项目一 晶体二极管、三极管的认识与检测

1、项目一 晶体二极管、三极管的认识与检测知识目标：Ø 熟悉二极管器件的外形和电路符号Ø 熟悉二极管的主要特性和参数Ø 掌握二极管半波整流电路的构成，及输入输出信号特性Ø 了解三极管的结构、掌握三极管的电流分配关系及放大原理Ø 掌握三极管的输入输出特性、理解其含义，了解主要参数的定义技能目标：Ø 会使用万用表检测二极管的质量和判断电极Ø 会使用万用表检测三极管的质量和判断管脚Ø 会查阅半导体器件手册，能按要求选用二极管、三极管工作任务：Ø 1、二极管半波整流电路制作及信号观测Ø 2、三极管管脚的判断

2、及电流放大特性检测课题项目一晶体二极管、三极管的认识与检测任务一二极管半波整流电路制作及信号观测任务分解1、晶体二极管认识与检测2、二极管半波整流电路授 课 方 式讲 授操作演示仿真演示研究学习学生操作师生互动能力目标1、掌握使用万用表检测二极管的质量和判断电极；2、能用示波器观察各种信号的波形。知识目标1、熟悉二极管器件的外形和电路符号；2、熟悉二极管的主要特性和参数；3、制作二极管半波整流电路，并使用示波器观察输入输出信号。情感目标1、增强专业意识，培养良好的职业道德和职业习惯；2、激发学生的学习动机；3、提高学生分析问题、解决问题的能力。重 点二极管的主要特性难 点示波器观察半波整流电路

3、的输入输出信号授 课 时 间第1周情境设计电子技术项目教学室，两名学生为一组。每组模电试验箱一台。课后阅读预习教材：查阅资料：半导体手册课后作业与 操作 习题 1.1，1.2，1.3教 后 记实训任务1 二极管半波整流电路制作及信号观测实训内容1. 二极管极性，正、反向电阻的测量、管型和质量的识别将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极，如图所示。图 二极管极性的测试（1）在元件盒中取出两只不同型号的二极管，用万用

4、表鉴别二极管的极性。（2）将万用表拨到R´10或R´1k电阻档，测量上列二极管的正、反向电阻，并判断其性能好坏，把以上测量结果填入表1中。表1阻值型号正向电阻反向电阻电阻档位质量差别2二极管半波整流电路制作及信号观测整流电路就是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替变化的正弦交流电压转换成单方向的脉动直流电压。这里介绍的整流电路采用的是二极管的单向导电性，按图在实验板上接好电路。 接好电路，用示波器观察输入输出波形。测量信号值。 半波整流：VI= （V） VO= （V） 波形： 输入 输出 想一想：1 为什么用R´10或R´1k电阻档测量出二极管的正

5、、反向电阻值不同？2 在二极管半波整流电路中，比较输入输出波形，思考波形为什么会发生变化？讲授内容1.1 半导体基础知识 导体、绝缘和半导体物质按其导电能力的强弱，可分为导体、绝缘体和半导体。一. 导体：导电能力很强的物质，叫导体。如低价元素铜、铁、铝等。二.  绝缘体：导电能力很弱，基本上不导电的物质,叫绝缘体.如高价惰性气体和橡胶、陶瓷、塑料等高分子材料等。三. 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫半导体。如硅、锗等四价元素，为什么物质的导电能力有如此大的差别呢？这与它们的原子结构有关，即与它们的原子最外层的电子受其原子核束缚力的强弱有关。. 本征半导体纯净且

6、呈现晶体结构的半导体，叫本征半导体。一本征半导体结构通过特殊工艺加工，可以使硅或锗元素的原子之间靠共有电子对共价键，形成非常规则的晶体点阵结构。结果每个原子外层相对排满个电子，形成相对稳定的状态。这种结构整齐且单一的纯净半导体，叫本征半导体。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。 图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构 图1.2 本征激发产生电子空穴对二本征激发在常温下，由于热能的激发，使本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。同时，在共价键中留下一个空位，叫空穴。这种产生自由电子和空穴对的

7、现象，叫本征激发。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。由于本征激发而在本征半导体中存在一定浓度的自由电子（带负电荷）和空穴（带正电荷）对，故其具有导电能力，但其导电能力有限。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。 图1.3 束缚电子填补空穴

8、的运动. 杂质半导体在本征半导体中掺入适量且适当的其他元素（叫杂质元素），就形成杂质半导体，其导电能力将大大增强。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。一. 型半导体在硅或锗本征半导体中掺入适量的五价元素（如磷），则磷原子与其周围相邻的四个硅或锗原子之间形成共价键后，还多出一个电子，这个多出的电子极易成为自由电子参与导电。同时,因本征激发还产生自由电子和空穴对。结果,自由电子成为多数载流子(称多子),空穴成为少数载流子(称少子)。这种主要依靠多数载流子自由电子导电的杂质半导体，叫N型半导体 ，如图1-4所示。 图1.4 N型半导体的共价键结构

9、图1.5 P型半导体共价键结构 二. P型半导体在硅或锗本征半导体中，摻入适量的三价元素（如硼），则硼原子与周围的四个硅或锗原子形成共价键后，还留有一个空穴。同时，因本征激发 还产生自由电子和空穴对。结果，空穴成为多子，自由电子成为少子。这种主要依靠多子空穴导电的杂质半导体，叫P型半导体。如图1-5所示。无外电场作用时，本征半导体和杂质半导体对外均呈现电中性，其内部无电流。.4 PN结及单向导电性一 PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性

10、电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。图1.6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散 图1.7 PN结的形成 空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结

11、的宽度保持一定而处于稳定状态。二 PN结的单向导电性如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。PN结外加正向电压： PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。 PN结外加反向电压： PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。 图1.8 PN结外加正向电压 图1.9 PN结外加反向电压 PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。小 结（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，

12、它们都可以运载电荷形成电流。 （2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。（5）PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。1.2 半导体二极管 二极管的结构及符号半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图1.10所示。图1.10 不同结构的各类二极管图1.11所示为二极管的符号。由

13、P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。 图1.11 二极管的符号 图1.12 常见的二极管外形 常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异， 图1.12所示为几种常见的二极管外形。 二极管的伏安特性及主要参数一二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。（1）正向特性二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1.13所示，当二极管所加正向电压比较

14、小时（0<U<Uth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。 （2）反向特性 二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由图1.13可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（I-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。图1.13 二极管的伏安特性曲线（3）反向击穿特性 从图1.13可见，当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。利

15、用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。 二二极管的主要参数（1）最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。（2）反向击穿电压UBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。（3）反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。 二极管的测试一二极管极性的判定将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极

16、为二极管的正极，如图1.15所示。图1.15 二极管极性的测试二二极管好坏的判定（1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。（2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。（3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。 二极管半波整流电路普通二极管的应用范围很广，可用于开关、稳压、整流、限幅等电路。在电子电路及其设备当中，一般都需要稳定的直流电源供电。整流、滤波、稳压就是实现单相交流电转换到稳定的直流电压三个重要组成部分，下面我们简单的通过实验来观察这个过程。整流电路就是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替

17、变化的正弦交流电压转换成单方向的脉动直流电压。这里介绍的整流电路采用的是二极管的单向导电性，具体的电路及半波整流电路及信号的输入、输出波形如图1.16所示。 ui D iD Uim 0 t 220V ui RL uo uo Uo Uom 0 t 图1.16半波整流电路及信号的输入、输出波形整流电路负载上的直流电压就是输出脉动电压的平均值。由傅里叶级数展开式可知，其输出电压可表示为： （1）式中Uom/p为直流分量，Uom/2为基波交流分量，其它为谐波分量。忽略二极管内阻时，输出直流电压为： （2）式中Uim为变压器次级交流变压器的峰值，Ui为其有效值。课题项目一晶体二极管、三极管的认识与检测任

18、务二三极管管脚的判断及电流放大特性检测任务分解1、晶体三极管认识与管脚判断2、三极管电流放大特性观测授 课 方 式讲 授操作演示仿真演示研究学习学生操作师生互动能力目标1、掌握使用万用表检测三极管的质量和判断管脚；2、能用万用表检测三极管的电流放大。知识目标1、熟悉三极管器件的外形和电路符号；2、熟悉三极管的输入输出特性曲线和参数；3、使用万用表观测三极管电流放大特性。情感目标1、增强专业意识，培养良好的职业道德和职业习惯；2、激发学生的学习动机；3、提高学生分析问题、解决问题的能力。重 点三极管的输入输出特性曲线难 点万用表观测三极管电流放大特性授 课 时 间第2周情境设计电子技术项目教学室

19、，两名学生为一组。每组模电试验箱一台。课后阅读预习教材：查阅资料：半导体手册课后作业与 操作 习题 1.4，1.5教 后 记实训任务2 三极管管脚的判断及电流放大特性检测实训流程：1用万用表判别管脚和管型的方法用万用表判别管脚的根据是：把晶体管的结构看成是两个背靠背的PN结，如图1.17所示， 对NPN管 来说，基极是两个结的公共阳极， 对PNP管来说，基极是两个结的公共阴极。 NPN管： c e PNP管： c e b b 图1.17判断三极管的基极对于功率在1W以下的中小功率管，可用万用表的R´100或R´1k档测量，对于功率在1W以上的大功率管，可用万用表的R

20、0;1或R´10档测量。用黑表棒接触某一管脚，用红表棒分别接触另两个管脚，如表头读数都很小，则与黑表棒接触的那一管脚是基极，同时可知此三极管为NPN型。若用红表棒接触某一管脚，而用黑表棒分别接触另两个管脚，表头读数同样都很小时，则与红表棒接触的那一管脚是基极，同时可知此三极管为PNP型。用上述方法既判定了晶体三极管的基极，又判别了三极管的类型。判断三极管发射极和集电极以NPN型三极管为例，确定基极后，假定其余的两只脚中的一只是集电极，将黑表棒接到此脚上，红表棒则接到假定的发射极上。用手指把假设的集电极和已测出的基极捏起来（但不要相碰），看表针指示，并记下此阻值的读数。然后再作相反假设

21、，即把原来假设为集电极的脚假设为发射极。作同样的测试并记下此阻值的读数。比较两次读数的大小，若前者阻值较小，说明前者的假设是对的，那么黑表棒接的一只脚就是集电极，剩下的一只脚便是发射极。若需判别是PNP型晶体三极管，仍用上述方法，但必须把表棒极性对调一下。在元件盒中取出两个三极管，根据实训原理介绍的方法进行如下测量：（1）类型判别（判别三极管是PNP型还是NPN型），并确定基极b。（2）判断三极管集电极c和发射极e，估测三极管的b值大小。把以上测量结果填入表2中，在图4中标出管脚名称。表2三极管型号类型管脚图2三极管电流放大检测为了了解三极管的电流分配原则及其放大原理，首先做一个实验，实验电路

22、如图1.18所示。在电路中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流的方向如图中所示。 图1.18 按图在实验板上接好电路。IBICIE想一想：1、 归纳一下在UBB和UCC满足什么条件时，三极管电流放大效果明显？2、 基极电流IB、集电极电流IC 和发射极电流IE 三者有什么关系？讲授内容：1.3 半导体三极管 三极管的结构及符号半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，

23、使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管。图1.19所示为三极管的结构示意图和符号。图1.19 三极管的结构示意图和符号符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（几微米到几十微米），且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可以由锗材料制成，称为锗三极管。三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根

24、据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。常见的三极管外形如图1.20所示。图1.20 常见的三极管外形 三极管的电流分配原则及放大作用要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条件是：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。一实验结论为了了解三极管的电流分配原则及其放大原理，根据所做的实验，实验电路如图1.21所示。在电路中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流的方向如图中所示。 图1.21 三极管电流放

25、大的实验电路由实验及测量结果可以得出以下结论。（1）实验数据中的每一列数据均满足关系：IE=IC+IB； 此结果符合基尔霍夫电流定律。（2）每一列数据都有IC>>IB，而且有IC与IB的比值近似相等，大约等于某一常数。（3）求IC和IB变化量的比值，结果仍然近似相等，约等于该常数。（4）当IB=0（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流ICEO。穿透电流ICEO越小越好。二三极管实现电流分配的原理 上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。图1.22为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。图1.22 三极管内部载流子传输与电流分配示意图（1）发射

26、区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。 （2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。 （3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。三结论（1）要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。（2）一般有>>1；通常认为。（3）三极管的电流分配及放大关系式为： IE=IC+IB IC=IB 三极管的特性曲线及主要参数一三极管的特性曲线三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。（1）输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如图1.23所示。 图1.23 三极管的输入特性曲线 图1.24 三极管的输出特性曲线 （2）输出特性曲线它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如图1.24所示。一般