1、教 案任課教師龍愛忠授課班級17秋機電一體化5年一貫制班課時安排4個課時專業、層次中職課題內容第四章 常用半導體教學重點半導體基本知識PN結教學難點1、半導體二極管2、半導體三極管課程目標1、掌握半導體二極管工作原理2、掌握半導體三極管工作原理課的類型新授課教學策略通過多媒體教學方法與手段講授、實踐等教 學 過 程 設 計教學過程及時間分配教 學 內 容時間分配組織教學1、點名檢查學生出勤情況。2、填寫教學記錄表。5min導入新課提問引入：什么是半導體？半導體的工作原理是什么樣的呢？3min新課講授4.1 半導體基本知識1、本征半導體半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。用得最多的半導體是鍺和

2、硅，都是四價元素。將鍺或硅材料提純后形成的完全純凈、具有完整晶體結構的半導體就是本征半導體。 本征半導體結構示意圖半導體的導電能力在不同條件下有很大差別。一般來說，本征半導體相鄰原子間存在穩固的共價鍵，導電能力并不強。但有些半導體在溫度增高、受光照等條件下，導電能力會大大增強，利用這種特性可制造熱敏電阻、光敏電阻等器件。更重要的是，在本征半導體中摻入微量雜質后，其導電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍，利用這種特性就可制造二極管、三極管等半導體器件。 半導體的這種與導體和絕緣體截然不同的導電特性是由它的內部結構和導電機理決定的：在半導體價鍵結構中，價電子（原子的最外層電子）不像在絕緣體（5價元素）

3、中那樣被束縛得很緊，在獲得一定能量（溫度增高、受光照等）后，即可擺脫原子核的束縛（電子受到激發），成為自由電時共價鍵中留下的空位稱為空穴。 在外電場的作用下，半導體中將出現兩部分電流：一是自由電子作定向運動形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由電子）遞補空穴形成的空穴電流。也就是說，在半導體中存在自由電子和空穴兩種載流子，這是半導體和金屬在導電機理上的本質區別。本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現，同時又不斷復合，在一定溫度下達到動態平衡，載流子便維持一定數目。溫度愈高，載流子數目愈多，導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能的影響很大。載流子能運載電荷做定向移動并形成電

4、流的粒子2、摻雜半導體本征半導體中載流子數目極少，導電能力仍然很低。但如果在其中摻入微量的雜質，所形成的雜質半導體的導電性能將大大增強。由于摻入的雜質不同，雜質半導體可以分為N型和P型兩大類。本征半導體中摻入磷或其他五價元素，就構成N型半導體。半導體中的自由電子數目大量增加，自由電子成為多數載流子，空穴則成為少數載流子，本征半導體中摻入硼或其他三價元素，就構成P型半導體。半導體中的空穴數目大量增加，空穴成為多數載流子，而自由電子則成為少數載流子。 應注意，不論是N型半導體還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數，但整個晶體仍然是不帶電的。4.2 PN結1、PN結的形成 通過某些方式將P型半導體

5、和N型半導體結合在一起，則在它們的交接面上將形成PN結。PN結的形成圖a所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導體。根據擴散原理，空穴要從濃度高的P區向N區擴散，自由電子要從濃度高的N區向P區擴散，并在交界面發生復合(耗盡)，形成載流子極少的正負空間電荷區（如圖b所示），也就是PN結，又叫耗盡層。正負空間電荷在交界面兩側形成一個由N區指向P區的電場，稱為內電場，它對多數載流子的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區又稱為阻擋層。同時，內電場對少數載流子（P區的自由電子和N區的空穴）則可推動它們越過空間電荷區，這種少數載流子在內電場作用下有規則的運動稱為漂移運動。擴散和漂移是相互聯系，又是相互矛

6、盾的。在一定條件下（例如溫度一定），多數載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數載流子的漂移運動則逐漸增強，最后兩者達到動態平衡，空間電荷區的寬度基本上穩定下來，PN結就處于相對穩定的狀態。2、PN結的單向導電性PN結具有單向導電的特性，這也是半導體器件的主要工作機理。如果在PN結上加正向電壓，外電場與內電場的方向相反，使空間電荷區變窄，內電場被削弱，多數載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（由P區流向N區的正向電流）。在一定范圍內，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結呈現的電阻很低，即PN結處于導通狀態。 PN結加正向電壓時導通如果在PN結上加反向電壓，外電場與內電場的方向一致，使空間電荷區變寬

7、，內電場增強，使多數載流子的擴散運動難于進行，同時加強了少數載流子的漂移運動，形成由N區流向P區的反向電流。由于少數載流子數量很少，因此反向電流不大，PN結的反向電阻很高，即PN結處于截止狀態。由以上分析可知，PN結具有單向導電性。 PN結加反向電壓時截止 4.3 半導體二極管1、二極管結構將PN結加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。P區對應的稱為陽極（或正極），N區對應的稱為陰極（或負極） 點接觸型 面接觸型 表示符號按結構分，二極管有點接觸型和面接觸型兩類 。點接觸型（一般為鍺管），它的PN結結面積很小，因此不能通過較大電流，但其高頻性能好，一般適用于高頻和小功率的工作，也用作數

8、字電路中的開關元件。面接觸型（一般為硅管），它的PN結結面積大，因此能通過較大電流，但其工作頻率較低，一般用作整流元件。 2、二極管的伏安特性二極管既然是一個PN結，當然具有單向導電性，其伏安特性曲線如 圖中Uon稱為死區電壓，通常硅管的死區電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。當外加正向電壓低于死區電壓時，外電場還不足以克服內電場對擴散運動的阻擋，正向電流幾乎為零。當外加正向電壓超過死區電壓后，內電場被大大削弱，正向電流增長很快，二極管處于正向導通狀態。導通時二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.60.5V，鍺管約為0.20.3V。溫度上升，死區電壓和正向壓降均相應降低。 圖中UBR稱為反向擊

9、穿電壓，當外加反向電壓低于UBR時，二極管處于反向截止區，反向電流幾乎為零，但溫度上升，反向電流會有增長。當外加反向電壓超過UBR后，反向電流突然增大，二極管失去單向導電性，這種現象稱為擊穿。普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般會造成“熱擊穿”，不能恢復原來性能，也就是失效了。二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向導電性，可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數字電路中用作開關元件等。4.4 半導體三極管1、半導體三極管結構圖所示為三極管的幾種常見外形，其共同特征就是具有三個電極，這就是“三極管”簡稱的來歷。 通俗來講，三極管內部為由P型半導體和N型半導體組成的三層結構，根據分層次序

10、分為NPN型和PNP型兩大類。NNNP基極發射極集電極BEC符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管PPNPNP型基極發射極集電極BECNPN型三層結構即為三極管的三個區, 中間比較薄的一層為基區，另外兩層同為N型或P型，其中尺寸相對較小、多數載流子濃度相對較高的一層為發射區，另一層則為集電區。三極管的這種內部結構特點，是三極管能夠起放大作用的內部條件。三個區各自引出三個電極，分別為基極（b） 、發射極（e）和集電極（c）。如圖所示，三層結構可以形成兩個PN結，分別稱為發射結和集電結。三極管符號中的箭頭方向就是表示發射結的方向。三極管內部結構中有兩個具有單向導電性

11、的PN結，因此當然可以用作開關元件，但同時三極管還是一個放大元件，正是它的出現促使了電子技術的飛躍發展。 如上圖是三極管的結構示意圖，這種電路接法稱為共射電路。其中，直流電壓源Vcc應大于Vbb，從而使電路滿足放大的外部條件：發射結正向偏置，集電極反向偏置。改變可調電阻Rb，基極電流IB，集電極電流Ic 和發射極電流IE都會發生變化，由測量結果可以得出以下結論：（1） IE IB IC ( 符合克希荷夫電流定理）（2） IC IB （ 稱為電流放大系數，可表征三極管的電流放大能力）（3） IC IB 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。 實質：用一個微

12、小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。2、三極管的放大原理以下用NPN三極管為例說明其內部載流子運動規律和電流放大（1）發射區向基區擴散電子：由于發射結處于正向偏置，發射區的多數載流子（自由電子）不斷擴散到基區，并不斷從電源補充進電子，形成發射極電流IE。（2）電子在基區擴散和復合：由于基區很薄，其多數載流子（空穴）濃度很低，所以從發射極擴散過來的電子只有很少部分可以和基區空穴復合，形成比較小的基極電流IB，而剩下的絕大部分電子都能擴散到集電結邊緣。 HYPERLINK /dg/wlkc/netpages/fangdayuanli.htm 三極管內部載流子運動與外部電流（3）集

13、電區收集從發射區擴散過來的電子：由于集電結反向偏置，可將從發射區擴散到基區并到達集電區邊緣的電子拉入集電區，從而形成較大的集電極電流IC。3、三極管的輸入輸出特性三極管的輸入輸出特性（1）輸入特性三極管的輸入特性是指當集-射極電壓UCE為常數時，基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關系曲線。 HYPERLINK /dg/wlkc/netpages/sanjiguan.htm 對硅管而言，當UCE超過1V時，集電結已經達到足夠反偏，可以把從發射區擴散到基區的電子中的絕大部分拉入集電區。如果此時再增大UCE ，只要UBE保持不變（從發射區發射到基區的電子數就一定）， IB也就基本不變。就是說，當

14、UCE超過1V后的輸入特性曲線基本上是重合的。由圖可見，和二極管的伏安特性一樣，三極管的輸入特性也有一段死區，只有當UBE大于死區電壓時，三極管才會出現基極電流IB。通常硅管的死區電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。三極管的輸入特性曲線在正常工作情況下，NPN型硅管的發射結電壓UBE為0.60.4V，PNP型鍺管的發射結電壓UBE為-0.2 -0.3V。（2）輸出特性三極管的輸出特性是指當基極電流IB一定時，集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關系曲線。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以三極管的輸出特性是一組曲線。通常把輸出特性曲線分為三個工作區：a、放大區：輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區, IC IB ,由于在不同IB下電流放大系數近似相等，所以放大區也稱為線性區。三級管要工作在放大區，發射結必須處于正向偏置，集電結則應處于反向偏置，對硅管而言應使UBE0，UBC0。b、 截止區： IB 0的曲線以下的區域稱為截止區。實際上，對NPN硅管而言，當UBE0.5V時即已開始截止，但是為了使三極管可靠截止，常使UBE0V，此時發射結和集電結均處于反向偏置。c、 飽和區：輸出特性曲線的陡直部分是飽和區，此時IB的變化對 IC的影響較小，放大區的不再適用于飽和區 。在飽和區， UCEUBE，發射結和集電結均處于正向偏置。