中职电子技术教案

项目一半导体的基础知识

一、半导体：

1、半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。

2、导体：

3、绝缘体

二、本征半导体

1、本征半导体：纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。

2、空穴：共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由

电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。

3、空穴电流: 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。

三：杂质半导体

1、杂质半导体:在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。

1）.N型半导体

在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5个价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

2）.P型半导体

在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。四、PN结

一、PN结基础知识

1、 PN结：我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P—N结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！2：异形半导体接触现象

1）扩散运动：在形成的P—N结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动（高浓度向低浓度扩散）：电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).

它们的形成过程如图（1），（2）所示

2）漂移运动：在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。

二：PN结的单向导电性

我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。

1.PN结外加正向电压

PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。如图（1）所示

2.PN结外加反向电压

它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反

向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即：I

D =-I

S

此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。

结论：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN

结具有单向导电性。

检测题

1半导体中有两种载流子

2空穴是（）

A纯半导体晶格中的缺陷 B价电子脱离共价键后留下的空位

3在P型半导体中，多数载流子是在N型半导体中，多数载流子是4温度升高后，在纯半导体中

（！）自由电子和空穴数目都增多，且数量相同（）

（2）空穴增多，自由电子数不变（）

（3）自由电子增多，空穴数目不变（）

（4）自由电子和空穴数目都不变（）

5 P型半导体是在纯半导体硅或锗中加入以下物质后形成的杂质半导体。（！）空穴（）（2）三价元素硼（）（3）五价元素磷（）

项目二 半导体二极管

一、二极管基础知识

1、构成：

半导体二极管是由PN 结加上引线和管壳构成的。

文字符号：D 。

2、分类：

按制造材料分：硅二极管和锗二极管。

按管子的结构来分有：点接触型二极管和面接触型二极管和平面型

（1）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。 （2）面接触型二极管—PN 结面积大，用于工频大电流整流电路。

（3）平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

二极管按用途分，常用有整流二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等；

二、二极管的伏安特性

(1)正向特性① 正向电压UF 小于门坎电压UT 时，二极管截止，正向电流IF =0；

其中，门槛电压

② UF > UT 时，V 导通，IF 急剧增大。导通后V 两端电压基本恒定：

??

?=(Ge)

V 0.2(Si) V 5.0T U ??

?=(Ge)

0.3V (Si)

V 7.0on U 导通电压

结论：正偏时电阻小，具有非线性

(2)反向特性反向电压UR < URM (反向击穿电压)时，反向电流IR很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。

UR > URM时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压URM称为反向击穿电压。

结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。

（3）温度特性

二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1°C，其正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10°C：，反向电流大约增大1倍

左右。

综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：

①二极管具有单向导电性

②二极管的伏安特性具有非线性；

③二极管的伏安特性与温度有关。

三、二极管的型号

常用二极管的型号有2Ap,2CP,2CZ,2CW,2DW等，型号中2表示二极管，第一个字母表示材料（A 表示N型锗材料，C表示N型硅材料，D表示P型硅材料），第二字母表示类型（P表示普通管，Z表示整流管，W表示稳压管）

四.二极管的主要参数

1、最大整流电流I FM它是二极管允许通过的最大正向平均电流。

2、最大反向工作电压U RM它是二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一半作U R

3、反向电流I R二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。

4、最高工作频率f M它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。

五、极管管脚极性及质量的判断

1. 判别正负极性

万用表测试条件：R×100Ω或R×1kΩ；

将红、黑表笔分别接二极管两端。所测电阻小时，黑表笔接触处为正极，红表笔接触处为负极2.判别好坏

万用表测试条件：R×1kΩ

(1)若正反向电阻均为零，二极管短路

(2)若正反向电阻非常大，二极管开路

(3)若正向电阻约几千欧姆，反向电阻非常大，二极管正常

六、半导体二极管电路的分析方法

1、理想模型：当二极管正向电压和正向电阻与外接电路的等效电阻相比均可忽略时，这样的二极管可称为理想二极管。

理想二极管在电路中相当于一个理想开关

外加电压少大于零，就导通，管压降为0V——开关闭合

当反偏时，二极管截止，其电阻为无穷大——开关断开。

2、恒压降模型：当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略，而正向电阻与外接电阻相比可忽略时，可用由理想二极管和电压源UF串联构成的模型来近似替代。

正向压降不再认为是0，而是接近实际工作电压的某一定值UF，且不随电流变化。

3、小信号模型：

当二极管电路中，除直流电源外，再引入很小的交流信号，则二极管两端的电压及通过它的电流将在某一固定值附近作微小变化时，可用二极管的动态电阻rd 来近似代替二极管

例:已知电路如图,US1=6V,

us2=0.2sin3140t,RS=1K,二极管为硅管试求流过二极管的电流iD 。

mA

K V R U U I S S S D 3.51)7.06(21=Ω-=-=

tmA K tV

i R u i D S s d 3140sin 2.0)109.41(3140sin 2.03

2≈Ω?+=+=-

RS

rd

电路计算ID 的电路计算id 的电路

+

-

us2

Ω==≈

9.43.52626mA

mV

I mV r D d

mA t i I i d D D )3140sin 2.03.5(+=+=

七、二极管的应用

我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。它导通时，我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。

1、单向桥式整流电路

变压器中心抽头式单相全波整流电路如图。D1～D4为性能相同的整流二极管,Tr1为电源变压器。

工作原理:

u1正半周时，Tr1次级A 点电位高于B 点电位，二极管D1、D3导通，电流自上而下流过RL ，u1负半周时，Tr1次级A 点电位低于B 点电位，二极管D2、D4导通，电流自上而下流过RL 。

所以，在u1一周期内，流过二极管的电流iu1、iu2叠加形成全波脉动直流电流iL ，于是RL 两端产生全波脉动直流电压UL 。故电路称为全波整流电路。

负载和整流二极管上的电压和电流:

(1) 负载电压

2

09.0U U =

(2) 负载电流

(3) 二极管的平均电流

(4) 二极管承受反向峰值电压

例：有一单向桥示整流电路，要求输出40V 的直流电压和2A 的直流电流，交流电源电压为220V 。试选择整流二极管。

解：变压器副边电压有效值为 二极管承受的最高反向电压为

二极管平均电流为

查阅半导体器件手册，可选用2CZ56C 型整流二极管。该管的最高反向工作电压为100V ，最大整流电流为3A 。

2

RM 2U U =02

1I I D =

V V U U U 4.444011.111.19

.000

2=?===

V

V U U DRM 8.624.44222=?==A A I I D 122

1

210=?==

2、滤波电路

工作原理：ωt=0接通电源

u2↑u2↓

D1D3导通四个二极管截止 D2D4导通电容C充电电容C向RL放电电容C充电

参数计算：

输出直流电压

输出直流电流

整流二极管平均电流

变压器幅边绕组的电流有效值

例2.电感滤波电路

电感电流不能突变 输出电流波形平滑 输出电压波形平滑

U 2U u i + -

u’0

+

-

2

0)2.1~1.1(U U =0

2)2~5.1(I I =2

)

5~3(T C R L ≥=τ

3、二极管其他应用举例

限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。

八、特殊二极管

稳压二极管

△I Z

△U Z

1、稳压二极管的主要参数

稳定电压Uz：通过在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压

稳定电流Ｉz：稳压管工作电压等于稳定电压时通过管子的电流。

动态电阻rZ ：rZ =ΔUZ /ΔIZ

最大工作电流ＩzM ，最大耗散功率ＰzM

2、使用稳压管注意事项：

1）、必须工作在反向偏置 2）、串联后的稳压值为各管稳压值之和 3）、必须串接限流电阻 4）、不能并联使用

光电二极管

(1) E=0时限幅电平为0v。u

i >0时二极管导通，u

o

=0，u

i

<0时，二极管截止，u

o

=u

i

，它的波

形图为：如图（3）所示

(2) 当0

M 时，限幅电平为+E。u

i

<+E时，二极管截止，u

o

=u

i

；u

i

>+E时,二极管导通,u

o

=E,

它的波

形图为:如图(4)所示

(3)当-U

M

3、二极管门电路

二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图(6)所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑"与"运算

.

项目三半导体三极管

一：三极管的结构及类型

通过工艺的方法,把两个二极管背靠背的连接起来级组成了三极管。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和符号图分别为：如图（1）、（2）所示

不管是什麽样的三极管，它们均包含三个区：发射区，基区，集电区，同时相应的引出三个电极：发射极，基极，集电极。同时又在两两交界区形成PN结，分别是发射结和基点结。二：三极管的放大作用（重点）

在学习之前，我们先来学习一下它的三种不同接法。

（1）共基极，如图（1）所示

（2）共发射极如图（2）所示

（3）共集电极如图（3）所示

我们知道，把两个二极管背靠背的连在一起，是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须做到一下几点：

1.结构特点：发射区中掺杂浓度高。基区必须很薄。基电结的面积应很大

2.工作时条件：发射结应正向偏置，集电结应反

向偏置

内部载流子的传输过程1、发射区向基区注入载流子

2载流子在基区的扩散与复合。

3、集电区收集载流子

电流的分配关系

其中：I CEO为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；I CBO为I B=0时，集电极和发射极之间的穿透电流。为共基极电流的放大系数，为共发射极电流的放大系数。它们可定义为：

三极管的特性曲线

三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。

常用的是输入特性曲线和输出特性曲线

三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用NPN型管组成的共射特

性曲线测试电路

1.输入特性曲线Input

characteristcurves

三极管的共射输入特性曲线方程式为：i B=f(u BE)∣u CE=常数。测试时，先固定u CE为某一值，

调节Rp1 ，得到与之对应的i B和u BE值，可通过描点在直角坐标系中得到一条i B与u BE

的关系曲线；再改变u CE为另一固定值，可得到另一条i B与u BE的关系曲线。

它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压U CE对输入特性有影响，

且U CE>1,时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用U CE=0和U CE>=1,两条曲线表示，如图（4）所示

2.输出特性

它的输出特性可分为三个区：（如图（5）的特性曲线）

(1)截止区(Cutoff region):是指iB=0曲线以下的区域。特点：发射结反偏或零偏，集电结反偏，管子失去放大作用，处于截止状态，iC很小。此时的iC称为三极管的穿透电流ICEO。

(2)饱和区（Saturation region）：是指iB＞0，uCE≤0.3V的区域。饱和区的特点：①发射结和集电结均为正偏，且为0.7 V(硅管)或0.2V(锗管)；＝0.3V(硅管)或0.1V(锗管)。

② iC不受iB控制，即失去放大作用。③当uBE=uCE时，集电结零偏，为临界饱和状态。此时U CE称为饱和压降，用uCE(sat)表示；大小为0.3V(硅管)或0.1V(锗管)。

(3)放大区（Active region）:是指iB＞0和uCE＞0.3V的区域，即曲线的平坦部分。放大区的特点：①发射结正偏导通，集电结反偏，且为0.7V(硅管)或0.2V(锗管)；＞1V；

②iC与iB有固定关系，即iC＝βiB，体现了三极管的放大作用。曲线间隔的大小反映出

三极管电流放大能力的大小，即β值的大小；③iC大小与uCE基本无关。

(4)击穿区(Breakdown region)

当三极管uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，特性曲线迅速上翘，这时三极管发生击

穿。工作时应避免管子击穿。

4．PNP管特性曲线

由于电源电压极性和电流方向不同，PNP管与NPN管的特性曲线是相反、“倒置”的。

四：三级管主要参数

1.放大系数

它主要是表征管子放大能力。它有共基极的放大系数和共发射极的放大系数。它们二者的

关系是：

2.极间的反向电流（它们是有少数载流子形成的）

（1）：集电极--基极的反向饱和电流。

（2）I CEO：穿透电流，它与I CBO关系为：I CEO=（1+?）I CBO

五：参数与温度的关系

由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加

项目四三极管放大电路

一、基础知识

1、放大电路功能：利用BJT的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值。

例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用BJT的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器 (喇叭)还原成为放大了的声音。2、共射极基本放大电路的组成

一个基本放大电路必须有如图所示各组成部分：

输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。

其中，直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏，集电结反偏。各元件的作用

1）、V

CC

是集电极回路的直流电源 (一般在几伏到几十伏的范围)，它的负端接发射极,正端通过电阻R接集电极，以保证集电结为反向偏置；

2）、R是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围)，它的作用是将BJT的集电极电流i

C

的

变化转变为集电极电压V

CE

的变化。

3）、电路的偏流I

B 决定于V

cc

和R

b

的大小，V

cc

和R

b

经确定后，偏流I

B

就是固定的，所以这种

电路称为固定偏流式共射放大电路。R

b 又称为基极偏置电阻。4）、电容C

1

和C

2

称为隔直电容或

耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围)，它们在电路中的作用是"传送交流，隔离直流"。

2、放大电路的实质：放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的，即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流，从而将直流电源V

CC

的能量转化为所需要的形式供给负载。因此，放大作用实质上是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。

二、共射极基本放大电路

1、共射极基本放大电路的工作过程待放大的输人电压v

i

从电路的A、o两点(称为放大电路的输

入端)输入，放大电路的输出电压V

o

由B、O两点(称为放大电路的输出端)输出。

输入端的交流电压v

i 通过电容C

b

，加到BJT的发射结，从而引起基极电流i

B

相应的变化。i

B

的

变化使集电极电流i

C 随之变化。i

C

的变化量在集电极电阻R

C

上产生压降。集电极电压v

CE

=V

CC

一