间电荷区变宽

7、，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。由以上分析可知，PN结具有单向导电性。 PN结加反向电压时截止 4.3 半导体二极管1、二极管结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。P区对应的称为阳极（或正极），N区对应的称为阴极（或负极） 点接触型 面接触型 表示符号按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类 。点接触型（一般为锗管），它的PN结结面积很小，因此不能通过较大电流，但其高频性能好，一般适用于高频和小功率的工作，也用作数

8、字电路中的开关元件。面接触型（一般为硅管），它的PN结结面积大，因此能通过较大电流，但其工作频率较低，一般用作整流元件。 2、二极管的伏安特性二极管既然是一个PN结，当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如 图中Uon称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。当外加正向电压低于死区电压时，外电场还不足以克服内电场对扩散运动的阻挡，正向电流几乎为零。当外加正向电压超过死区电压后，内电场被大大削弱，正向电流增长很快，二极管处于正向导通状态。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.5V，锗管约为0.20.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。 图中UBR称为反向击

9、穿电压，当外加反向电压低于UBR时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过UBR后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般会造成“热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。4.4 半导体三极管1、半导体三极管结构图所示为三极管的几种常见外形，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。 通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序

10、分为NPN型和PNP型两大类。NNNP基极发射极集电极BEC符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管PPNPNP型基极发射极集电极BECNPN型三层结构即为三极管的三个区, 中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。三个区各自引出三个电极，分别为基极（b） 、发射极（e）和集电极（c）。如图所示，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。三极管内部结构中有两个具有单向导电性

11、的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。 如上图是三极管的结构示意图，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic 和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：（1） IE IB IC ( 符合克希荷夫电流定理）（2） IC IB （ 称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）（3） IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质：用一个微

12、小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。2、三极管的放大原理以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大（1）发射区向基区扩散电子：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。（2）电子在基区扩散和复合：由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。 HYPERLINK /dg/wlkc/netpages/fangdayuanli.htm 三极管内部载流子运动与外部电流（3）集

13、电区收集从发射区扩散过来的电子：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。3、三极管的输入输出特性三极管的输入输出特性（1）输入特性三极管的输入特性是指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。 HYPERLINK /dg/wlkc/netpages/sanjiguan.htm 对硅管而言，当UCE超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大UCE ，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定）， IB也就基本不变。就是说，当

14、UCE超过1V后的输入特性曲线基本上是重合的。由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流IB。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。三极管的输入特性曲线在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.60.4V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2 -0.3V。（2）输出特性三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。通常把输出特性曲线分为三个工作区：a、放大区：输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区, IC IB ,由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE0，UBC0。b、 截止区： IB 0的曲线以下的区域称为截止区。实际上，对NPN硅管而言，当UBE0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使UBE0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。c、 饱和区：输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时IB的变化对 IC的影响较小，放大区的不再适用于饱和区 。在饱和区， UCEUBE，发射结和集电结均处于正向偏置。