资源简介

(共26张PPT)
电子技术基础与应用
半导体器件
项目1
自二十世纪初真空二极管、真空三极管问世以来，电子学作为一门新兴学科得到了迅速发展。1950年，第一只“PN结型晶体管”问世，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术革命。
直至今日，以二极管、三极管等晶体管为主的半导体器件仍是构成电子电路的基本元件。半导体器件由于其体积小、质量小、使用寿命长、耗电量小、可靠性强等优点，在现代生产、生活中得到了广泛的应用。
本项目主要介绍二极管和三极管的基本知识。
项目导读
项目导读
学习目标
知识目标
能够正确判断二极管和三极管引脚的极性。
能够正确测试二极管和三极管的伏安特性。
技能目标
树立民族自尊心、自豪感和文化自信心。
增强实现中华民族伟大复兴的历史使命感。
素质目标
掌握半导体的基本知识。
掌握PN结的形成原理和单向导电性。
掌握二极管的结构、伏安特性和主要参数。
掌握三极管的结构、电流放大作用、伏安特性和主要参数。
目录
任务1.1 认识二极管
任务1.2 认识三极管
任务1.1 认识二极管
任务引入
二极管如下图所示，它由管体和两个引脚构成，其中两个引脚分别为二极管的阳极和阴极。二极管具有单向导电性，二极管的导通和截止相当于开关的接通和断开，它同三极管、电阻、电容和电感等一起，构成了形形色色的电子电路。
任务引入
请选择合适的工具和器材，对二极管进行测试，判断二极管引脚的极性，并通过逐点法绘制二极管的伏安特性曲线。本任务的知识与技能要求如下表所示。
任务内容 认识二极管 学习程度 识记 理解 应用
学习任务 半导体概述 ●
二极管的结构 ●
二极管的伏安特性和主要参数 ●
实训任务 测试二极管的伏安特性 ●
自我勉励 学习目标
任务工单
学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。
1．知识准备
3．任务实施
2．工具和器材准备
4．任务评价
半导体器件都是由半导体制成的。因此，在介绍半导体器件前，需要先了解半导体的基本知识。
1）半导体的基本特性
根据导电性的不同，自然界的物质可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
半导体之所以会成为制造电子器件的主要材料，是因为它具有热敏性、光敏性和掺杂性等基本特性。
1.1.1 汽车发动机电控系统的发展
相关知识
1．半导体的基本知识
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2）本征半导体的结构特点
本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在半导体器件中，用得最多的本征半导体材料是硅和锗。
将本征半导体材料提纯并制成单晶体后，单晶体中的所有原子便基本上整齐排列了。本征半导体的结构如右图所示。
相关知识
硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上有4个电子，称为价电子。这两种元素每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，还与周围相邻的4个原子存在联系，即每个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成了共价键。
本征半导体在绝对零度（ 275.15 ℃）且没有外界影响的条件下，其价电子全部束缚在共价键中。当本征半导体在温度升高或受到光照时，其价电子会从外界获得一定能量，少数价电子将挣脱共价键的束缚而成为自由电子，并在共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，两者的数量总是相等。这种在热或光的作用下，使本征半导体中产生自由电子和空穴的现象称为本征激发，如右图所示。
相关知识
当共价键中出现空穴时，在外电场或磁场的作用下，邻近的价电子将会填补这个空穴，而这个价电子原来的位置又会留下新的空穴，然后其他价电子又可填补这个新的空穴。
由于价电子参与导电的机理与自由电子有所不同，因此为了区别这两种电子的运动，通常将空穴看作是一种带正电荷的载流子，用空穴的运动代替价电子的运动，空穴所带的电荷与价电子的电荷大小相等，极性相反。因此，本征半导体中存在两种载流子——自由电子和空穴。
3）杂质半导体的结构特点
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，其导电性仍然很低。若在本征半导体中有选择地掺入少量其他元素，将会使其导电性发生显著变化。这些掺入的元素统称为杂质，而在本征半导体中掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。
相关知识
在本征半导体（硅或锗）中掺入微量五价元素磷，可制成N型半导体。
由于磷原子有5个价电子，当它与周围的硅（或锗）原子组成共价键时，磷原子多余的一个价电子很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子。每掺入一个磷原子都能提供一个自由电子，从而使半导体中自由电子的数目大大增加，这种半导体由于主要靠自由电子导电，因此称为N型半导体（或电子型半导体），如右图所示。在N型半导体中，自由电子是多数载流子（即多子），空穴是少数载流子（即少子）。
在本征半导体（硅或锗）中掺入少量三价元素硼，可制成P型半导体。
由于硼原子只有3个价电子，当它与周围的硅（或锗）原子组成共价键时，硅（或锗）原子最外层的轨道会因缺少一个价电子而出现一个空穴，相邻的价电子很容易填补这个空穴，从而形成新的空穴。每掺入一个硼原子都能提供一个空穴，从而使半导体中空穴的数目大大增加，这种半导体由于主要靠空穴导电，因此称为P型半导体（或空穴型半导体），如右图所示。在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
中国第一支晶体管
1956年11月，在北京中国科学院应用物理研究所的半导体器件实验室里，中国第一支锗合金结型晶体管诞生了。中国第一支晶体管研制成功，开创了我国在多领域以半导体器件代替电子管，以及以半导体器件开创新的科学领域的事业，吹响了“向科学进军”的号角。
近年来，中国半导体事业飞速发展，这与当年那批献身中国半导体事业的前辈们的努力是分不开的。可以说，正是他们的拼搏奉献，才为中国现代半导体技术的迅猛发展打下了坚实的基础。
（资料来源：https://scei./images/zhuanti/dqxdfh/gs07.html，有改动）
砥节砺行
1）多子的扩散运动
在半导体的不同区域掺入五价元素磷或三价元素硼，相应地可使半导体形成P区和N区。由于P区的空穴多于自由电子，N区的自由电子多于空穴，因此在P区和N区的交界面附近将产生多子的扩散运动。
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2．PN结的形成
上述这种扩散运动使N区失掉自由电子产生正离子，P区得到自由电子产生负离子，结果在交界面两侧由等量正、负离子形成了空间电荷区，如图下图所示。在这个区域内，由于多子已扩散到对方区域并被复合掉，好像耗尽了一样，因此空间电荷区又称为耗尽层。
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空间电荷区的形成，建立了由N区指向P区的内电场。显然，内电场对多子的扩散运动起阻碍作用，因此空间电荷区又称为阻挡层。
2）少子的漂移运动
空间电荷区的出现有助于内电场中少子的漂移运动。因此，在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的自由电子向N区漂移，最终使空间电荷区变窄，内电场被削弱。
3）动态平衡
扩散运动与漂移运动是相互联系又相互对立的，当两者的运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度便基本稳定下来了，这种具有稳定宽度的空间电荷区称为PN结。
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点拨
扩散是指载流子（空穴或自由电子）由浓度高的一侧向浓度低的一侧运动；漂移是指载流子在电场的作用下做定向移动，空穴的移动方向与内电场的方向相同，自由电子的移动方向与内电场的方向相反。
当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，流过PN结的电流为零。
3．PN结的单向导电性
相关知识
当PN结有外加电压时，PN结会呈现出单向导电性。通常，将外加在PN结上的电压称为偏置电压，它可分为正向偏置电压和反向偏置电压两种。
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二极管可看作是PN结物化的器件，PN结上具有的特性均可在二极管上反映出来。二极管的结构可分为点接触型、面接触型和平面型三种。从二极管的P区引出的引脚称为阳极，从N区引出的引脚称为阴极。
1.1.2 二极管
1．二极管的结构
相关知识
虽然二极管的本质是一个PN结，但由于受到制作工艺的影响，因此二极管的实际特性与PN结的理论特性略有差别。
二极管的伏安特性曲线如右图所示。根据外加电压极性的不同，其伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。
2．二极管的伏安特性
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