《电子技术基础（第二版）》 课件 课题一 半导体器件及其应用

电子技术基础（第二版）1课题一半导体器件及其应用2半导体器件及其应用任务一任务二半导体二极管及其应用半导体三极管及其应用34任务一半导体二极管及其应用学习目标5掌握二极管的结构、图形符号和工作特性，了解二极管的主要参数和分类熟悉二极管的识别、检测方法熟悉二极管的实际应用任务引入6现代生活中，电子数码产品的使用已非常普遍，如图1-1-1所示的笔记本电脑、平板电脑和手机。这些电子数码产品的工作电源是不同电压等级的直流电，除了可以使用电池外，还可以使用50Hz的交流电，那如何把交流电转换为直流电呢?这就是本任务中半导体二极管可以解决的问题，其电路组成框图如图1-1-2所示，包括整流电路、稳压电路和状态显示电路，可以分别使用不同类型和特性的二极管来实现，其电路板如图1-1-3所示。图1-1-1电子数码产品任务引入图1-1-2二极管整流、稳压、显示电路组成框图7图1-1-3二极管整流、稳压、显示电路板任务引入8本任务是认识二极管，熟悉二极管的识别、检测方法，熟悉二极管在整流、稳压、显示电路中的应用。相关知识9一、二极管的结构和图形符号半导体二极管又称为晶体二极管，简称二极管，是一种采用半导体材料制成的电子器件，制造材料主要是硅、锗及其化合物。二极管用途广泛，可用于产生、控制、接收、变换信号和进行能量转换等。如图1-1-4所示，各种交通信号灯、LED显示屏、红外遥控器和装饰灯等都要用到二极管。图1-1-4各种二极管的使用场合相关知识10一、二极管的结构和图形符号所谓半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，常用的有硅和锗两种。纯净的半导体称为本征半导体。在本征半导体中加入不同的杂质元素，可制成P型半导体和N型半导体。例如，在硅单晶体中加入微量的硼元素，可得到P型硅;在硅单晶体中加入微量的磷元素，可得到N型硅。二极管是在硅或者锗单晶基片上加工出P型半导体区和N型半导体区，从P型半导体区引出二极管的正极(阳极)，用符号“A”表示，从N型半导体区引出二极管的负极(阴极)，用符号“K”表示。两个区域之间的结合部形成一个特殊的薄层，称为PN结。二极管的内部其实就是一个用硅或者锗材料制造的PN结，二极管的结构和图形符号如图1-1-5所示相关知识11一、二极管的结构和图形符号图1-1-5二极管的结构和图形符号a)结构

b)图形符号相关知识12二、二极管的工作特性、主要参数和分类图1-1-6二极管的导电性能实验a)正偏状态b)反偏状态1.二极管的工作特性(1)二极管的单向导电性二极管的导电性能可以通过图1-1-6所示的实验来说明。先将二极管V、可调直流稳压电源E、开关S、限流电阻器R和指示灯HL按照图1-1-6a用导线连接，合上开关，观察指示灯的状态。再将二极管的正负极对调，如图1-1-6b所示，合上开关，观察指示灯的状态。相关知识131.二极管的工作特性图1-1-6a中的指示灯亮，说明此时二极管的电阻很小，导电性能良好，称为“导通”状态。图1-1-6b中的指示灯不亮，说明此时二极管的电阻很大，导电性能极差，称为“截止”状态。二极管导通时，其正极电位高于负极电位，此时的外加电压称为正向电压，二极管处于正向偏置，简称“正偏”;二极管截止时，其正极电位低于负极电位，此时的外加电压称为反向电压，二极管处于反向偏置，简称“反偏”。二极管在加正向电压时导通，加反向电压时截止，这就是二极管的单向导电性。相关知识141.二极管的工作特性(2)二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线即二极管两端的电压与通过二极管的电流之间的关系曲线如图1-1-7所示。位于第一象限的曲线表示二极管的正向特性，位于第三象限的曲线表示二极管的反向特性。正向特性是指给二极管加正向电压时的特性，反向特性是指给二极管加反向电压时的特性。图1-1-7二极管的伏安特性曲线相关知识151.二极管的工作特性1)正向特性。在第一象限曲线的起始阶段(0a段)，当正向电压很小时，二极管呈现很大的电阻，正向电流很小，二极管几乎不导通，这个正向电压很小的范围称为死区。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压或门限电压，用Uon表示，硅管的开启电压约为0.5V，锗管的开启电压约为0.1V。当正向电压超过Uon值后，正向电流迅速增大，二极管电阻变得很小，此时二极管处于导通状态，对应曲线的ab段，ab段曲线较陡直。当正向电压超过b点电压值时，二极管两端的电压几乎不再变化，此时的电压称为正向压降，硅管的正向压降为0.7V左右，锗管的正向压降为0.3V左右。相关知识161.二极管的工作特性2)反向特性。在第三象限曲线起始的一段范围内(0c段)，反向电流很小，且几乎不随反向电压而变化，该反向电流称为反向饱和电流或反向漏电流，简称反向电流，0c段称为截止区。通常硅管的反向电流为零点几微安，锗管的反向电流为十几微安。在实际应用中，反向电流越小，二极管的质量越好。当反向电压增大到超过某一值时，反向电流突然急剧增大，这种现象称为反向击穿，对应曲线的cd段。反向击穿时的电压称为反向击穿电压，用UBR表示。二极管在正常使用时应避免出现反向击穿，因此所加的反向电压应小于UBR。二极管反向击穿时并不一定损坏，只是在没有限流措施时，反向电流超过一定限度，PN结过热才会烧毁，造成永久性损坏。相关知识172.二极管的主要参数(1)最大正向工作电流IFM二极管长期运行时允许通过的最大正向电流。实际工作时二极管的正向电流不得超过此值，否则二极管可能会因过热而损坏。(2)最高反向工作电压URM二极管正常工作时所允许外加的最高反向电压。若二极管两端反向电压超过此值，可能导致二极管反向击穿。(3)反向电流IR在规定的反向电压(<UBR)和环境温度下的反向电流。此值越小，二极管的单向导电性能越好，工作越稳定。IR对温度很敏感，使用时应注意环境温度不宜过高。最大正向工作电流IFM、最高反向工作电压URM是选用二极管的两个重要依据。相关知识183.二极管的分类(1)按材料不同，二极管分为硅二极管和锗二极管等。(2)按构造不同，二极管分为点接触型二极管和面接触型二极管(包括键型二极管、合金型二极管、扩散型二极管、平面型二极管、台面型二极管)等，其结构示意图及特点如图1-1-8所示。图1-1-8点接触型、面接触型二极管的结构示意图及特点a)点接触型b)面接触型相关知识193.二极管的分类(3)按用途不同，二极管可分为整流二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。1)整流二极管。整流二极管的内部结构为一个PN结，其外形包括金属封装、塑料封装和玻璃封装等多种形式。整流二极管主要用于整流电路，利用二极管的单向导电性，将交流电转换为直流电。由于整流二极管的正向电流较大，因此，整流二极管多为面接触型二极管，结面积大、结电容大，但工作频率低。本任务中使用的整流二极管型号是1N4007，其图形符号和外形如图1-1-9所示。相关知识203.二极管的分类2)稳压二极管。稳压二极管在电子电路中起稳定电压的作用。稳压二极管的外形包括金属封装、塑料封装等形式。稳压二极管在起稳定作用的范围内，其两端的反向电压值，称为“稳定电压”，用符号UZ表示。不同型号的稳压二极管，稳定电压是不同的。本任务中使用的稳压二极管型号是1N5242，其图形符号和外形如图1-1-10所示，其稳定电压为12V，即当加在稳压二极管两端的反向电压超过12V时，其两端电压就会稳定在12V。图1-1-9整流二极管的图形符号和外形图1-1-10稳压二极管的图形符号和外形相关知识213.二极管的分类3)发光二极管。发光二极管采用砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等材料制成。不同材料制成的发光二极管，可以发出不同颜色的光。例如，磷化镓发光二极管发出绿色光，磷砷化镓发光二极管发出红色光，砷化镓发光二极管发出红外光，此外还有双向变色发光二极管(加正向电压时发红色光，加反向电压时发绿色光)、三颜色变色发光二极管等。发光二极管的外形包括圆形、方形、三角形等，发光形式包括透明和散射、无色和单色等。其外形包括金属封装、陶瓷封装和全塑料封装三种形式，以陶瓷封装和全塑料封装为主。本任务中使用的是红色发光二极管，其图形符号和外形如图1-1-11所示。图1-1-11发光二极管的图形符号和外形相关知识223.二极管的分类4)光电二极管。光电二极管和普通二极管一样，是由一个PN结组成的半导体器件，具有单向导电性，其图形符号和外形如图1-1-12所示。在电子电路中通过光电二极管将光信号转换为电信号。图1-1-12光电二极管的图形符号和外形相关知识233.二极管的分类除以上四种外，还有很多其他不同用途的二极管，如变容二极管、检波二极管、开关二极管、红外光电二极管、红外发光二极管、激光二极管等，在电子电路中也得到了较为广泛的应用。24任务二半导体三极管及其应用学习目标25掌握三极管的结构、图形符号和工作特性，了解三极管的主要参数和型号命名方法熟悉三极管的识别、检测方法熟悉三极管的实际应用任务引入26照明开关在生活中非常常见，一般常用机械式开关，如图1-2-1a所示。随着电子技术的发展，声控、光控和遥控开关相继出现，极大地方便了人们的生活，图1-2-1b所示为遥控开关。在这些新型的开关电路中，有的使用了三极管驱动电路，其电路板如图1-2-2所示。图1-2-1照明开关a)机械式开关b)遥控开关任务引入27图1-2-2三极管驱动电路板任务引入28本任务是认识三极管，熟悉三极管的识别、检测方法，熟悉三极管在驱动电路中的应用。29相关知识一、三极管的结构、图形符号和分类半导体三极管又称为晶体三极管，简称三极管，由于其工作时半导体中的电子和空穴两种载流子都起作用，因此属于双极型器件，也称为双极结型晶体管(bipolarjunction

transistor，简称BJT)，是放大电路的重要元件。30相关知识三极管分为NPN型和PNP型两种类型，其结构和图形符号分别如图1-2-3和图1-2-4所示。三极管是一个三层结构、内部具有两个PN结的器件，它的中间层称为基区，基区的两边分别称为发射区和集电区，发射区和集电区是同类型的半导体。基区的半导体类型与发射区和集电区不同，在基区与发射区、基区和集电区之间分别形成两个PN结，发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。三个区引出的电极分别称为基极B(b)、发射极E(e)和集电极C(c)。三极管图形符号中的箭头表示发射结加正向电压时的发射极电流方向。一、三极管的结构、图形符号和分类31相关知识一、三极管的结构、图形符号和分类图1-2-3NPN型三极管的结构和图形符号图1-2-4PNP型三极管的结构和图形符号32相关知识二、三极管的电流分配关系三极管的发射极电流=集电极电流+基极电流，即IE=IC+IB。由于基极电流很小，因此集电极电流与发射极电流近似相等，即IC≈IE。33相关知识三、三极管的电流放大作用

34相关知识三、三极管的电流放大作用一般情况下，同一只三极管的β—比β略小，实际应用中并不严格区分。若β=50，则ΔIC=βΔIB=50ΔIB，说明集电极电流的变化量是基极电流变化量的50倍。当基极电流发生微小的变化时，就能引起集电极电流较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。35相关知识四、三极管的伏安特性1.输入特性三极管各极上的电压和电流之间的关系，可通过伏安特性曲线直观地描述。三极管的伏安特性主要包括输入特性和输出特性两种。三极管的输入特性是指在集电极—发射极间电压UCE一定的条件下，基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系。三极管的输入特性曲线如图1-2-6所示。三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似，只有当发射结正向电压大于开启电压(硅管约为0.5V，锗管约为0.1V)时，才产生基极电流，此时三极管处于正常放大状态。需要说明的是，当UCE>1V时，UCE的变化对三极管的输入特性曲线影响不大;但是环境温度变化时，三极管的输入特性曲线也会发生变化。36相关知识四、三极管的伏安特性图1-2-6三极管的输入特性曲线37相关知识2.输出特性三极管的输出特性是指在基极电流IB一定的条件下，集电极电流IC与集电极—发射极间电压UCE之间的关系。三极管的输出特性曲线