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电工电子:常用半导体元件

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发表时间:2019-11-17 17:06

11常用半导体元件

课题

11.1二极管

教学目标

知道PN结的单向导电性。描述二极管的电压、电流关系。解释主要参数。

教学重点

1.二极管的电压、电流关系。

2.二极管的主要参数。

教学难点

二极管的电压、电流关系。

教学过程

【一、复习

线性电阻和非线性电阻的电压、电流特性。

【二、引入新课

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。但半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力会随温度、光照及所掺杂质不同而显著变化。特别是掺杂可以改变半导体的导电能力和导电类型,这是今天能用半导体材料制造各种器件及集成电路的基本依据。

二极管就是由半导体制成的。半导体按所用半导体材料可分为硅二极管和锗二极管;按内部结构可分为点接触型和面接触型二极管;按用途分类可分为普通二极管、稳压二极管、发光二极管、变容二极管等,通常所说的二极管是指普通二极管。

【三、讲授新课

11.1.1 二极管的外形、结构与符号

二极管的外形、内部结构示意图和符号如图11.1所示。


     

(a)外形                                  (b)内部                            (c)符号

图11.1 二极管

二极管的阳极引脚由P型半导体一侧引出,对应二极管符号中三角形底边一端。

二极管的阴极引脚由N型半导体一侧引出,对应二极管符号中短竖线一端。

强调指出:符号形象地表示了二极管电流流动的方向,即电流只能从阳极流向阴极,而不允许反方向流动。

11.1.2 二极管的电流、电压关系

1.正向偏置与导通状态

二极管正向电流、电压关系实验电路如图11.2(a)所示,二极管阳极接高电位,阴极接低电位,二极管正向偏置。

此时调节串联在电路中的电阻大小,二极管表现出不同电压下具有不同的电阻值,记录每个电压下对应的电流值,从而描绘成曲线,即得到图11.2(b)所示的二极管正向电流、电压关系特性。

(1)二极管VD两端正向电压小于0.5 V时,电路中几乎没有电流,对应的电压称为二极管的死区电压阈值电压(通常硅管约为0.5 V,锗管约为0.2 V)。

(2)二极管两端正向电压大于0.5 V后,电路中电流增加迅速。

(3)随着二极管电流增大,二极管VD两端电压维持在0.6 V ~ 0.7 V之间不再增加(硅管约为0.6 V~0.7 V,锗管约为0.2 V~0.3 V)。


(a)                      (b)

图11.2 二极管正向偏置导通与电流、电压的关系特性

2.反向偏置与截止状态

二极管的反向电流、电压关系实验电路如11.3(a)所示,二极管阳极接低电位,阴极接高电位,二极管反向偏置。

此时调节串联在电路中的电阻大小,即使二极管两端反向电压较高时,电路中仍然几乎没有电流,当二极管两端反向电压达到足够大时(各种二极管数值不同),二极管会突然导通,并造成二极管的永久损坏。记录每个电压下对应的电流值,从而描绘成曲线,即得到图11.3(b)所示的二极管反向电流、电压关系特性。

(1)当反向电压不超过一定范围时,反向电流十分微小并随电压增加而基本不变。通常可以忽略不计。

(2)当反向电压增加到一定数值时,反向电流将急剧增加,称为反向击穿,此时的电压称为反向击穿电压。


(a)                         (b)

图11.3 二极管反向偏置截止与电流、电压关系特性

综上所述,二极管具有在正向电压导通,反向电压截止的特性,这个特性称为单向导电性

11.1.3 二极管的主要参数

二极管的参数是选择和使用二极管的依据。主要参数有:

(1)最大整流电流IFM指二极管长期工作时,允许通过二极管的最大正向电流的平均值。

(2)最高反向工作电压URM指保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压。

(3)反向电流IR指二极管加反向电压而未击穿时的反向电流,如果该值较大,是不能正常使用的。

11.1.4 发光二极管

发光二极管是一种把电能直接转化成光能的固体发光元件,如图11.4所示为几种发光二极管外形及其电路图形符号。


图11.4 发光二极管外形及图形符号

发光二极管是由PN结组成,具有单向导电性。当发光二极管加上正向电压时能发出一定波长的光。发光波长除与制作使用材料有关外,还与PN结所掺“杂质”有关。一般用磷砷化镓材料制作的发光二极管发红光,磷化镓材料制作的发光二极管发绿光或黄光。

发光二极管的作用:用作电子设备的通断指示灯,数字电路的数码及图形显示,也可作为快速光源,以及光电耦合器中的发光元件。

11.1.5 光电二极管

光电二极管由PN结组成,具有单向导电性,但光电二极管管壳上有一个能射入光的窗口,这个窗口用有机玻璃透镜封闭,入射光通过透镜正好射在管芯上。如图11.5所示为光电二极管外形结构及其电路图形符号。


图11.5 光电二极管外形结构及电路图形符号

    光电二极管工作在反向偏置状态。当在PN结上加反向电压,再用光照射PN结时,能形成反向光电流,光电流的大小与光照射强度成正比。光电二极管用途很广,一般常用作传感器的光敏电元件,在光电输入机上用作光电读出器件。

【四、小结

1.二极管对来自两个方向的电流呈现不同的性质,在外加电压足够大时(一般约0.3 V0.6 V),电流只能从阳极(P型半导体一侧)流向阴极(N型半导体一侧),反方向是不能导通的。这个特性称为单向导电性。

2.二极管的参数反映二极管在各方面的性能,是正确的选择和使用二极管的依据。二极管的参数主要针对单向导电性提出来的。使用较多的是最大整流电流和最高反向工作电压。

3.了解发光二极管的作用。

4.了解光电二极管的作用。

【五、习题

一、是非题:1、2; 二、选择题:1; 三、填空题:1、2;四、计算题:1。




课题

11.2三极管

教学目标

1.知道三极管结构与符号。

2.三极管的放大作用。

教学重点

1.三极管结构与符号。

2.三极管的放大作用。

教学难点

三极管的放大作用。

教学过程

【一、复习

1.二极管的正向偏置和反向偏置的不同表现。

2.基尔霍夫电流定律。

【二、引入新课

三极管的分类:按材料分有硅三极管和锗三极管;按结构类型分有NPN型和PNP型。

【三、讲授新课

11.2.1 三极管的外形、结构和符号

三极管的外形、内部结构示意图和符号如图11.6所示。


(a)外形


(b)NPN管结构和符号                        (c)PNP管结构和符号

图11.6 三极管

NPN型三极管发射极电极(符号箭头向外)形象地指出发射极电流的流动方向是由管内流向管外,而基极电流和集电极电流是流入管内的;PNP型三极管的情况正好相反(符号箭头向内),电流由发射极流入,由集电极和基极流出。

11.2.2 三极管的放大作用

三极管放大作用可按图11.7连接电路。发射极作为公共端接地,并选取UCC > UBB

在基极回路电源UBB作用下,发射结正向偏置(即基极电位高于发射极电位)。

在集电极回路电源UCC作用下,集电结反向偏置(即集电极电位高于基极电位)。


图11.7 三极管的放大作用

调节电阻RB,观察基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE

(1)IB变化(增大或减少),ICIE都会随之相应的变化(增大或减少)。

(2)IE IB + IC = ( 1+ )IB ,且IC >>IB

(3)ICIE的比值基本为一常数,称为三极管的电流放大系数,用字母β表示。

= IC = IB

(4)发射结电压在0.5 V以下时,ICIE0,这种情况下三极管处于截止状态。

(5)基极电流IB增加到一定数值时,就会发现集电极电流IC不随基极电流IB增大而增大。这种情况下三极管处于饱和状态。

就其本质而言,三极管的“放大”是一种控制,是以较小的电流IB控制较大的电流IC

11.2.3 三极管的主要参数

1.电流放大系数( )是表征三极管电流放大能力的参数。通常以100左右为宜。

2.集电极最大允许电流(ICM)是指当三极管集电极电流超过ICM时,三极管的参数将会明显变化。

3.集电极最大允许耗散功率(PCM)是指为了限制集电结温升不超过允许值而规定的最大值,该值除了与集电极电流有关外,还与集电极和发射极之间的电压有关。

4.集电极、发射极之间反向击穿电压(U(BR)CEO)是指三极管基极开路时,集电极和发射极之间能够承受的最大电压。

【四、小结

1.三极管是由两个PN结构成的,所以就有NPN型管和PNP型管之分。所以外加电压极性和电流方向都相反。

2.三极管要具有放大作用,就必须满足其外部条件,即发射结正向偏置,集电结反向偏置,这一条是组成放大电路的基本原则。

3.三极管放大时电流分配的关系式:IE = IC +IB =(1+ )IB

4.β称为三极管的电流放大系数:IC = IB

5.三极管的主要参数其物理意义是:——反映电流放大能力;ICM——对三极管集电极电流的限制;U(BR)CEO——三极管集电极和发射极之间能够承受最大电压的限制等。

【五、习题

一、是非题:3、4;二、选择题:2;三、填空题:3、4。



课题

11.3三极管的三种工作状态

教学目标

描述三极管的放大作用。区分三种工作状态(放大、饱和、截止)。

教学重点

三极管的三种工作状态的外部条件和特点。

教学难点

三极管的三种工作状态的外部条件和特点。

教学过程

【一、复习

三极管的放大作用。

【二、引入新课

三极管工作状态的不同是由其集电结和发射结偏置不同造成的,它可以分成放大状态、饱和状态及截止状态。

【三、讲授新课

11.3.1 放大状态

处于放大状态的三极管 IC = IB,各极之间电流关系为

IE = IB + IC = IB + IB = (1 + )IB

三极管处于放大状态的电流和电压示意图如图11.11所示。


(a)                   (b)              (c)

图11.11 放大状态晶体管电流、电压示意图

图11.11(a)所示电路是在图11.7电路基础上,将电阻RB接到UBB正极的一端改接到UCC的正极上。为了进一步简化电路,图11.11(a)中电源UCC省去未画,只标出它对地电位值和极性。

图11.11(b)中标出发射结的正向偏置电压UB E和集电结的反向偏置电压UC B,放大状态各点电位是集电极电位最高,基极电位次之,最低的是发射极电位。

图11.11(c)示意三极管处于放大状态时,集电极C和发射极E之间相当于通路,用一个变化的电阻表示其间电压降。变化情况可认为是受基极电流控制的。

11.3.2 饱和状态

处于饱和状态的三极管,基极电流IB失去对集电极电流IC的控制作用,因而三极管饱和时没有放大作用。

三极管处于饱和状态电流和电压示意图如图11.12所示。


(a)            (b)            (c)

图11.12 饱和状态三极管电流、电压示意图

图11.12(a)中,当UCE减小到接近为零时(硅管约0.3 V,锗管约0.1 V,称为饱和压降),集电极电流IC已达到最大值(三极管饱和)。

图11.12(b)中标出发射结和集电结的正向偏置UBEUBC,饱和状态各点电位是基极电位最高,集电极电位次之,发射极电位最低。

图11.12(c)示意三极管处于饱和状态时,相当于一个开关处于闭合状态,相当于短路。

11.3.3 截止状态

处于截止状态的三极管,各极电流(IBICIB)都为零或极小。因而三极管截止时没有放大作用。

三极管处于截止状态电流和电压示意图如图11.13所示。


(a)               (b)          (c)

图11.13 三极管截止状态电流、电压示意图

图11.13(a)中,基极电流IB0和集电极电流IC0,所以集电极电阻RC上就没有电压降。三极管集电极C和发射极E之间电压UCEUCCICRCUCC

图11.13(b)中标出了发射结和集电结的反向偏置电压UB EUC B ,截止状态各点电位是集电极电位最高,发射极电位电位次之,基极电位最低。

图11.13(c)示意三极管处于截止状态时,相当于一个开关处于断开状态,相当于开路。

【四、小结

1.放大状态条件:发射结正向偏置,集电结反向偏置。

电流、电压关系:IC =   IBIE = IC + IB = (1+) IBUCEUCC RCIC

特点:集电极电流受基极电流控制。

电位值分布(以NPN管,发射极接地为例):VC > VB > VE

2.饱和状态条件:发射结正向偏置,集电极正向偏置。

电流、电压关系:

UCE0.3 V,IC

特点:集电极电流不随基极电流的增加而增加。

电位值分布:VB > VC > VE

3.截止状态条件:发射结零偏或反偏,集电结反偏。

电流、电压关系:IC = 0,IB = 0,UCE = UCC

特点:基极电流和集电极电流为零。

电位值分布: VC > VE > VB

【五、习题

一、是非题:3、4; 二、选择题:2、3;四、计算题:2。



课题

*11.4晶闸管

教学目标

知道晶闸管的特性和主要参数。

教学重点

晶闸管的工作原理。

教学难点

晶闸管的工作原理。

教学过程

【一、复习

1.晶体管的结构。

2.二极管的工作原理。

【二、引入新课

1.晶闸管有普通型晶闸管和特种晶闸管。

2.特种晶闸管有快速晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管等。

【三、讲授新课

11.4.1 晶闸管的外形、结构和符号

晶闸管的外形、内部结构示意图和符号如图11.14所示。


(a)外形


              (b)结构              (c)符号

图11.14 晶闸管

晶闸管的符号与二极管相似,只是在其阴极处增加一个控制极,在控制极上加控制信号时晶闸管导通。

11.4.2 晶闸管的工作原理

1.晶闸管工作原理可用图11.15所示实验电路验证。

2.晶闸管反向偏置,如图11.15(a)所示,无论是否给控制极加电压,晶闸管不导通。

3.晶闸管正向偏置,如图11.15(b)所示,控制极G没有接任何电压,晶闸管不导通。

4.晶闸管正向偏置,如图11.15(c)所示,控制极G加一个幅度和宽度都足够大的正电压,晶闸管导通。

5.晶闸管导通后,如图11.15(d)所示,去掉控制极电压,晶闸管仍然能保持导通。

结论:晶闸管是一个受控制的二极管,除了应具有正向偏置电压外,还必须给控制极加一个足够大的控制电压,晶闸管就会导通。一旦晶闸管导通,控制电压即使取消,仍然保持导通状态。

使晶闸管由阻断状态变为导通状态,在控制极上加的正向电压称为触发电压。

注意:晶闸管导通后若阳极电流小于某一个很小的电流IH(称为维持电流)时,晶闸管也会由导通变为截止。


图11.15 晶闸管导通实验电路

11.4.3 晶闸管的主要参数

(1)额定正向平均电流IF:晶闸管允许通过的工频正弦半波电流的平均值。

(2)正向平均管压降UF:晶闸管正向导通状态下阳极和阴极两端的平均电压降。一般为0.4 V1.2 V。

(3)维持电流IH:维持晶闸管导通状态所需的最小阳极电流。

(4)最小触发电压UG:晶闸管导通要求控制板所加的最小触发电压,一般约为1 V5V。

【四、小结

1.晶闸管的结构:晶闸管由四层半导体(PNPN)、三个PN结构成,具有三个电极:阳极A、阴极K和控制极G。

2.触发电压是使晶闸管由阻断状态变为导通状态,加在控制极上的正向电压,一旦晶闸管导通,控制极就失去控制作用。

3.晶闸管的特点:可控的单向导电开关。

阻断→导通的条件:UAKUGK加足够大的正向电压。

导通→阻断的条件:IAIHUAK0或反向。

导通后控制极失去控制作用。

4.晶闸管的主要参数:晶闸管的参数主要表现在可控导通和维持导通方面。例如:维持电流IH;最小触发电压UG等。

【五、习题

一、是非题:5、6;二、选择题:4;三、填空题:5。