电子技术基础及应用

电子技术基础及应用学习目的：通过这节课的学习，使我们大家在日常工作中，在电路图上遇到这种元器件，我们应该知道什么是二极管和三极管。内容：各位战友们大家好今天由我给大家一起学习半导体二极管和三极管的相关基础知识，今天主要从以下三个方面来介绍。知识重点一、什么是半导体？半导体的基本特性有哪些？二、二极管和三极管的分类、特点与电路符号。三、二极管和三极管的简易测试。第一节半导体基础与二极管半导体器件近代电子学是在半导体器件的基础上发展起来的。由于半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、功率转换效率高等特点，因而在电子技术领域得到了广泛的应用。一、半导体基础知识（一）半导体的特性自然界物质按其导电能力不同可以分为导体、绝缘体和半导体。导体的导电能力很强，而绝缘体几乎不能导电。半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的一类物质，常见的半导体材料有硅、锗等。半导体具有一些独特的性质：（1）在半导体材料中加入少量其它元素（称“杂质”），导电能力显著增强；（2）给半导体材料加温或用光照射时，导电能力也会显著增强，表现出“热敏”和“光敏”特性。为什么半导体会具有上述特性呢？我们可以从半导体材料的内部结构来说明这个问题。我们知道，金属导体是靠自由电子传导电流的，这种传导电流的自由电子叫载流子。在半导体中，不仅有电子这样的载流子，而且还存在另一种带正电的载流子——空穴。正是由于半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，所以其导电就具有特殊性。（二）杂质半导体纯净半导体的导电能力相对来说是较弱的。如果在纯净半导体中有选择的加入某种微量元素，会使半导体的导电能力显著提高，这种半导体称为杂质半导体。1．P型半导体在纯净半导体中掺入微量的三价元素（如硼元素），就得到P型半导体。在这种掺杂后的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目，称为多数载流子，而电子称为少数载流子，所以又称它为空穴型半导体。2．N型半导体在纯净半导体中加入微量的五价元素（如磷元素），就得到N型半导体。这种半导体中的自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，所以又称为电子型半导体。二、PN结PN结是指P型和N型半导体接触时在交界面上形成的具有特殊性能的电荷薄层，它是制造各种半导体器件和各类集成电路的基础。PN结的主要特性是单向导电性。PN结加正向电压时，P区接电源正极，N区接电源负极，电路中有很大的正向导通电流，PN结呈低阻状态，通常称为导通状态。PN结加反向电压时，N区接电源正极，P区接电源负极，此时PN结外呈现高阻状态，通常称为截止状态。由上述分析可知，PN结加正向电压时，呈低阻导通状态，电流大；加反向电压时呈高阻截止状态，电流近似为零，这就是PN结的单向导电性。三、晶体二极管（一）二极管的单向导电性二极管的伏安特性是指二极管两端电压与电流之间的关系。通过伏安特性曲线能形象的表示出二极管的单向导电性，它是分析和应用二极管的重要依据。1．正向特性当二极管的两端加上正向电压时，就会产生正向电流。但正向电压很小时，正向电流很小，只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，锗管约为0.2-0.3V，硅管约为0.5-0.8V。2．反向特性当二极管的两端加上反向电压时，就会产生反向电流。小功率二极管的反向电流很小，硅管一般小于0.1UA，锗管小于几十微安。当二极管两端的反向电压超过某一数值时，反向电流突然增大，这种现象称二极管反向击穿。（二）半导体二极管的分类半导体二极管的分类如图所示划分方法种类划分方法种类按功能划分发光二极管按照封装形式划分塑料封装二极管整流二极管金属封装二极管变容二极管玻璃封装二极管稳压二极管按结构类型划分半导体结构二极管光电二极管金属半导体接触二极管按材料划分锗二极管按制作工艺划分面接触式二极管硅二极管点接触式二极管（1）整流二极管是常用的普通二极管，它的作用是把交流电变换成脉动的直流电。普通二极管一般工作在3KHZ一下。但用于高频、脉冲整流电路的二极管，其频率特性和开关特性等参数还有另外要求。（2）稳压二极管同普通二极管一样都具有单向导电性，而且两者的伏安特性也根相似。两者的主要区别是：普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压二极管则在反向穿状态下工作；普通二极管的反向特性曲线不陡，动态电阻较大，而稳压二极管对应的伏安特性反向曲线很陡，即动态电阻很小，电流虽然在很大范围内变化，但是稳压二极管两端的电压变化很小，稳压二极管正是利用这个特性起到稳压作用的。当然，对稳压区的反向电流也是有限制的，如果反向电流超过规定的允许值，稳压二极管也会由于击穿而损坏。（3）光电二极管也叫光敏二极管。和发光二极管一样，是一个PN结构成，PN结受光照射后产生光电流，因此可用它接收入射光。光敏二极管的封装有金属封装和塑料封装两种。当PN结在反向电压下工作时，在一定频率的光的照射下，反向电阻会随光照强度的增加而变小，反向电流增大。光电二极管总是工作在反向偏置状态。（4）变容二极管也叫晶体二极管电容器。它也是一个PN结结构，它工作在反偏置状态，通过改变在二极管上的反向偏压的大小，可使结电容发生变化。变容二极管的优点是体积小、工作可靠、调谐速度快，而且易于实现遥控。它主要用于自动频率微调、电调谐以及振荡回路的调谐等。（5）发光二极管是一种把电能转换成光能的固体发光器件。当给PN结加上正向偏压时，就会发出光来，PN结就变成了光源。不同的半导体材料制造的发光二极管将发出不同颜色的光。发光二极管的响应速度快，使用寿命长达几万小时，稳定性好，抗震性强。用七段发光二极管，还可以组成0-9任何一个数字，用于LED数码显示。目前使用较多的是用透明环氧树脂封装的管子，引脚较长的电极是正极，较短的是负极。如图所示是常见的二极管的分类的电路符号。1、是普通二极管电路符号2、稳压二极管电路符号3、光电二极管电路符号4、变容二极管电路符号5、发光二极管电路符号常见二极管的实物外形如图：举例3、半导体二极管在电路中的符号如图所示是二极管电路符号示意图。掌握这些识图信息，对分析二极管电路十分重要，主要说明下列三点：①二极管只有两根引脚，电路符号中表示出了这两根引脚。②电路符号中表示出二极管的正、负极性，三角形底边这段是正极，另一端为负极，如图所示。③电路符号形象地表示了二极管工作电流流动的方向，通过二极管的电流只能从其正极流向负极。电路符号中三角形的指向是电流流动的方向。（三）半导体二极管的特点无论何种二极管都有下列四个共性，掌握这些共性对识别和分析各类二极管电路有着举足轻重的作用：①二极管两根引脚有正负之分，使用中两根引脚不能相互反接。否则损坏二极管或不能起到正常的电路功能。②二极管是半导体器件，不是半导体。所谓半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的一种材料。二级干由半导体材料制成，具有单向导电特征。即导通过如同导体，截止时如同绝缘体。③初学者对二极管的单向导电特性理解存在误区，认为二极管只能个方向传输信号，这是错误的理解。二极管导通状态下如同一个导体，可以双向传输信号，条件是二极管必须处于导通状态。④二极管除单向导电特性之外，还有需要重要的疼醒。掌握这些特性，灵活运用这些特性是分析二极管电路的根本保证。二极管的简易测试晶体二极管是由一个PN结组成的，具有单向导电特性。用万用表的电阻档测量二极管的正、反向电阻，可以判断出二极管管脚的极性，还可以粗略地判断二极管的好坏。用万用表电阻档测量二极管的正、反向电阻的原理电路如图1—12所示。图中虚线框内是万用表电阻档的等效电路。黑表笔接表内电池mAPARzGBI红表笔被测二极管黑表笔的正极，红表笔接表内电池的负极。因此在测量未知极性的二极管时，若万用表电阻档测试指示为低电阻，则黑表笔所接的电极为被测管的正极，红表笔所接的电极为被测管的负极，所测得电阻为二极管的正向电阻。将黑表笔接被测管的负极，红表笔接被测管的正极，则测得电阻为反向电阻。如果测得的正、反向阻值都很小，则表明二极管内部击穿；如果测得的正、反向电阻值均接近无穷大，则表明二极管内部断路；测得的正、反向电阻值差别越大，则表明二极管特性越好。测量正、反向电阻时应当注意，由于二极管是非线性元件其直流电阻值与通过管子的电流有关，所以用不同型号的万用表或不同倍率的电阻档所测得的直流电阻值是不同的。通常测量二极管的正反向电阻时用R*100欧或R*1K的电阻档。第二节半导体三极管基础知识一、晶体三极管晶体三极管又称晶体管，它在电子线路中的应用比二极管广泛，是最重要的一种半导体器件，三极管具有放大作用，可以组成各式各样的放大器。（1）半导体三极管的分类半导体三极管的分类如图所示划分方法及名称现象说明按极性划分NPN型三极管这是目前常用的三极管，电流从集电极流向发射极PNP型三极管电流从发射极流向集电极，这两种三极管通过电路符号可以分清，不同之处是发射极的箭头方向不同按材料划分硅三极管简称为硅管，这是目前常用的三极管，工作稳定性好锗三极管简称为锗管，反向电流大，受温度影响较大按极性和材料组合性划分PNP型硅管最常用的是PNP型硅管NPN型硅管PNP型锗管NPN型锗管按工作频率划分低频三极管工作频率比较低，用于直流放大器、音频放大器电路高频三极管工作频率比较高，用于高频放大器电路按功率划分小功率三极管输出功率很小，用于前级放大器电路按功率划分中功率三极管输出功率较大，用于功率放大器输出级或未极电路大功率三极管输出功率很大，用于功率放大器输出级按封装材料划分金属封装三极管一部分大功率三极管和高频三极管采用这种封装塑料封装三极管小功率三极管常用这种封装按安装形式划分普通方式三极管大量的三极管采用这种形式，三根引脚通过电路板上的引脚孔伸至背面铜箔线路上，用焊锡焊接贴片三极管三极管引脚非常短。三极管直接装在电路板铜箔线路一面，用焊锡焊接按用途划分放大、开关管、振荡管等用来构成各种功能电路常见三极管的实物外形如图：举例（2）半导体三极管电路符号如下图所示为三极管的内部等效电路图形符号。图1、2所示为三极管内部结构，由两个PN结构成，其三个电极分别为集电极（用字母C或c表示）、基极（用字母B或b表示）和发射极（用字母E或e表示）。在电路图形符号上两种类型晶体管的发射极箭头（代表集电极电流的方向）不同。PNP型晶体管的发射极箭头朝内，NPN型晶体管的发射极箭头朝外，如图3、4所示。根据结构，三极管有三个区，三个电极，两个PN结，分为PNP型和NPN型两种。夹在中间的区成为基区，其外接电极B称为基极，另外两个区，一个是发射区，其外接电极E称为发射极，另一个是集电区，其外接电极C称为集电极，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，基区与集电区之间形成的PN结称为集电结。（二）三极管的特性CBECBE（c）PNP型三极管图形符号(d)NPN型三极管图形符号CEB集电区集电结基区发射结发射区PNPPNP发射极E发射区基极B集电区基区发射结集电结集电极CNPNEBC基极B（a）PNP型三极管内部结构(b)NPN型三极管内部结构三极管有三种工作状态：放大状态、截止状态和饱和状态。在不同作用的电路中，三极管工作状态也不尽相同。下面分别加以介绍。放大状态。当三极管的发射结正偏、集电结反偏时，三极管对输入信号进行线性放大。如输入信号为正弦交流信号，那么输出信号为幅度放大了的正弦交流信号。需要注意的是，这里说的放大不是三极管本身完成的，而是用基极电流去控制直流电源为集电极和发射极提供电源。截止状态。当三极管的发射结合集电极都处于反偏(对于NPN型三极管而言就是基极电位低于发射极电位)时，流过三个电极的电流都很小，接近于零，此时三极管没有放大作用。集电极与发射极之间内阻很大，相当于开路。饱和状态。当三极管的发射结、集电结均正偏时，这时三极管进入饱和状态，此时三极管没有放大作用，集电极与发射极之间内阻很小，相当于短路状态。在实际应用中经常利用三极管的截止和饱和状态起到电子开关的作用。二、三极管内的电流方向在三极管电路符号中，发射极箭头的方向表示三极管各电极电流流向的方向。利用这一点可以分析电路中个电极电流的流动方向。如图所示是三极管电路符号指示电流