资源简介

11 常用半导体器件
【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 V~0.7 V，锗管约为0.2 V~0.3 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 V0.6 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，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。

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