项目1 认知晶体二极管及Multisim 10仿真教学课件 中职 高教版 模拟电子技术基础与仿真(Multisim10).pptx
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1、项目1 认知晶体二极管及Multisim 10仿真知识目标熟悉半导体的概念及其特点。理解PN结的形成及特性。熟悉半导体二极管的伏安特性、主要参数。熟悉稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要参数。技能目标掌握万用表的结构及使用。掌握二极管的识别与检测方法。熟悉Multisim10仿真软件的使用。熟悉虚拟仪器仪表的使用方法。1.1 1.1 任务任务1 1 认知认知晶体二极管晶体二极管1.1.1 半导体及其特性半导体及其特性自然界的各种物质根据其导电性的不同可分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体中有大量的自由电子,外加电场后,自由电子可以定向运动,形成电流。在外电场作用下,物质内部能形成电流的粒子称为
2、载流子,导体如铜、铁等金属内部有大量载流子一一自由电子,因而导电性能很好,绝缘体内部几乎没有可以自由移动的电荷一一载流子很少,因此导电性能很差。由于半导体物质内部的特殊结构,载流子数量比导体的少,比绝缘体的多,因此半导体的导电性能居于二者之间,半导体具有以下特性。(1)热敏特性:当半导体受热时,电阻率会发生变化,利用这个特性制成热敏电阻。热敏电阻可分为正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)两种,如MF58属于负温度系数的热敏电阻,即其电阻率随着温度的升高而降低。(2)光敏特性:当半导体受到光照时,电阻率会发生改变,利用这个特性制成光敏器件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。光敏电阻随着
3、光的照射,其电阻值下降;在光照条件下光敏二极管和光敏三极管的反向电流增加。(3)杂敏特性:当纯净的半导体中掺入微量的其他杂质元索(如磷、硼等)时,其导电能力会显著增加,利用这个特性制成半导体器件,如半导体二极管、半导体三极管、场效应管、晶闸管等。1.1.2 1.1.2 本征半导体本征半导体半导体分为纯净半导体和杂质半导体。纯净半导体几乎不含杂质,它是通过一定的工艺过程可以将半导体提纯制成晶体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体又称为本征半导体,如单晶硅和单晶锗。图1-1硅(锗)原子结构简图 图1-2硅(锗)晶体共价键结构共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,,其中少数能够摆脱共价键的束缚而
4、成为自由电子,同时必然在共价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电,如图 1-3所示。图1-3 本征半导体中的自由电子和空穴当温度升高或光照增强,本征半导体内原子运动加剧,本征激发的电子空穴对增多,与此同时,又使复合的机会相应增多最后达到一个新的相对平衡,这时电子空穴对的数目自然比常温时多,所以电子空穴对的数目与温度或光照有密切关系。温度越高或光照越强,本征半导体内载流子数目越多,导电性能越好,这就是本征半导体的热敏性和光敏性。本征半导体的导电能力会随温度或光照的变化而变化,但是它的导电能力是很弱的。如果在本征半导体中掺入微量其他元素(这些微量元素的原子称为杂质),就使半导体的导电能力大大加强,掺
5、入的杂质越多,半导体的导电能力越强,这就是半导体的掺杂特性。1.1.3 PN1.1.3 PN结的结的形成形成1.N型半导体在本征半导体硅(或锗)中,用特殊的工艺方法,有目的地掺入微量的五价元素,如磷(P)元素,就形成了N型半导体。图1-4N型半导体的晶体结构 图1-5N型半导体中的载流子2.P型半导体在本征半导体硅(或锗)中,用特殊的工艺方法,有目的地掺入微量的三价元素,如硼(B)元素,就形成了P型半导体。图1-6P型半导体的晶体结构 图1-7P型半导体中的载流子3.PN结的形成如果采用特定的工艺方法,使一块半导体的一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体,那么在P型和N型半导体分界面的附近就
6、会形成一个具有特殊物理性质的区域。在这个特殊区域的一侧是P型半导体,简称P区;另一侧是N型半导体,简称N区。4.PN结的主要物理特性(1)在PN结中没有载流子。所以PN结也称为耗尽层。(2)PN结有内电场,其方向由N区指向P区,即PN结的N区一侧电位高,P区一侧电位低。PN结两端的电压称为接触电压,其值约为零点几伏。内电场阻碍多子的扩散,所以PN结也称为阻挡层。(3)PN结中,载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡,所以在没有外加电场的条件下,流过PN结的电流为零。值得指出的是,PN结除了具有上述物理特性外,还有其他特性,其中最为重要的是PN结具有单向导电性。5.PN结的单向导电性在PN结的P
7、区接电源正极,N区接电源负极,如图1-10(a)所示,这时称为给PN结加正向电压,也称为使PN结正向偏置,简称正偏。(a)PN结正向偏置 (b)PN结反向偏置图1-10 PN结单向导电特性1.1.4 1.1.4 半导体二极管半导体二极管1.二极管的分类及特性用管壳将一个PN结封装起来,并由P区和N区分别引出一条引线就构成了一只二极管。由P区引出的引线,称为正极(亦称阳极);由N区引出的引线称为负极(亦称阴极),见图1-11(a)所示,二极管的符号如图1-11(b)所示。(a)结构 (b)符号图1-11 二极管的结构与符号(1)半导体二极管的分类二极管按材料可分为硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管
8、等;按结构不同可分为点接触型二极管和面接触型二极管;按用途可分为整流管二极管、稳压管二极管、检波管二极管和开关二极管等。图1-12 二极管实物外形a)金属壳二极管 b)玻璃壳二极管 c)塑封二极管 d)大功率螺栓状二极管点接触型的二极管的PN结是由一根很细的金属丝和一块半导体通过瞬间大电流熔接在一起形成的,其结面积很小,如图1-13(a)所示,故不能承受大电流和较高的反向电压,一般用于高频检波和开关电路。面接触型二极管的PN结采用合金法或扩散法形成,其结面积比较大,如图1-13(b)所示,可以承受大电流。但由于结面积大,其结电容也比较大,其工作频率低,一般用于低频整流电路。平面型二极管是一种特
9、制的硅二极管,如图1-13(c)所示,它不仅能通过较大的电流,而且性能稳定可靠,多用于开关、脉冲及高频电路中。图1-13 二极管的结构(2)半导体二极管的特性二极管的单向导电性,可用下面的演示实验说明。当二极管正向偏置导通时,指示灯亮,当二极管反向偏置截止时,指示灯灭,如图1-14所示。(a)正偏导通 (b)反偏截止图1-14 二极管的单向导电性2.二极管的伏安特性曲线在二极管两端加电压,可以测得其电流。将电压和电流的关系绘制成函数图线,即可得到二极管的伏安特性曲线。二极管正偏时的伏安特性曲线,称为正向特性曲线;二极管反偏时的伏安特性曲线,称为反向特性曲线。由实验二极管特性曲线如图1-15所示
10、。3.主要技术参数(1)最大正向电流IF:是指二极管长期工作时,允许通过的最大正向平均电流。使用时通过二极管的平均电流不能大于这个值,否则将导致二极管损坏。(2)最大反向工作电压URM:是指正常工作时,二极管所能承受的反向电压的最大值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半,以确保管子安全运行。(3)最高工作率 fM:是指晶体二极管能保持良好工作性能条件下的最高工作频率(4)反向饱和电流IS:是指二极管未击穿时流过二极管的最大反向电流。反向饱和电流越小,管子的单向导电性能越好。4.二极管的应用(1)限幅电路限幅电路也称为削波电路,它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路,常用于
11、波形变换和整形。(2)二极管整流电路把交流电变为直流电,称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1-17(a)所示。若二极管为理想二极管,当输入一正弦波时,由图可知:正半周时,二极管导通(相当开关闭合),uo=ui;负半周时,二极管截止(相当开关打开),uo=0。其输入、输出波形见图1-17(b)。整流电路可用于信号检测,也是直流电源的一个组成部分。(3)开关电路二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性,可以组成各种开关电路。将二极管接入后,VD2管承受的正向压降比VD1管高,VD2
12、管优先导通,使Uo钳位在0 V。此时二极管VD1因承受反向电压而截止。所以,电路中二极管VD2导通,VD1截止,输出电压Uo=0 V。1.1.51.1.5特殊二极管特殊二极管1稳压二极管一般的二极管工作于其特性曲线的第一和第三象限中,不允许出现反向击穿。而稳压二极管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管,专门工作在反向击穿状态。稳压二极管的伏安特性和符号如图1-19所示。稳压二极管的主要参数(1)稳定电压Uz:指稳压二极管反向击穿后稳定工作的电压。稳定电压是选择稳压二极管的主要依据之一。(2)稳定电流Iz:指工作电压等于稳定电压时的电流。(3)动态电阻rZ:在稳定工作范围内,管子两端电压的变化量与
13、相应电流的变化量之比,即rZUZ/IZ(1-1)稳压二极管的动态电阻值越小越好。(4)额定功率Pz,指在稳压管允许结温下的最大功率损耗。额定功率取决于稳压二极管允许的温升。2.发光二极管发光二极管是一种能把电能转换成光能的特殊器件。这种二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性,而且当给管子施加正向偏压时,管子还会发出可见光和不可见光(即电致发光)。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外,还有变色发光二极管,即当通过二极管的电流改变时,发光颜色也随之改变。3.光电二极管光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同,只是在它的结处,通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。(a)图形符
14、号 (b)等效电路 (c)特性曲线 图1-21 光电二极管操作训练操作训练1 1 万用表的使用万用表的使用1)指针式万用表指针式万用表主要是磁电式万用表,其结构主要由表头(测量机构)、测量线路和转换开关组成。标度尺:MF47型万用表表盘共有8个标度尺,如图2-11所示。(2)指针万用表测量电阻指针万用表测量电阻的过程如下。选择量程。欧姆调零。测量电阻。(3)测交流电压万用表测量交流电压的过程如下。选择量程,测量电压。万用表测量交流电压注意事项:万用表测量的电压值是交流电的有效值,如果需要测量高于1000V的交流电压,要把红表笔插入2500V插孔。(4)测量直流电压测量直流电压与测量交流电压相似
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