中职电子技术教案概要

1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。2四、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。3二：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：ID=-IS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。4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（）5P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（）5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②UFUT时，V导通，IF急剧增大。导通后V两端电压基本恒定：(Ge)V0.2(Si)V5.0TU(Ge)0.3V(Si)V7.0onU导通电压6结论：正偏时电阻小，具有非线性(2)反向特性反向电压URURM(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。URURM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。UFIF0URIR0反向电击穿区7（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）8四.二极管的主要参数1、最大整流电流IFM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URM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UR3、反向电流IR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fM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。93、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。tmAKtViRuiDSsd3140sin2.0)109.41(3140sin2.032mAKVRUUISSSD3.51)7.06(21Us1RSDUs1RSDRSUFrd电路计算ID的电路计算id的电路+-us2+-us2IDidiD9.43.52626mAmVImVrDd10七、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mAtiIidDD)3140sin2.03.5(209.0UUL2L009.0RURUI11(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。2RM2UU021IIDVVUUU4.444011.111.19.0002VVUUDRM8.624.44222AAIID1221210122、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D1D2D3D4+A-B+-u01234RlC-+u1-+u2Tric13参数计算：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输出特性例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U02U20.9U2ui+-u’0+-20)2.1~1.1(UULLRURUI200)2.1~1.1(LLDRURUII2)2.1~1.1(2220002)2~5.1(II2)5~3(TCRL143、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ＰzM2、使用稳压管注意事项：△IZ△UZ151）、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。ui0时二极管导通，uo=0，ui0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图（3）所示(2)当0EUM时，限幅电平为+E。ui+E时，二极管截止，uo=ui；ui+E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图(4)所示(3)当-UME0时,限幅电平为负数,它的波形图为:如图(5)所示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。