《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》教案 第8課 二極管及其應(yīng)用（一）

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課題二極管及其應(yīng)用（一）——認(rèn)識二極管課時2課時（90min）教學(xué)目標(biāo)知識技能目標(biāo)：（1）掌握本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體和PN結(jié)的知識（2）掌握二極管的結(jié)構(gòu)、伏安特性和主要參數(shù)（3）能夠正確測試二極管的伏安特性素質(zhì)目標(biāo)：（1）樹立新時代社會主義青年的歷史使命感和社會責(zé)任感（2）堅定實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢的理想信念教學(xué)重難點教學(xué)重點：本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體和PN結(jié)的知識，二極管的結(jié)構(gòu)、伏安特性和主要參數(shù)教學(xué)難點：正確測試二極管的伏安特性教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，組織學(xué)生下載“任務(wù)工單——調(diào)測試二極管的伏安特性”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行組內(nèi)分工，同時提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，了解二極管的相關(guān)知識【學(xué)生】完成課前任務(wù)考勤【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】班干部報請假人員及原因任務(wù)導(dǎo)入【教師】提出以下問題：什么是二極管？二極管具有哪些作用？傳授新知【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識，介紹半導(dǎo)體和二極管等內(nèi)容4.1.1半導(dǎo)體概述半導(dǎo)體是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。它是制造半導(dǎo)體元器件的主要材料，當(dāng)其受到外界的光和熱，或者在其內(nèi)部摻入其他微量元素后，其導(dǎo)電性會發(fā)生顯著的變化。1．本征半導(dǎo)體?【教師】通過多媒體展示“本征半導(dǎo)體”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識本征半導(dǎo)體是指完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體元器件中，用得最多的本征半導(dǎo)體是硅和鍺。硅和鍺都是四價元素，每一個硅（鍺）原子與相鄰的四個原子之間通過成對的價電子形成了共價鍵。當(dāng)本征半導(dǎo)體在溫度升高或受到光照時，這些價電子中的一部分會從外界獲得一定能量，從而掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，同時共價鍵中將會留下一個空位，這個空位稱為空穴。由于空穴的出現(xiàn)，附近共價鍵中的價電子很容易在獲取能量后去填補(bǔ)空穴，而在原共價鍵中產(chǎn)生新的空穴，其他的價電子又可能來填補(bǔ)新的空穴，因此共價鍵中就產(chǎn)生了電荷的移動。受共價鍵束縛的價電子參與導(dǎo)電的機(jī)理與自由電子有所不同，為了區(qū)分這兩種電子的運動，通常用空穴的運動來代替共價鍵中價電子的運動，將空穴看成是帶正電荷的粒子，它所帶的電荷與電子所帶的電荷大小相等、極性相反。在外加電場的作用下，自由電子和空穴都是能夠承載定向電流的帶電粒子，它們統(tǒng)稱為載流子?！军c撥】在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴這兩種載流子的數(shù)量相等。由于載流子的總數(shù)量很少，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性不強(qiáng)。2．雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肫渌⒘吭兀ǚQ為雜質(zhì)），可以使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化，而摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的元素不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩種。1）P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體（硅或鍺）中摻入微量三價元素硼制成的。在P型半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)量較多，自由電子的數(shù)量較少，主要由帶正電荷的空穴參與導(dǎo)電。2）N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體（硅或鍺）中摻入微量五價元素磷制成的。在N型半導(dǎo)體中，自由電子的數(shù)量較多，空穴的數(shù)量較少，主要由帶負(fù)電荷的自由電子參與導(dǎo)電?！军c撥】在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，雖然摻入的雜質(zhì)很少，但是由于雜質(zhì)原子提供的載流子數(shù)量遠(yuǎn)大于硅（鍺）原子的載流子數(shù)量，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性要比本征半導(dǎo)體強(qiáng)得多。3．PN結(jié)1）PN結(jié)的形成在P型（或N型）半導(dǎo)體的局部再摻入濃度較高的五價元素磷（或三價元素硼），可在相應(yīng)的區(qū)域形成N區(qū)（或P區(qū)）。由于P區(qū)的空穴多于自由電子，N區(qū)的自由電子多于空穴，因此在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近將產(chǎn)生多子（即占多數(shù)的載流子）的擴(kuò)散運動和少子（即占少數(shù)的載流子）的漂移運動?！军c撥】擴(kuò)散是指載流子由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)運動；漂移是指載流子在電場的作用下做定向移動，空穴的漂移方向與內(nèi)電場的方向相同，自由電子的漂移方向與內(nèi)電場的方向相反。?【教師】通過多媒體展示“PN結(jié)的形成”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，與N區(qū)的自由電子復(fù)合；N區(qū)的自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，與P區(qū)的空穴復(fù)合。這種擴(kuò)散運動使N區(qū)失掉自由電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到自由電子產(chǎn)生負(fù)離子，結(jié)果在P區(qū)和N區(qū)交界面的兩側(cè)，形成了由等量正、負(fù)離子相互作用的空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的內(nèi)電場由N區(qū)指向P區(qū)，它對多子的擴(kuò)散運動起阻礙作用?？臻g電荷區(qū)的出現(xiàn)有助于內(nèi)電場中少子的漂移運動。因此，在內(nèi)電場作用下，N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的自由電子向N區(qū)漂移，最終使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場被削弱。擴(kuò)散運動與漂移運動是相互聯(lián)系又相互對立的，當(dāng)兩者的運動達(dá)到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度便基本穩(wěn)定下來了，這種具有穩(wěn)定寬度的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?【教師】通過多媒體展示“PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴眻D片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識當(dāng)PN結(jié)無外加電壓時，擴(kuò)散運動和漂移運動處于動態(tài)平衡，通過PN結(jié)的電流為零。當(dāng)PN結(jié)有外加電壓時，PN結(jié)會因外加電壓極性的不同而處于兩種狀態(tài)，從而表現(xiàn)出兩種截然不同的導(dǎo)電性，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。?dāng)外加電壓的正極接PN結(jié)的P區(qū)、負(fù)極接PN結(jié)的N區(qū)時，該外加電壓稱為正向偏置電壓，此時的PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，簡稱正偏；當(dāng)外加電壓的正極接PN結(jié)的N區(qū)、負(fù)極接PN結(jié)的P區(qū)時，該外加電壓稱為反向偏置電壓，此時的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，簡稱反偏。當(dāng)PN結(jié)處于正偏時，由于外加電壓產(chǎn)生的外電場方向與PN結(jié)的內(nèi)電場方向相反，因此多子的擴(kuò)散運動會得到加強(qiáng)，少子的漂移運動會被削弱，擴(kuò)散運動與漂移運動的平衡將被打破。在外電場的作用下，多子會中和一部分空間電荷，從而使整個空間電荷區(qū)變窄，并形成較大的擴(kuò)散電流。該擴(kuò)散電流稱為正向電流，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此時，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)處于反偏時，由于外加電壓產(chǎn)生的外電場方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相同，主要由少子的漂移運動所形成的漂移電流，將超過由多子擴(kuò)散運動形成的擴(kuò)散電流。該漂移電流稱為反向電流，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。由于常溫下少子的數(shù)量很少，反向電流非常小，因此在近似分析時通常會忽略反向電流，認(rèn)為此時的PN結(jié)不導(dǎo)通。綜上所述，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕刺幱谡珪r，PN結(jié)的電阻很小，呈導(dǎo)通狀態(tài)；處于反偏時，PN結(jié)的電阻很大，呈截止?fàn)顟B(tài)。4.1.2二極管?【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“二極管”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解1．二極管的結(jié)構(gòu)?【教師】通過多媒體展示“二極管的結(jié)構(gòu)”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識二極管可看作是PN結(jié)物化的元件，PN結(jié)所具有的特性均可在二極管上反映出來。二極管的結(jié)構(gòu)有點接觸型、面接觸型和平面型三種。其中，從二極管的P區(qū)引出的引腳稱為陽極，從N區(qū)引出的引腳稱為陰極。點接觸型二極管的特點是PN結(jié)面積小、結(jié)電容小、工作電流小，但其高頻性能好，一般用于高頻和小功率電路，也可作為數(shù)字電路中的開關(guān)元件；面接觸型二極管的特點是PN結(jié)面積大、結(jié)電容大、工作電流大，但其工作頻率較低，一般用于整流電路；平面型二極管的特點是PN結(jié)面積可大可小，PN結(jié)面積大的主要用于大功率整流電路，PN結(jié)面積小的可作為脈沖電路中的開關(guān)元件。【點撥】根據(jù)材料的不同，二極管可分為硅二極管和鍺二極管等；根據(jù)用途的不同，二極管可分為普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等。2．二極管的伏安特性?【教師】通過多媒體展示“二極管的伏安特性曲線”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識二極管的伏安特性曲線。根據(jù)外加電壓極性的不同，其伏安特性曲線可分為正向特性和反向特性兩部分。1）正向特性當(dāng)二極管的正向偏置電壓較小時，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，正向電流很小，幾乎為零。當(dāng)正向偏置電壓達(dá)到某一臨界值時，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，二極管正向?qū)?，此時的正向偏置電壓稱為閾值電壓，用表示。二極管正向?qū)ê?，隨著正向偏置電壓的增大，通過二極管內(nèi)部的正向電流急劇增大，它與正向偏置電壓之間的關(guān)系近似為一條呈指數(shù)函數(shù)變化的曲線?！窘?jīng)驗傳承】二極管閾值電壓的大小與其材料和溫度等有關(guān)。在常溫下，硅二極管的閾值電壓約為0.5V，鍺二極管的閾值電壓約為0.1V。2）反向特性當(dāng)二極管的反向偏置電壓在一定臨界值內(nèi)時，反向電流很小且基本不隨反向偏置電壓的變化而變化，這個電流稱為反向飽和電流，用表示。當(dāng)反向偏置電壓超出這一臨界值后，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時的反向偏置電壓稱為反向擊穿電壓，用表示。3）溫度對二極管伏安特性的影響?【教師】通過多媒體展示“溫度對二極管伏安特性的影響”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識二極管的伏安特性對溫度非常敏感。如下圖所示，隨著溫度的升高，二極管正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。在常溫附近，溫度每升高1

℃，二極管的正向電壓降會減小2～2.5

mV；溫度每升高10

℃，二極管的反向電流會增大約1倍。3．二極管的主要參數(shù)?【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“二極管的應(yīng)用”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解二極管的參數(shù)是表征二極管性能及適用范圍的重要指標(biāo)，是選擇、使用二極管的主要依據(jù)。二極管的主要參數(shù)有最大整流電流、最大反向工作電壓、反向電流和最高工作頻率等。（1）最大整流電流。最大整流電流是指二極管在長期工作時所允許通過的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管的正向平均電流不能超過此值，否則二極管容易因過熱而損壞。（2）最大反向工作電壓。最大反向工作電壓是指二極管在工作時所允許的最大反向偏置電壓。若反向偏置電壓超過此值，則二極管可能會被擊穿。通常，取反向擊穿電壓的一半作為。數(shù)值較大的二極管稱為高反壓二極管。（3）反向電流。反向電流是指二極管未擊穿時的反向電流。越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｊ軠囟鹊挠绊懞艽?，它會隨著溫度的升高而逐漸增大。（4）最高工作頻率。最高工作頻率是指加在二極管兩端的交流電壓所允許的最高頻率。在使用二極管時，若加在其兩端的交流電壓的頻率超過此值，則二極管的單向?qū)щ娦詫档蜕踔羻适?。主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小，結(jié)電容越大，越低?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄課堂實踐【教師】準(zhǔn)備器材，帶領(lǐng)學(xué)生到實驗室進(jìn)行試驗操作1）判斷二極管引腳的極性（1）將數(shù)字萬用表置于歐姆擋位置并校準(zhǔn)。（2）用數(shù)字萬用表測量二極管兩個引腳之間的電阻，其值為Ω。（3）保持二極管不動，調(diào)換數(shù)字萬用表紅、黑表筆的測量位置，再次測量二極管兩個引腳之間的電阻，其值為Ω。（4）根據(jù)所測電阻，確定并標(biāo)記二極管引腳的極性。二極管的正、反向電阻相差越大越好。測試中若發(fā)現(xiàn)二極管的正、反向電阻均為無窮大，則說明二極管內(nèi)部開路；若正、反向電阻均接近0，則說明二極管內(nèi)部短路（PN結(jié)被擊穿）；若正、反向電阻差別很小，則說明二極管已經(jīng)失去單向?qū)щ娦?，不能使用?）用逐點法測試二極管的正向特性（1）連接電路。（2）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，使其輸出電壓為5V。（3）調(diào)節(jié)電位器，用數(shù)字萬用表監(jiān)測二極管兩引腳之間的電壓，使其按照表4-3所示的數(shù)值變化。每調(diào)整到一個電壓后，讀取電路中毫安表的示數(shù)，并將其填入表4-3中。表4-3二極管正向特性測試數(shù)據(jù)/V00.10.20.30.40.50.60.650.7/mA3）用逐點法測試二極管的反向特性（1）將二極管反接。（2）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，使其輸出電壓為20V。（3）調(diào)節(jié)電位器，用數(shù)字萬用表監(jiān)測二極管兩引腳之間的電壓，使其按照表4-4所示的數(shù)值變化。每調(diào)整到一個電壓后，讀取電路中毫安表的示數(shù)，并將其填入表4-4中。表4-4二極管反向特性測試數(shù)據(jù)/V01246815/mA4）繪制二極管的伏安特性曲線根據(jù)表4-3和表4-4的測試數(shù)據(jù)，在圖中繪制二極管的伏安特性曲線?！ㄔ斠娊滩模緦W(xué)生】以小組為單位進(jìn)行試驗，根據(jù)分工填寫“任務(wù)工單——測試二極管的伏安特性”【教師】巡堂輔導(dǎo)，及時解決學(xué)生遇到的