项目一-晶体二极管、三极管的认识与检测

模拟电子技术AnalogElectronicTechnology工程一晶体二极管、三极管的认识与检测知识目标：了解半导体器件概念和分类；熟识二极管、三极管的外形和电路符号；熟悉二极管、三极管的主要特性和参数；了解几种特殊的二极管、三极管；理解二极管的伏安特性、三极管的放大原理和特性曲线。技能目标：会使用万用表检测二极管的质量和判断电极；会使用万用表检测三极管的质量和判断管脚；会查阅半导体器件手册，能按要求选用二极管、三极管。工作任务：二极管半波整流电路制作及信号观测三极管管脚的判断及电流放大特性检测任务1二极管半波整流电路制作及信号观测实训流程：1.二极管极性，正、反向电阻的测量、质量的识别将红、黑表笔分别接二极管的两个电极：假设测得的电阻值很小〔几千欧以下〕→正向电阻。〔黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极〕；假设测得的阻值很大〔几百千欧以上〕→反向电阻。黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极万用表拨到R

10或R1k电阻档〔1〕在元件盒中分别取出一只二极管和一只电阻，。〔2〕将万用表分别拨到R10或R1k电阻档处〔3〕分别用该二个电阻档测量二极管和电阻的正、反向电阻，把以上测量结果填入表1中。思考题：1、不同档位测量二极管和电阻时，为什么电阻的正向电阻与反向电阻相同，而二极管的正向电阻与反向电阻却不相同。2、不同的电阻档测量二极管的正向电阻为什么不相同？1.1半导体根底知识绕原子核高速旋转的核外电子带负电。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。正电荷负电荷=原子结构中：原子核＋原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。导体、半导体和绝缘体导体导体的最外层电子数通常是1~3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。

原子核＋导体的特点：内部含有大量的自由电子绝缘体绝缘体的最外层电子数一般为6~8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核＋绝缘体的特点：内部几乎没有自由电子，因此不导电。半导体半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。

原子核＋半导体的特点：导电性能介于导体和绝缘体之间，但具有光敏性、热敏性和参杂性的独特性能，因此在电子技术中得到广泛应用。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。1.1.1半导体的独特性能1.1.2本征半导体

最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。本征半导体：晶格结构完全对称。本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。＋＋＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。复合运动的动画演示〔点击画面〕＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动那么可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下到达动态平衡。1.1.3半导体的导电机理在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子，因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。这一点正是半导体区别于金属导体在导电机理上的本质差异，同时也是半导体导电方式的独特之处。

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。

在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。1.1.4杂质半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可到达少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。

掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，而不能移动的离子带负电。－不管是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。注意：掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着带正电？自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否由自由电子填补空穴的运动形成的？何谓杂质半导体中的多子和少子

？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？想想练练1.1.5PN结及其单向导电性1.PN结的形成杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念〞和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场动画演示

PN结合→多子浓度差→多子扩散→产生空间电荷区，形成内电场→阻止多子扩散，促使少子漂移。载流子分布浓度差引起扩散运动扩散运动：多数载流子因浓度上的差异而形成的运动。漂移运动：少数载流子在内电场作用下有规那么的运动。

漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结的宽度处于稳定状态。PN结的形成

2.PN结的单向导电性〔1〕PN结外加正向电压PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，或称PN结正向偏置，简称为正偏。正偏时，PN结变窄，正向电阻小，电流大，PN结处于导通状态。图1.8PN结外加正向电压

〔2〕PN结外加反向电压PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，或称PN结反向偏置，简称为反偏。反偏时，PN结变宽，反向电阻很大，电流很小，PN结处于截止状态。PN结外加反向电压

〔3〕PN结的单向导电性PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。PN结正向偏置时的情况PN结反向偏置的情况1.2.1二极管的结构及符号

结构二极管＝PN结＋管壳＋引线

符号由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。PN结具有单向导电性。1.2半导体二极管二极管类型按半导体材料来分类，常用的有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按工艺结构来分类，有点接触型、面接触型和平面型二极管三种。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。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线面接触型二极管平面型二极管PN结面积大，结电容大，用于低频大电流整流电路。PN结面积大小可控。结面积大，用于大功率整流；结面积小，用于高频电路。N型锗负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线按封装形式来分类，常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异。常见的二极管外形

1、二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。I＝f〔U〕图1.14测正向特性

1.2.2二极管的伏安特性及主要参数〔2〕反向特性〔3〕反向击穿特性

测反向特性

U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性〞。二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。正向导通区和反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。

硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管的正向导通电压约为0.3V。在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小根本恒定，而与反向电压的上下无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为反向饱和电流。2.二极管的主要参数〔1〕最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。〔2〕反向击穿电压UBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。〔3〕反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。死区电压反向饱和电流反向击穿电压练习：判断二极管在电路是否导通例1-1判定电路中硅二极管的工作状态，计算UAB值。判断方法：假设二极管从电路中断开，看二极管两端正向开路电压是否大于其导通电压。若正向电压大于其导通电压，则二极管接入后必将导通；反之，二极管接入后必将处于截止状态。1.2.3二极管的识别与测试1、二极管的极性判定〔1〕根据二极管外部标志识别二极管管脚极性外壳上标出电路符号平端对应为正极色点端表示正极色环端对应为负极〔2〕用万用表判定二极管管脚极性将万用表置于R×100挡或R×1k挡，红、黑两表笔分别接二极管的两个电极，测得的电阻值较小〔为正向电阻，几千欧以下〕，那么黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极；测得的电阻值较大〔为反向电阻，几百千欧以上〕，那么黑表笔接的是二极管的负极，红表笔接的是二极管的正极。2、二极管的好坏判定用万用表的R×100挡或R×1k挡测量二极管的正、反向电阻。〔1〕假设测得的反向电阻很大〔几百千欧以上〕，正向电阻很小〔几千欧以下〕，说明二极管性能良好；〔2〕假设测得的反向电阻和正向电阻都很小，说明二极管短路，已损坏；〔3〕假设测得的反向电阻和正向电阻都很大，说明二极管断路，已损坏。I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性。D稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。正向特性与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ1.2.4特殊二极管1.稳压管实物图图符号及文字符号显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。+US－DZ使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正负极的判别DZ+－(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路UZ－(3)稳压管应接入限流电阻(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。思索与回顾二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。

击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。如稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就是利用这一点到达“稳压〞效果的。稳压管正常工作是在反向击穿区。发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。管芯由PN结构成，具有单向导电性。实物图图符号和

文字符号D发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。发光管正常工作时应正向偏置，因发光管属于功率型器件，因此死区电压较普通二极管高，其正偏工作电压至少要在1.3V以上。

2.发光二极管单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件常使用发光管。光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件，其核心局部也是一个PN结。光电二极管PN结的结面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。D光电二极管的正常工作状态是反向偏置。在反向电压下，无光照时，反向电流很小；有光照射时，在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。3.光电二极管光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口〞，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图图符号和

文字符号思索与比较

发光二极管

电能转换成光能。PN结工作在正偏状态。管子正向导通电流足够大时，PN结内电光效应发光。

光电二极管将光能转换为电能。PN结工作在反偏状态。反向电流与照度成正比。1.利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？你会做吗？检验学习结果2.现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：(1)假设将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)假设将它们并联相接，又可得到几种稳压值？各为多少？3.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD＝1.5V，正向电流在5~15mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R的取值范围又是多少？

1.2.5二极管应用电路1.限幅电路〔1〕二极管单向限幅电路

二极管限幅电路及波形ui≥E＋UD=3.7V，D导通，uo=3.7Vui最大值限制在3.7V。ui<3.7V，D截止，二极管支路开路uo=ui〔2〕二极管双向限幅电路ui>10V，VD1导通，VD2截止，uo被限制在10V；ui<-8V，VD1截止，VD2导通，uo被限制在-8V；ui:-8V～10V，VD1、VD2均截止，uo＝ui二极管为理想二极管，输入电压为幅度为15V的正弦波。2.二极管电平选择电路多路输入信号中选出最低电平和最高电平的电路。二极管低电平选择电路输入电压u1、u2<E二极管工作状态VD1VD2输出电压uou1<u2导通截止u1u1>u2截止导通u2u1=u2导通导通u1=u2

该电路能选出任意时刻的低电平。3.整流电路

利用单向导电性能的整流元件，将正负交替变化的正弦交流电压变换成单方向的脉动直流电压。单向半波整流电路图2.2单相半波整流电路图2.3单相半波整流电路图2.2单相半波整流电路图2.3单相半波整流电路整流电路负载上的直流电压就是输出脉动电压的平均值。由傅里叶级数展开式可知，其输出电压可表示为：

相关参数：①输出电压②输出电流③二极管最大反向电压④二极管电流Uim为变压器次级交流变压器的峰值，Ui为其有效值。任务1二极管半波整流电路制作及信号观测实训流程：2.二极管半波整流电路制作及信号观测

接好电路，用示波器观察输入输出波形。测量信号值。半波整流：VI=〔V〕VO=〔V〕

波形〔注出波幅、周期〕：输入输出1.2.5二极