模块一常用电子元器件及其特性

1模块一常用电子元器件及其特性【教学聚焦】一、知识目标：1、了解常用电子元器件；2、掌握二极管、三极管、场效应管、晶闸管、电阻器、电容器及电感器的种类、作用与标识方法；3、掌握各种二极管、三极管、场效应管及晶闸管的特性和主要参数。二、技能目标：1、能用目视法判断识别常用电子元器件的种类，能正确说出元器件的名称；2、能正确识读元器件上标识的主要参数，并了解元器件的作用和用途；3、掌握用万用表检测常用电子元器件的方法。2项目1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体3项目1半导体的基础知识自然界的物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。物质的导电能力可以用电导率或电阻率来衡量，二者互为倒数。物质的导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小。导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等。绝缘体是导电能力极弱的物质。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制作而成的。常用的半导体材料有：硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等，其中硅是目前最常用的一种半导体材料。4项目1半导体的基础知识1.1.1本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在T=0K和没有外界激发时，由于共价键的束缚，半导体无导电能力。在室温（300K）下，被束缚的价电子会获得足够的能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，叫空穴。由于共价键中出现了空位，在外加电场或其他能源的作用下，邻近价电子可填补到这个空位上，这样使共价键中出现了一定的电荷迁移，就相当于空穴在移动。空穴是带正电的，价电子填充空穴的移动相当于正电荷（空穴）的移动。5项目1半导体的基础知识1.1.1本征半导体图1.2硅的晶体结构6项目1半导体的基础知识1.1.1本征半导体本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复合”时，也成对消失；带负电的自由电子和带正电的空穴都是载流子。温度越高，载流子产生率越高；载流子的浓度越高，晶体的导电能力越强，即本征半导体的导电能力随温度的增加而增加。在外加电场的作用下，半导体中出现两部分电流：自由电子作定向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴电流。因此，自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。7项目1半导体的基础知识1.1.2杂质半导体本征半导体的导电能力是很弱的，但是在本征半导体中掺入微量的其他元素就会使半导体的导电性能发生显著变化。（1）P型半导体在硅的晶体内掺入少量三价元素杂质，比如硼，它与周围的硅原子组成共价键时，在晶体中会产生很多空穴。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。P型半导体以空穴导电为主。（2）N型半导体在硅的晶体内掺入少量五价元素杂质，比如磷，它与周围硅原子组成共价键时，在晶体中会产生很多自由电子。在N型半导体中，自由电子数远大于空穴数，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。N型半导体以自由电子导电为主。8项目1半导体的基础知识1.1.2杂质半导体图1.3P型半导体的共价键结构图1.4N型半导体的共价键结构9项目2半导体二极管1.2.1基础知识1.2.2二极管的检测1.2.3特殊半导体二极管10项目2半导体二极管1.2.1基础知识1.PN结的形成（1）半导体材料中载流子的运动1）漂移若有外电场加到晶体上，则其内部载流子将受力做定向移动。对于空穴而言，其移动方向与电场方向相同，而电子则是逆着电场的方向移动。这种由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。2）扩散在半导体内，若某一特定的区域内空穴或电子的浓度高于正常值，则基于浓度差异，载流子由高浓度区域向低浓度的区域扩散，从而形成扩散电流。11项目2半导体二极管1.2.1基础知识（2）PN结的形成在半导体两个不同的区域分别掺入三价和五价杂质元素，便形成P型区和N型区。这样，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异，N型区内电子浓度很高，而P型区内空穴浓度很高。电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，如图1.5所示。它们扩散的结果就使P区和N区的交界处原来呈现的电中性被破坏了。P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。12项目2半导体二极管1.2.1基础知识在出现了空间电荷区以后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区中形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。由于这个电场是在PN结内部形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。这个内电场的方向是阻止载流子扩散运动的。另一方面，这个内电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区失去的空穴，而从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反。当漂移运动和扩散运动相等时，空间电荷区便处于动态平衡状态，如图1.6所示。13项目2半导体二极管1.2.1基础知识图1.5多数载流子的扩散运动图1.6形成空间电荷区14项目2半导体二极管1.2.1基础知识（3）PN结的单向导电性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内电场的方向相反，从而使空间电荷区变窄，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I，方向是从P区指向N区，如图1.7所示。这时的PN结呈现为低电阻状态，称为正向导通。正向导通压降很小，且随温度的上升而减小。15项目2半导体二极管1.2.1基础知识（3）PN结的单向导电性2）PN结外加反向电压外加反向电压的接法与正向相反，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内电场的方向相同，从而使空间电荷区变宽，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，如图1.8所示。因少数载流子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度一定时，少数载流子浓度是一定的，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流IS。此时，PN结呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高，PN结处于截止状态。PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；加反向电压时，电阻值很大，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。16项目2半导体二极管1.2.1基础知识图1.7正向偏置的PN结图1.8反向偏置的PN结17项目2半导体二极管1.2.1基础知识2.二极管将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。（1）二极管的结构及类型二极管的种类有很多，按照使用的半导体材料不同可分为硅管和锗管。根据用途的不同可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、变容二极管、开关二极管、隔离二极管、快速关断二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按其结构的不同可分为面接触型、点接触型及平面型二极管三类。18项目2半导体二极管1.2.1基础知识图1.9（a）常见半导体二极管的外形图1.9（b）半导体二极管的符号19项目2半导体二极管1.2.1基础知识（2）二极管的伏安特性二极管的性能可用其伏安特性来描述，流过二极管的电流I与二极管两端的电压U之间的关系曲线为二极管的伏安特性。1）正向特性当正向电压比较小时，正向电流几乎为零。只有当正向电压超过一定值时，正向电流才开始快速增长，二极管正向导通，这一电压值称为死区电压Uth。死区电压的大小与二极管的材料及温度等因素有关，一般硅管的死区电压为0.5V左右，锗管的死区电压为0.1V左右。硅管的正向导通压降约为0.7V，锗管约为0.2V。20项目2半导体二极管1.2.1基础知识（2）二极管的伏安特性2）反向特性二极管加上反向电压时，在一定范围内，反向电流并不随反向电压的增大而增大，而是基本保持为反向饱和电流IS不变。当反向电压超过UBR后，反向电流急剧增大，这种现象称为击穿，UBR称为反向击穿电压。一般来讲，二极管的电击穿是可以恢复的，只要外加电压减小即可恢复常态。但普通二极管发生电击穿后，反向电流很大，且反向电压很高，因而消耗在二极管PN结上的功率很大，致使PN结温度升高，而结温升高会使反向电流继续增大，形成恶性循环，最终造成PN结因过热而烧毁（称作热击穿）。二极管热击穿后便失去单向导电性造成永久性损坏。21项目2半导体二极管1.2.1基础知识图1.10半导体二极管的伏安特性22项目2半导体二极管1.2.1基础知识3）二极管的伏安特性方程二极管是一种非线性元件，其中的电流I和两端的电压U间的函数关系可近似为式中：IS为反向饱和电流；UT为温度的电压当量，常温（T=300K）时，UT为26mV；U和UT在式中采用同一单位。上式称为半导体二极管的伏安特性方程。1TSeUUII23项目2半导体二极管1.2.1基础知识（3）二极管的主要参数1）最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压URM工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。3）反向电流IR指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。4）最高工作频率fM指二极管不失去单向导电性的最高频率。24项目2半导体二极管1.2.1基础知识（4）二极管电路的分析方法我们一般可以将实际电路中的二极管作为理想二极管来处理，进行近似分析。所谓理想二极管，是正向偏置时视其管压降为0V，而反向偏置时视其电阻为无穷大、电流为零。分析二极管电路时，首先断开二极管，看管子两端的电位差，从而判断二极管两端加的是正向电压还是反向电压。若是反向电压，则说明二极管处于截止状态，类似开路；若是正向电压，说明二极管处于导通状态，类似短路。25项目2半导体二极管1.2.1基础知识例：电路如图所示，已知E1=3V、E2=4V、uI=10sintV，二极管是理想的，试画出uO的波形。26项目2半导体二极管1.2.1基础知识解：ⅰ取B点做参考点，标注“”符号；ⅱ断开二极管VD1、VD2；ⅲ分析二极管VD1和VD2阳极和阴极的电位关系；∵VD1阳极=uI、VD1阴极=E1=3VVD2阴极=uI、VD2阳极=E2=4V∴uI3V时、二极管VD1导通且VD2截止、uO=E13VuI4V时、二极管VD1和VD2均截止、uO=uI4VuI时、二极管VD1截止且VD2导通、uO=E227项目2半导体二极管1.2.1基础知识解：ⅳ得到uO的波形。ⅴ电路具有限幅功能。28项目2半导体二极管1.2.1基础知识（5）二极管的应用二极管的应用范围非常广泛，利用它的单向导电性和正向导通、反向截止、反向击穿（稳压管）等工作状态，可以组成各种应用电路。1）整流电路2）钳位电路3）隔离电路4）限幅电路5）稳压电路29项目2半导体二极管1.2.2二极管的检测1.半导体二极管极性的判别一般情况下，二极管有色环的一端为负极，有色点的一端为正极。如果是玻璃壳封装，可直接看出极性，即内部连接触丝的一头是正极，连半导体片的一头是负极。如果既无色点，又不是透明封装，则可以用万用表来判别其极性。根据二极管正向导通时导通电阻小、反向截止时电阻大的特点，将万用表拨到欧姆挡（一般用R×100或R×1k挡）。用万用表的表笔分别接二极管的两个电极，测出一个电阻，然后将两表笔对换，再测出一个阻值，则阻值小的那一次黑表笔所接一端为二极管的正极，另一端即为负极。若两次测得阻值都很小，则说明管子内部短路；若两次测得的阻值都很大，则说明管子内部断路。30项目