1、教 案任課教師龍愛(ài)忠授課班級(jí)17秋機(jī)電一體化5年一貫制班課時(shí)安排4個(gè)課時(shí)專業(yè)、層次中職課題內(nèi)容第四章 常用半導(dǎo)體教學(xué)重點(diǎn)半導(dǎo)體基本知識(shí)PN結(jié)教學(xué)難點(diǎn)1、半導(dǎo)體二極管2、半導(dǎo)體三極管課程目標(biāo)1、掌握半導(dǎo)體二極管工作原理2、掌握半導(dǎo)體三極管工作原理課的類型新授課教學(xué)策略通過(guò)多媒體教學(xué)方法與手段講授、實(shí)踐等教 學(xué) 過(guò) 程 設(shè) 計(jì)教學(xué)過(guò)程及時(shí)間分配教 學(xué) 內(nèi) 容時(shí)間分配組織教學(xué)1、點(diǎn)名檢查學(xué)生出勤情況。2、填寫(xiě)教學(xué)記錄表。5min導(dǎo)入新課提問(wèn)引入：什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體的工作原理是什么樣的呢？3min新課講授4.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)1、本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。用得最多的半導(dǎo)體是鍺和

2、硅，都是四價(jià)元素。將鍺或硅材料提純后形成的完全純凈、具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體就是本征半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同條件下有很大差別。一般來(lái)說(shuō)，本征半導(dǎo)體相鄰原子間存在穩(wěn)固的共價(jià)鍵，導(dǎo)電能力并不強(qiáng)。但有些半導(dǎo)體在溫度增高、受光照等條件下，導(dǎo)電能力會(huì)大大增強(qiáng)，利用這種特性可制造熱敏電阻、光敏電阻等器件。更重要的是，在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)后，其導(dǎo)電能力就可增加幾十萬(wàn)乃至幾百萬(wàn)倍，利用這種特性就可制造二極管、三極管等半導(dǎo)體器件。 半導(dǎo)體的這種與導(dǎo)體和絕緣體截然不同的導(dǎo)電特性是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理決定的：在半導(dǎo)體價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，價(jià)電子（原子的最外層電子）不像在絕緣體（5價(jià)元素）

3、中那樣被束縛得很緊，在獲得一定能量（溫度增高、受光照等）后，即可擺脫原子核的束縛（電子受到激發(fā)），成為自由電時(shí)共價(jià)鍵中留下的空位稱為空穴。 在外電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價(jià)電子（不是自由電子）遞補(bǔ)空穴形成的空穴電流。也就是說(shuō)，在半導(dǎo)體中存在自由電子和空穴兩種載流子，這是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電機(jī)理上的本質(zhì)區(qū)別。本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合，在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，載流子便維持一定數(shù)目。溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響很大。載流子能運(yùn)載電荷做定向移動(dòng)并形成電

4、流的粒子2、摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，導(dǎo)電能力仍然很低。但如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，所形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能將大大增強(qiáng)。由于摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型和P型兩大類。本征半導(dǎo)體中摻入磷或其他五價(jià)元素，就構(gòu)成N型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)目大量增加，自由電子成為多數(shù)載流子，空穴則成為少數(shù)載流子，本征半導(dǎo)體中摻入硼或其他三價(jià)元素，就構(gòu)成P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的空穴數(shù)目大量增加，空穴成為多數(shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。 應(yīng)注意，不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但整個(gè)晶體仍然是不帶電的。4.2 PN結(jié)1、PN結(jié)的形成 通過(guò)某些方式將P型半導(dǎo)體

5、和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，則在它們的交接面上將形成PN結(jié)。PN結(jié)的形成圖a所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導(dǎo)體。根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合(耗盡)，形成載流子極少的正負(fù)空間電荷區(qū)（如圖b所示），也就是PN結(jié)，又叫耗盡層。正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)，它對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）則可推動(dòng)它們?cè)竭^(guò)空間電荷區(qū)，這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛

6、盾的。在一定條件下（例如溫度一定），多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)，最后兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來(lái)，PN結(jié)就處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦裕@也是半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通如果在PN結(jié)上加反向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，使空間電荷區(qū)變寬

7、，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行，同時(shí)加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，PN結(jié)的反向電阻很高，即PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。由以上分析可知，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止 4.3 半導(dǎo)體二極管1、二極管結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。P區(qū)對(duì)應(yīng)的稱為陽(yáng)極（或正極），N區(qū)對(duì)應(yīng)的稱為陰極（或負(fù)極） 點(diǎn)接觸型 面接觸型 表示符號(hào)按結(jié)構(gòu)分，二極管有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類 。點(diǎn)接觸型（一般為鍺管），它的PN結(jié)結(jié)面積很小，因此不能通過(guò)較大電流，但其高頻性能好，一般適用于高頻和小功率的工作，也用作數(shù)

8、字電路中的開(kāi)關(guān)元件。面接觸型（一般為硅管），它的PN結(jié)結(jié)面積大，因此能通過(guò)較大電流，但其工作頻率較低，一般用作整流元件。 2、二極管的伏安特性二極管既然是一個(gè)PN結(jié)，當(dāng)然具有單向?qū)щ娦裕浞蔡匦郧€如 圖中Uon稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。當(dāng)外加正向電壓低于死區(qū)電壓時(shí)，外電場(chǎng)還不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻擋，正向電流幾乎為零。當(dāng)外加正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓后，內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，正向電流增長(zhǎng)很快，二極管處于正向?qū)顟B(tài)。導(dǎo)通時(shí)二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.60.5V，鍺管約為0.20.3V。溫度上升，死區(qū)電壓和正向壓降均相應(yīng)降低。 圖中UBR稱為反向擊

9、穿電壓，當(dāng)外加反向電壓低于UBR時(shí)，二極管處于反向截止區(qū)，反向電流幾乎為零，但溫度上升，反向電流會(huì)有增長(zhǎng)。當(dāng)外加反向電壓超過(guò)UBR后，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為擊穿。普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般會(huì)造成“熱擊穿”，不能恢復(fù)原來(lái)性能，也就是失效了。二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦裕捎糜谡鳌z波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中用作開(kāi)關(guān)元件等。4.4 半導(dǎo)體三極管1、半導(dǎo)體三極管結(jié)構(gòu)圖所示為三極管的幾種常見(jiàn)外形，其共同特征就是具有三個(gè)電極，這就是“三極管”簡(jiǎn)稱的來(lái)歷。 通俗來(lái)講，三極管內(nèi)部為由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的三層結(jié)構(gòu)，根據(jù)分層次序

10、分為NPN型和PNP型兩大類。NNNP基極發(fā)射極集電極BEC符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管PPNPNP型基極發(fā)射極集電極BECNPN型三層結(jié)構(gòu)即為三極管的三個(gè)區(qū), 中間比較薄的一層為基區(qū)，另外兩層同為N型或P型，其中尺寸相對(duì)較小、多數(shù)載流子濃度相對(duì)較高的一層為發(fā)射區(qū)，另一層則為集電區(qū)。三極管的這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是三極管能夠起放大作用的內(nèi)部條件。三個(gè)區(qū)各自引出三個(gè)電極，分別為基極（b） 、發(fā)射極（e）和集電極（c）。如圖所示，三層結(jié)構(gòu)可以形成兩個(gè)PN結(jié)，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。三極管符號(hào)中的箭頭方向就是表示發(fā)射結(jié)的方向。三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)具有單向?qū)щ娦?/p>

11、的PN結(jié)，因此當(dāng)然可以用作開(kāi)關(guān)元件，但同時(shí)三極管還是一個(gè)放大元件，正是它的出現(xiàn)促使了電子技術(shù)的飛躍發(fā)展。 如上圖是三極管的結(jié)構(gòu)示意圖，這種電路接法稱為共射電路。其中，直流電壓源Vcc應(yīng)大于Vbb，從而使電路滿足放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電極反向偏置。改變可調(diào)電阻Rb，基極電流IB，集電極電流Ic 和發(fā)射極電流IE都會(huì)發(fā)生變化，由測(cè)量結(jié)果可以得出以下結(jié)論：（1） IE IB IC ( 符合克希荷夫電流定理）（2） IC IB （ 稱為電流放大系數(shù)，可表征三極管的電流放大能力）（3） IC IB 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。 實(shí)質(zhì)：用一個(gè)微

12、小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是CCCS器件。2、三極管的放大原理以下用NPN三極管為例說(shuō)明其內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和電流放大（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子：由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。（2）電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合：由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子（空穴）濃度很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子只有很少部分可以和基區(qū)空穴復(fù)合，形成比較小的基極電流IB，而剩下的絕大部分電子都能擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。 HYPERLINK /dg/wlkc/netpages/fangdayuanli.htm 三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)與外部電流（3）集

13、電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子：由于集電結(jié)反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3、三極管的輸入輸出特性三極管的輸入輸出特性（1）輸入特性三極管的輸入特性是指當(dāng)集-射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。 HYPERLINK /dg/wlkc/netpages/sanjiguan.htm 對(duì)硅管而言，當(dāng)UCE超過(guò)1V時(shí)，集電結(jié)已經(jīng)達(dá)到足夠反偏，可以把從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子中的絕大部分拉入集電區(qū)。如果此時(shí)再增大UCE ，只要UBE保持不變（從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)就一定）， IB也就基本不變。就是說(shuō)，當(dāng)

14、UCE超過(guò)1V后的輸入特性曲線基本上是重合的。由圖可見(jiàn)，和二極管的伏安特性一樣，三極管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有當(dāng)UBE大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管才會(huì)出現(xiàn)基極電流IB。通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。三極管的輸入特性曲線在正常工作情況下，NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE為0.60.4V，PNP型鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE為-0.2 -0.3V。（2）輸出特性三極管的輸出特性是指當(dāng)基極電流IB一定時(shí)，集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以三極管的輸出特性是一組曲線。通常把輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：a、放大區(qū)：輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū), IC IB ,由于在不同IB下電流放大系數(shù)近似相等，所以放大區(qū)也稱為線性區(qū)。三級(jí)管要工作在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)必須處于正向偏置，集電結(jié)則應(yīng)處于反向偏置，對(duì)硅管而言應(yīng)使UBE0，UBC0。b、 截止區(qū)： IB 0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。實(shí)際上，對(duì)NPN硅管而言，當(dāng)UBE0.5V時(shí)即已開(kāi)始截止，但是為了使三極管可靠截止，常使UBE0V，此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置。c、 飽和區(qū)：輸出特性曲線的陡直部分是飽和區(qū)，此時(shí)IB的變化對(duì) IC的影響較小，放大區(qū)的不再適用于飽和區(qū) 。在飽和區(qū)， UCEUBE，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。