電子技術基礎與技能第一章資料課件

第一章半導體器件的識別與檢測

1.1半導體的基本特性

1.2二極管

1.3特殊二極管

1.4三極管

本章內(nèi)容本章意義：半導體器件是組成電子線路的基本元器件，是學習電子線路知識的基礎，是現(xiàn)代電子技術的重要組成部分教學目標：1.1半導體的基本特性

1、從物質的導電能力來理解半導體的概念

2、了解半導體材料的主要特性

3、掌握N型、P型半導體的形成與特點

1.1.1半導體的主要特性導體、半導體、絕緣體摻雜性、熱敏性、光電性

自然界物質分類半導體特性補充：

物質按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。

物質的導電特性取決于原子結構。導體一般為低價元素,如銅、鐵、鋁等金屬,其最外層電子受原子核的束縛力很小,因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用下,這些電子產(chǎn)生定向運動(稱為漂移運動)形成電流,呈現(xiàn)出較好的導電特性。高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(如橡膠,塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強,極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子,所以其導電性極差,可作為絕緣材料。而半導體材料一般都是4價元素，最外層電子既不像導體那樣極易擺脫原子核的束縛,成為自由電子,也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊,因此,半導體的導電特性介于二者之間。GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。

現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子

形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。

共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4半導體的導電原理在絕對零度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。

在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子1.1.2雜質半導體

雜質半導體：在硅、鍺半導體中人為摻入微量某種元素形成的半導體。分為空穴（P）型半導體和電子（N）型半導體。

1、P型半導體：

在純凈半導體Si和Ge中摻入微量Ⅲ族元素后形成的雜質半導體稱為P型半導體。所摻入Ⅲ族元素稱為受主雜質，簡稱受主（能接受自由電子）。下圖所示（圖2-2）

P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。

2、N型半導體

在本征Si和Ge中摻入微量V族元素后形成的雜質半導體稱為N型半導體。所摻入V族元素稱為施主雜質，簡稱施主（能供給自由電子）。N型半導體中，電子為多子，空穴為少子。半導體工作機理：雜質導電特性。對半導體摻雜是提高半導體導電能力的最有效的方法。教學目標：1.2

二極管

1、掌握二極管的導電特性

2、了解二極管的結構、伏安特性和主要參數(shù)

3、學會用萬用表判別二極管的極性和質量優(yōu)劣

封裝：把硅片上的電路管腳用導線接引到外部接頭處，以便與其它器件連接作用：不改變二極管特性，使生產(chǎn)出的元件有統(tǒng)一的規(guī)格，方便安裝，同時也對內(nèi)部元件起保護作用形式：有玻璃封裝、金屬封裝和塑料封裝。外殼上一般印有標記區(qū)分正、負極。在電子線路圖中，用規(guī)定的電氣圖形符號和文字符號來代表二極管，一端代表正極，一端代表負極，通常用文字符號V表示二極管。1.2.1二極管的封裝和電氣圖形符號半導體二極管的幾種常見外形PN二極管的電路符號：▼內(nèi)建電場：由N區(qū)指向P區(qū)的電場E。阻止兩區(qū)多子的擴散。電場E產(chǎn)生的兩區(qū)少子越結的漂移電流將部分抵消因濃度差產(chǎn)生的使兩區(qū)多子越結的擴散電流。擴散進一步進行，空間電荷區(qū)內(nèi)的暴露離子數(shù)增多，電場E增強，漂移電流增大，當擴散電流=漂移電流時，達到平衡狀態(tài)，形成PN結。無凈電流流過PN結。1.2.2

二極管的結構與導電特性

在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散和漂移，在它們的交界面處就形成了PN結。P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動PN結處載流子的運動漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動

內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。導電特性無外接電壓的PN結→開路PN結，平衡狀態(tài)PN結

PN結外加電壓時→外電路產(chǎn)生電流1.正向偏置（簡稱正偏）PN結

PN結外加直流電壓V：P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負電位）→正偏→正向電流PN結加正向電壓的情形

外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。－－－－++++REPN結正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。2.反向偏置（簡稱反偏）

PN結反偏：P區(qū)接低電位（負電位），

N區(qū)接高電位（正電位）。＊硅PN結的Is

為pA級＊溫度T增大→Is

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現(xiàn)高阻性。PN結加反向電壓時導電情況PN結加反向電壓時的導電情況

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結反向偏置NP+RE－－－－++++內(nèi)電場變厚_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。

外電場PN結的正向電阻很小,反向電阻很大。

2.PN結的單向導電性關鍵在與它的耗盡區(qū)的存在,且其寬度隨外加電壓而變化.

1.PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。即結論:為了更準確、更全面地了解二極管的導電特性，需要分析二極管的電流與加在二極管兩端的電壓的關系曲線，即二極管的伏安特性曲線，利用晶體管特性儀可以得到該曲線。正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V1.2.3二極管的伏安特性曲線

PN結的伏安特性曲線（1）正向特性

正向導通區(qū)：當二極管正向電壓大于死區(qū)電壓時，電流隨電壓增加，二極管處于導通狀態(tài)。二極管導通后兩端電壓基本保持不變，硅二極管的導通電壓約為0.7V，鍺二極管的導通電壓約為0.3V。

死區(qū)：當二極管外加正向電壓較小時，正向電流幾乎為零，稱為正向特性的死區(qū)。一般硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓為0.2V。（2）反向特性

反向擊穿區(qū)：當二極管承受的反向電壓已達到擊穿電壓時，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。實際使用時，普通二極管不允許外加反向電壓高于擊穿電壓，否則會因電流過大而損壞管子。

反向截至區(qū)：當二極管承受的反向電壓未達到擊穿電壓時，二極管呈現(xiàn)很大電阻，此時僅有很微小的反向電流，成為反向飽和電流。二極管的型號非常多，從晶體管手冊中可以查找常用二極管的技術和使用資料，這些參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù)。晶體管手冊通常包括以下基本內(nèi)容：器件型號、主要參數(shù)、器件外形等。1.2.4二極管使用常識（1）二極管型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：二極管符號：D代表P型Ge（2）二極管的主要參數(shù)

按照不同的用途選用二極管

查看晶體管，會發(fā)現(xiàn)二極管有多個技術參數(shù)。這些參數(shù)從不同的側面反映管子的各種特性，在選用器件和設計電路時它們都是有用的，在實際應用中最主要的參數(shù)有：最大整流電流、最高反向工作電壓、反向飽和電流、最高工作頻率。（3）二極管的選用1．有一只二極管，測得其正向電阻為1.2千歐，反向電阻為520千歐，請問該管子能使用嗎？2．解釋二極管2CZ11的型號意義。思考題：作業(yè)：P31填空題1~5教學目標：1.3

特殊二極管

1、熟悉穩(wěn)壓二極管的伏安特性及主要參數(shù)

2、了解發(fā)光二極管的功能及應用、特性及主要參數(shù)

3、會用萬用表檢測特殊二極管的好壞

1.3.1穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管；這種管子的雜質濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強電場。當反向電壓加到某一定值時，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿。（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）

（3）動態(tài)電阻rz越小，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓的電路:并聯(lián)型穩(wěn)壓電路工作原理：UoIZDZRI0IUiRL輸入電壓Ui波動時會引起輸出電壓Uo波動:如Ui升高將引起隨之升高，導致穩(wěn)壓管的電流IZ急劇增加，使得電阻R上的電流I和電壓UR迅速增大，從而使Uo基本上保持不變。反之，當Ui減小時，UR相應減小，仍可保持Uo基本不變當負載電流Io發(fā)生變化引起輸出電壓Uo發(fā)生變化時，同樣會引起IZ的相應變化，使得Uo保持基本穩(wěn)定:如當Io增大時，I和UR均會隨之增大使得Uo下降，這將導致IZ急劇減小，使I仍維持原有數(shù)值保持UR不變，使得Uo得到穩(wěn)定。限流電阻uoiZDZRi0iuiRL解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應用舉例例1.穩(wěn)壓管的技術參數(shù):求：電阻R和輸入電壓ui的正常值。由KCL得:由KVL得:令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。uoiZDZRi0iuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：由KCL得:由KVL得:1.3.2發(fā)光二極管

有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。

它的光譜范圍是比較窄的，其波長由所使用的基本材料決定。常用作顯示器件，工作電流在幾個毫安至幾十毫安。七段顯示發(fā)光二極管發(fā)光二極管的主要特性顏色波長（nm）基本材料正向電壓（10mA時）V光強（10mA時，張角±45°）（mcd）光功率（μW）紅外900砷化鎵1.3~1.5100~500紅655磷砷化鎵1.6~1.80.4~11~2鮮紅635磷砷化鎵2.0~2.22~45~10黃583磷砷化鎵2.0~2.21~33~8綠565磷化鎵2.2~2.40.5~11.5~81.3.3光電二極管

反向電流隨光照強度的增加而上升；其方向電流與光照成正比。是將光信號轉換成電信號的常用器件。IU照度增加光電二極管的外形和符號變?nèi)莨茈娐贩栕內(nèi)莨軌嚎靥匦郧€

利用反偏時勢壘電容工作于電路的二極管→變?nèi)荻O管，簡稱變?nèi)莨堋?.3.4

變?nèi)荻O管激光二極管

光電二極管通常用于接收由光纜傳來的光信號,光纜用作光傳輸線,由玻璃或塑料制成.對于單色的相干性的波長,傳輸更有效.

相干性的光是一種電磁輻射,其中所有的光子具有相同的頻率且同相位,相干的單色光信號可以用激光二極管來產(chǎn)生。

激光二極管發(fā)射的主要是紅外線，它在小功率光電設備中得到廣泛地應用。圖B觸敏屏小結：1.半導體、共價鍵、空穴、自由電子，本征半導體、雜質半導體,本征激發(fā),多數(shù)載流子,少數(shù)載流子。

2.PN結的形成(擴散、漂移)PN結的特性。

3.半導體二極管的結構，二極管的V-I特性(單向導電特性)

及主要參數(shù)。

4.特殊二極管(穩(wěn)壓管)。教學目標：1.4

三極管

1、掌握三極管的結構、符號、引腳排列

2、了解三極管的電流放大特性、特性曲線及主要參數(shù)

3、會用萬用表判別三極管的引腳和質量優(yōu)劣

1.4.1結構與分類三個區(qū)：發(fā)射區(qū)：參雜濃度大。

基區(qū)：很薄，參雜濃度很小。

集電區(qū):參雜濃度小，但面積大。兩個結：發(fā)射結和集電結。三個極：發(fā)射極E，基極B，和集電極C。1、結構2、類型1.按結構區(qū)分：有NPN型和PNP型。2.按材料區(qū)分：有硅三極管和鍺三極管。3.按工作頻率區(qū)分：有高頻三極管和低頻三極管。4.按功率大小區(qū)分：有大功率三極管和小功率三極管。5.按用途區(qū)分：有普通放大三極管和開關三極管。

1.4.2三極管的電流放大作用晶體管基本共射放大電路

晶體管有電流放大作用的外部工作條件為

發(fā)射結正偏，集電結反偏1.發(fā)射

發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多子電子大量地向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流的主要部分IEN。同時基區(qū)的空穴也向發(fā)射區(qū)擴散形成很小的電流IEP。2.復合

從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子，很少一部分與基區(qū)中的空穴相復合，形成基極電流的主要部分IBN。3.收集

從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子，絕大部分電子向集電結擴散，且在集電結反偏電壓的作用下，迅速漂移過集電結被集電區(qū)所收集，形成集電極電流的主要部分ICN。同時，集電區(qū)少子空穴在集電結反偏電壓的作用下向基區(qū)漂移，形成集電結反向飽和電流ICBO，它是集電極電流的極小部分，也是基極電流的一部分。

1、晶體管內(nèi)部載流子的運動

IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEPIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP-ICBO=I’B-ICBOIE=IC+IB2、晶體管的電流分配關系

3、晶體管的共射電流放大系數(shù)

式：IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP

反映了發(fā)射極電流在集電極與基極間的分配關系，晶體管制成后，這種分配比例就確定。1.共射直流電流放大系數(shù)2.共射交流電流放大系數(shù)β3.共基直流電流放大系數(shù)4.共基交流電流放大系數(shù)1.4.3三極管的特性曲線1.輸入特性曲線

iB=f(uBE)UCE=const(1)當UCE=0V時，相當于發(fā)射結的正向伏安特性曲線。(2)當UCE的增大時，特性曲線右移。(3)

當UCE>1V時，三極管的特性曲線幾乎與UCE=1V時的輸入特性曲線重合。

c+euBBuCC-uBEiB+-uCEiCb共射極放大電路

輸入特性曲線的三個部分①死區(qū)

②非線性區(qū)③線性區(qū)

iC=f(uCE)

IB=const2.輸出特性曲線

飽和區(qū)：Je正偏，Jc正偏

uBE>Uon，硅管：0.5—0.7V,

鍺管：0.1—0.3V。

uCE<

uBE

,

iC<βIB,

UCES=0.3V(硅管),

UCES=0.1V(鍺管).

放大區(qū)：Je正偏，Jc反偏。uBE>

Uon,硅管：0.5—0.7V，

鍺管：0.1—0.3V。uCE>

uBE

,

iC主要IB的控制，iC=βIB.

截止區(qū)：Je反偏，Jc反偏。uBE≤Uon,IB