1、电工电子 教案11分解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
2、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
3、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或阈值电压（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
4、V0.7 V，锗管约为0.2 V0.3 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
5、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
6、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
7、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，
8、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
9、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
10、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），IC和IE都会随之相应的变化（增大或减少）。（2）IE = IB + IC = ( 1+ )IB ，且IC IB 。（3）IC和IE的比值基本为一常数，称为三极管的电流放大系数，用字母表示。 = 或 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
11、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
12、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+ ）IB4称为三极管的电流放大系数：IC = IB5三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
13、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
14、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
15、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UBE和UBC，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（IB、IC和IB）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
16、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 E和UC 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 = IB，IE = IC + IB = (1+ ) IB，UCE = UCC - RCIC特点
17、：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 VE2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 VE3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
18、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
19、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
20、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 5 V。【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：UAK和UGK加足够大的正向电压。导通阻断的条件：IA IH 或UAK = 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。
