項目五 半導(dǎo)體極其應(yīng)用課件

項目五-半導(dǎo)體及其應(yīng)用知識目標1．掌握PN結(jié)單向?qū)щ娞匦浴?．掌握二極管的分類，型號和主要參數(shù)。3．了解常用的幾種特殊二極管的功能和使用常識。4．了解三極管的結(jié)構(gòu)。5．掌握三極管的分類和型號，掌握三極管的電流分配和放大作用，掌握三極管的輸入輸出特性曲線及其三個工作區(qū)域的劃分。能力目標1．掌握二極管的伏安特性和簡易測試。2．掌握三極管的主要參數(shù)，并掌握三極管的簡易測試。3．掌握半導(dǎo)體器件手冊的使用方法，能按要求選管。4．會用萬用表測量三極管的靜態(tài)工作點，并由此判斷工作狀態(tài)。項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分，它具有體積小、重量輕、使用壽命長、功率轉(zhuǎn)換效率高等的優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。一.半導(dǎo)體知識與ＰＮ結(jié)的形成1．半導(dǎo)體半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。常用半導(dǎo)體材料有：硅、鍺、砷化鎵以及大多數(shù)金屬氧化物。在半導(dǎo)體中存在兩種導(dǎo)電的帶電物體：一種是帶負電的自由電子，另一種是帶正電的空穴。自由電子和空穴在外電場的作用下，都有定向移動的效應(yīng)，都能運載電荷形成電流，通常稱為載流子。金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子只有自由電子一種，而且數(shù)量很多，遠遠超過半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量，因而金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能比半導(dǎo)體好。

2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性有：熱敏性、光敏性、摻雜性。熱敏性表現(xiàn)為：當環(huán)境溫度變化時，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力明顯發(fā)生改變(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。光敏性表現(xiàn)為：當受到光照時，導(dǎo)電能力明顯增強；無光照時，導(dǎo)電能力明顯減弱(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。半導(dǎo)體的摻雜性則表現(xiàn)為：在純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)（微量元素），使其變成雜質(zhì)半導(dǎo)體，它的導(dǎo)電能力會發(fā)生極大的變化(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。

3．了解三極管的結(jié)構(gòu)?；顒右籔N結(jié)和晶體二極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用半導(dǎo)體根據(jù)內(nèi)部兩種載流子數(shù)量的分布情況，可分為三種類型：（1）純凈半導(dǎo)體（又叫本征半導(dǎo)體）：內(nèi)部的自由電子和空穴數(shù)量相等。如：硅、鍺單晶體。（2）P型半導(dǎo)體（又叫空穴型半導(dǎo)體）：內(nèi)部的空穴數(shù)量多于自由電子數(shù)量。如：硅、鍺單晶體中加入3價的微量硼元素。（3）N型半導(dǎo)體（又叫電子型半導(dǎo)體）：內(nèi)部的自由電子數(shù)量多于空穴數(shù)量。如：硅、鍺單晶體中加入5價的微量磷元素。4.PN結(jié)的形成

利用特殊的工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體進行有機的結(jié)合，會在兩者的結(jié)合面形成一個薄層，這個薄層稱為空間電荷區(qū)，也就是PN結(jié)。見圖5-1。

圖5-1PN結(jié)的形成

6、PN結(jié)的單向?qū)щ娦曰顒右籔N結(jié)和晶體二極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

圖5-3二極管的圖形和符號三.二極管的伏安特性晶體二極管的特性用伏安特性曲線表示。普通硅二極管的伏安特性曲線如圖5-4所示，反映了流過二極管的電流隨著外加電壓變化的規(guī)律。當所加電壓在零值附近時，二極管中流過的電流為零。當所加正向電壓上升為0.5V左右時，電流開始出現(xiàn)并明顯增大；當電壓超過0.7V時，正向電流急劇增大，此時二極管導(dǎo)通。這個0.5V左右的正偏電壓值稱為硅二極管的死區(qū)電壓或閾值電壓（鍺二極管的死區(qū)電壓為0.2V左右），而0.7V左右的正偏電壓值稱為硅二極管的正向壓降，一般硅二極管的正向壓降為0.6～0.8V（鍺二極管的正向壓降為0.2～0.4V）。若在普通二極管上加反偏電壓，反向電流隨電壓增大而略微增加或不增加；但當反偏電壓增大到一定值時，反向電流劇增，此時PN結(jié)被擊穿，這個電壓稱為反向擊穿電壓。

圖5-4普通硅二極管的伏安特性曲線活動一PN結(jié)和晶體二極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用四.二極管的分類、主要參數(shù)1．半導(dǎo)體二極管的分類（1）按材料分：可分為：鍺二極管、硅二極管兩大類。兩者性能的區(qū)別：鍺管正向壓降小于硅管（鍺管為0.2～0.4V，硅管為0.5～0.8V）；鍺管反向漏電流大于硅管（鍺管約為幾百毫安，硅管小于1μA）；鍺管PN結(jié)可承受的溫度低于硅管（鍺管約為100℃，硅管約為200℃）。（2）按用途分：可分為：普通二極管和特殊二極管兩大類。普通二極管包括：整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管等；特殊二極管包括：穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管、阻尼二極管等。

圖5-5部分二極管圖形符號(3）按結(jié)構(gòu)特點分：可分為：點接觸型二極管和面接觸型二極管。（4）按外形封裝分：可分為：玻璃、金屬、塑料、環(huán)氧樹脂等封裝形式?；顒右籔N結(jié)和晶體二極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用2．二極管的型號命名（1）國產(chǎn)晶體管型號命名方法國標GB249-1974規(guī)定，國產(chǎn)半導(dǎo)體二極管和三極管的型號由五部分組成，前三部分符號及含義見表5-1。具體方法見圖5-6。第一部分：用數(shù)字“2”表示二極管，用數(shù)字“3”表示三極管；第二部分：用字母表示器件的材料和極性；第三部分：用漢語拼音字母表示器件的類別；第四部分：用數(shù)字表示器件序號；第五部分：用漢語拼音字母表示規(guī)格號。例一：2AP9表示N型鍺材料普通二極管；例二：2CK84表示N型硅材料開關(guān)二極管。

圖5-6國產(chǎn)半導(dǎo)體分立元件型號命名方法

活動一PN結(jié)和晶體二極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用表5-1國產(chǎn)半導(dǎo)體分立元件的型號命名方法3．晶體二極管的主要參數(shù)描述二極管性能的技術(shù)參數(shù)較多，普通二極管的參數(shù)主要有以下幾項。①最大整流電流：二極管長期工作時允許通過的最大正向電流值。②最高反向電壓：二極管在工作中能承受的最大反向電壓值，也稱耐壓。一般僅為反向擊電壓的1/3～1/2。③最高工作頻率：二極管保持良好工作特性（單向?qū)щ娦裕┑淖罡吖ぷ黝l率。活動一PN結(jié)和晶體二極管第一部分第二部分第三部分數(shù)字表示電極數(shù)字母表示材料和極性用漢語拼音字母表示器件類別2：二極管A：N型鍺材料B：P型鍺材料C：N型硅材料D：P型硅材料P：普通管V：微波管W：穩(wěn)壓管C：參量管Z：整流管L：整流堆S：隧道管N：阻尼管U：光電器件K：開關(guān)管X：低頻小功率（fa＜3MHz,Pc＜1W）G：高頻小功率管（fa≥3MHz,Pc＜1W）D：低頻大功率管（fa＜3MHz,Pc≥1W）A：高頻大功率管（fa≥3MHz,Pc≥1W）T：半導(dǎo)體閘流管（可控整流器）Y：體效應(yīng)器件B：雪崩管J：階躍恢復(fù)管CS：場效應(yīng)器件BT：半導(dǎo)體特殊器件FH：復(fù)合管PIN：PIN管JG：激光器件3：三極管A：PNP型鍺材料B：NPN型鍺材料C：PNP型硅材料D：NPN型硅材料E：化合物材料項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用（2）二極管的檢測判斷根據(jù)二極管正向電阻小、反向電阻大的特點，可以利用萬用表檢測其單向?qū)щ娦?判斷其極性及質(zhì)量好壞。①指針式萬用表檢測判斷A、檢測將指針式萬用表歐姆檔選在R×100或R×1K檔位，測量二極管的正、反向電阻。若使用R×1檔或R×1K檔，會因電流過大或電壓過高而損壞管子。用萬用表的紅、黑表棒接觸二極管的兩端，如萬用表指示為幾百歐姆或幾千歐姆以下的小阻值，則接黑表棒的一端為二極管的正極；反之若萬用表指示為幾百千歐的大阻值，則接紅表棒的一端為二極管的正極。見圖5-10

圖5-10二極管引腳極性的判別B、判斷如正、反向電阻均為無窮大，則表明二極管已開路損壞；若正、反向電阻均為零，則表明二極管已短路損壞。②數(shù)字式萬用表檢測判斷由于數(shù)字式萬用表二極管檔檢測二極管是顯示二極管的正向壓降值，因此檢測更加方便。

活動一PN結(jié)和晶體二極管

項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管，或稱雙極型晶體管，通常簡稱晶體管，它是一種控制電流的半導(dǎo)體器件，可用來對微弱信號進行放大和作無觸點開關(guān)。它具有結(jié)構(gòu)牢固、壽命長、體積小、耗電省等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一.三極管的基本結(jié)構(gòu)和符號

晶體三極管由兩個做在一起的PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引出線再封裝而成，其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。三極管的兩個PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)；三極管的三個區(qū)分別叫發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；三個區(qū)各引出一個電極叫發(fā)射極（e極）、基極(b極)、集電極(c極)。按內(nèi)部半導(dǎo)體極性的不同，三極管可組成PNP型管和NPN型管，它們在符號上的區(qū)別僅僅是發(fā)射極箭頭的方向不同，箭頭方向代表了三極管集電極電流的正方向。見圖5-11。a)PNP型管b)NPN型管圖5-11晶體三極管結(jié)構(gòu)及圖形符號活動二晶體三極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

外部條件就是要給三極管加上合適的工作電壓：發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向電壓。如果發(fā)射結(jié)和集電結(jié)同時處于正偏，則晶體三極管處于飽和狀態(tài)；若同時反偏則截止。外部條件如圖5-13所示。從電位的角度看：NPN型管發(fā)射結(jié)正偏VB＞VE，集電結(jié)反偏VC＞VB；PNP型管發(fā)射結(jié)正偏VB＜VE，集電結(jié)反偏VC＜VB。圖5-14三極管放大狀態(tài)電源的接法圖5-14展示了三極管放大工作狀態(tài)電源的接法：左圖中V1為NPN型管、右圖中V2為PNP型管，Gc為集電極電源，Gb為基極電源（偏置電源），Rb為基極偏置電阻，Rc為集電極電阻。2．三極管的電流放大作用晶體三極管作為一種電流控制器件，主要特點是具有電流放大作用，放大時只要改變基極電流Ib就可以控制輸出電流Ic。晶體三極管各級電流分配關(guān)系如圖5-15所示。Ie=Ic+Ib；Ic≈β×Ib。式中β為電流放大倍數(shù)。圖5-15三極管電流分配及參考方向活動二晶體三極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

晶體三極管可以構(gòu)成放大器、振蕩器等各種功能的電路。在實際放大電路中有三種連接方式（組態(tài)），如圖5-16所示。圖5-16三極管在電路中的三種基本連接方式三.三極管的輸入、輸出特性曲線三極管的特性曲線反映了三極管各電極間電壓和各電極電流之間的關(guān)系，是具體分析放大電路的重要依據(jù)，也是三極管特性的主要表達形式，其中包括輸入特性曲線和輸出特性曲線。1．輸入特性曲線輸入特性是指當UC為某一固定值時，輸入回路中IB和UBE之間的關(guān)系。特性曲線的測量電路如圖5-17所示。輸入特性曲線如圖5-18所示。在輸入回路中，發(fā)射極是一個正向偏置的PN結(jié)，因此輸入特性就與二極管的正向伏安特性相似，不同的輸出電壓UCE對輸入特性有不同的影響（1）當UCE增大時，曲線應(yīng)右移；UCE≥2V時，UCE曲線重合。（2）當UBE0.3V時，曲線非?？拷?。（3）當UBE大于發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時，三極管產(chǎn)生IB，開始導(dǎo)通。導(dǎo)通后UBE的電壓稱為發(fā)射結(jié)正向電壓或?qū)妷褐?，硅管?.7V，鍺管約為0.3V。圖5-15三極管電流分配及參考方向活動二晶體三極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

圖5-17特性曲線測量線路

圖5-18輸入特性曲線

圖5-19輸出特性曲線活動二晶體三極管項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用1．輸出特性曲線輸出特性曲線是指當IB為某一固定值時，輸出回路中IC和UCE之間的關(guān)系。輸出特性曲線如圖5-19所示。根據(jù)輸出特性曲線，三極管的工作區(qū)域可以分為截止區(qū)、飽和區(qū)和放大區(qū)三種情況。（1）截止區(qū)：①IB=0，三極管截止，IB=0以下的區(qū)域。②IB=0，穿透電流IC≠0，即為ICEO。③三極管發(fā)射結(jié)反偏或兩端電壓為零時，三極管截止。（2）飽和區(qū)：①UCE較小的區(qū)域。②IC不隨IB的增大而變化。③飽和時的UCE值為飽和壓降：硅管為0.3V，鍺管為0.1V。④發(fā)射結(jié)、集電結(jié)都正偏，三極管處于飽和。（3）放大區(qū)：①IC受IB控制，ΔIC=bΔIB，具有電流放大作用。②恒流特性：IB一定，IC不隨VCB變化，IC恒定。③發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管處于放大狀態(tài)?；顒佣w三極管表5-2放大截止飽和發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏或零偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏NPNUC＞UB＞UEVB≤UEUB＞UE，UC＞UEPNPUC＜UB＜UEVB≥UEUB＜UE，UC＜UE表5-2項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用四.三極管的分類和主要參數(shù)1．三極管的分類（1）按材料分類：可分為硅三極管和鍺三極管。（2）按導(dǎo)電類型分類：可分為PNP型和NPN型，鍺三極管多為PNP型、硅三極管多為NPN型。（3）按封裝形式分類：可分為金屬封裝和塑料封裝。（4）按用途分類按工作頻率可分為：高頻（fT＞3MHz）三極管、低頻（fT＜3MHz）三極管和開關(guān)三極管；按工作功率可分為：大功率（Pc＞1W）三極管、中功率（0.5w＜Pc＜1W）三極管和小功率（Pc＜0.5W）三極管。三極管的外形及圖形符號見圖5-20所示。活動二晶體三極管圖5-20部分常用三極管外形圖及圖形符號項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

擴音機是應(yīng)用非常廣泛的電子設(shè)備。影劇院、會議場所等要用擴音機，家庭影院，電腦聲卡音箱、激光唱片（CD）有源音箱、便攜式高音喇叭等設(shè)備的核心也是擴音機。話筒把聲音轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，經(jīng)擴音機放大后，變成大功率的電信號，推動揚聲器還原為強大的聲音信號。這些都是電子技術(shù)在音頻放大領(lǐng)域的應(yīng)用典型。一.基本放大電路用三極管組成放大器時，根據(jù)公共端（電路中各點電位的參考點）的不同，可有三種連接方式，即共發(fā)射級電路，共集電極電路和共基極電路。圖5-22所示是應(yīng)用最廣的共發(fā)射級基本放大器。圖5-21共發(fā)射極基本放大器圖5-21所示為阻容耦合式共發(fā)射極基本放大器。電路中各元件的作用分別如下所述。1．三極管T它是放大器的核心，起電流控制作用，可將微小的基極電流變化量轉(zhuǎn)化成較大的集電極電流變化量?；顒尤龢O管基本放大電路項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用2．基極偏置電阻RBEB經(jīng)RB為三極管提供合適的基極電流IB（稱基極偏置電流）。以后會看到，IB的大小直接影響放大器的工作狀態(tài)。3．集電極負載電阻RC其作用是將集電極電流的變化量變化成集電極電壓的變化量。4．耦合電容C1和C2其作用有兩點：一是隔直流，使三極管中的直流電流與輸入端之前的以及輸出端之后的直流電路隔開，不受它們的影響；二是通交流，當C1、C2的電容量足夠大時，它們對交流信號呈現(xiàn)的容抗很小，可近似認為短路，這樣就可使交流信號順利地通過。在低頻范圍內(nèi)，C1和C2應(yīng)選用容量較大的電解電容器，一般為幾微法至幾十微法。若信號頻率較高，則可選用小容量的電容量。信號源和負載不是放大器的組成部分，但它們對放大器有影響。必須注意，電路中的負載電阻RL并不一定是一個實際的電阻器，而是表示某種用電設(shè)備，如儀表、揚聲器、顯像管、繼電器或下一級放大電路等。二.射極輸出器

共集電極放大電路也是一種基本放大電路，從其交流通路圖可見，集電極是輸入輸出回路的公共端，所以是共集電極電路；又因為從發(fā)射極輸出信號，亦被稱為射極輸出器。其電路結(jié)構(gòu)如圖5-22所示，交流電路圖如圖5-23所示?；顒尤龢O管基本放大電路項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用

圖5-24多級放大電路的組成方框圖根據(jù)信號源和負載性質(zhì)的不同，對各級放大電路的要求亦不盡相同。其第一級被稱為輸入級（或前置級），要求有盡可能高的輸入電阻和低的靜態(tài)工作電流；中間級主要提高電壓放大倍數(shù)；推動級（或激勵級）輸出一定信號幅度去推動功率放大電路工作2、多級放大電路的耦合形式兩個單管放大電路之間的連接稱為耦合。目前在線性放大電路中常用以下三種耦合方式：(1)阻容耦合前后級通過耦合電容將兩級放大電路連接起來，稱為阻容耦合，如圖5-25所示。圖5-25阻容耦合多級放大電路活動三三極管基本放大電路項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用(2)變壓器耦合由于變壓器能傳送交流信號，因此可以利用變壓器進行耦合，如圖5-26所示。

圖5-26變壓器耦合多級放大電路(3)直接耦合為了使直流信號能夠順利傳輸，必須消除耦合電路中的隔直作用，采用直接耦合方式就可以實現(xiàn)這一要求，如圖5-27所示。由于它能夠傳輸直流信號，所以直接耦合多級放大電路也被稱為直流放大電路。圖5-27直接耦合多級放大電路活動三三極管基本放大電路項目五-半導(dǎo)體極其應(yīng)用（1） 較小的非線形失真功率放大電路往往在大的動態(tài)范圍內(nèi)工作，電壓、電流變化幅度大。這樣，就可能超越輸出特性曲線的放大區(qū)，進入飽和區(qū)和截止區(qū)而造成非線性失真。因此必須將功率放大電路的非線性失真限制在允許的范圍內(nèi)。（2） 較好的散熱裝置功率放大管工作時，在功率放大管的集電結(jié)上將有較大的功率損耗，使管子溫度升高，嚴重時可能毀壞三極管。因此多采用散熱板或其他散熱措施降低管子溫度，保證足夠大的功率輸出?？傊?，只有在保證晶體管安全工作的條件下和允許失真的范圍內(nèi)，功率放大電路才能充分發(fā)揮其潛力，輸出盡量大的功率，同時減小功率放大管的損耗以提高效率。2、功率放大電路的分類（1）根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點的位置不同，放大電路可分成甲類、乙類、甲乙類。甲類、乙類和甲乙類功放電路的特點如表5-