二极管及其应用教学之认识二极管_上海朔光科教设备有限公司

课题

二极管及其应用（一）——认识二极管

课时

2课时（90min）

教学目标

知识技能目标：
（1）掌握本征半导体、杂质半导体和PN结的知识
（2）掌握二极管的结构、伏安特性和主要参数
（3）能够正确测试二极管的伏安特性
素质目标：
（1）树立新时代社会主义青年的历史使命感和社会责任感
（2）坚定实现中华民族伟大复兴的中国梦的理想信念

教学重难点

教学重点：本征半导体、杂质半导体和PN结的知识，二极管的结构、伏安特性和主要参数
教学难点：正确测试二极管的伏安特性

教学方法

案例分析法、问答法、讨论法、讲授法

教学用具

电脑、投影仪、多媒体课件、教材

教学过程

主要教学内容及步骤

课前任务

【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——调测试二极管的伏安特性”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，了解二极管的相关知识
【学生】完成课前任务

考勤

【教师】签到
【学生】班干部报请假人员及原因

任务导入

【教师】提出以下问题：
什么是二极管？二极管具有哪些作用？
【学生】思考、举手回答

传授新知

【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍半导体和二极管等内容
4.1.1 半导体概述
半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的物质。它是制造半导体元器件的主要材料，当其受到外界的光和热，或者在其内部掺入其他微量元素后，其导电性会发生显著的变化。
1．本征半导体
✈【教师】通过多媒体展示“本征半导体”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识
本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在半导体元器件中，用得最多的本征半导体是硅和锗。硅和锗都是四价元素，每一个硅（锗）原子与相邻的四个原子之间通过成对的价电子形成了共价键。当本征半导体在温度升高或受到光照时，这些价电子中的一部分会从外界获得一定能量，从而挣脱共价键的束缚而成为自由电子，同时共价键中将会留下一个空位，这个空位称为空穴。
由于空穴的出现，附近共价键中的价电子很容易在获取能量后去填补空穴，而在原共价键中产生新的空穴，其他的价电子又可能来填补新的空穴，因此共价键中就产生了电荷的移动。受共价键束缚的价电子参与导电的机理与自由电子有所不同，为了区分这两种电子的运动，通常用空穴的运动来代替共价键中价电子的运动，将空穴看成是带正电荷的粒子，它所带的电荷与电子所带的电荷大小相等、极性相反。
在外加电场的作用下，自由电子和空穴都是能够承载定向电流的带电粒子，它们统称为载流子。
【点拨】
在本征半导体中，自由电子和空穴这两种载流子的数量相等。由于载流子的总数量很少，因此本征半导体的导电性不强。
2．杂质半导体
在本征半导体中人为地掺入其他微量元素（称为杂质），可以使其导电性能发生显著的变化，而掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的元素不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两种。
1）P型半导体
P型半导体是在本征半导体（硅或锗）中掺入微量三价元素硼制成的。在P型半导体中，空穴的数量较多，自由电子的数量较少，主要由带正电荷的空穴参与导电。
2）N型半导体
N型半导体是在本征半导体（硅或锗）中掺入微量五价元素磷制成的。在N型半导体中，自由电子的数量较多，空穴的数量较少，主要由带负电荷的自由电子参与导电。
【点拨】
在杂质半导体中，虽然掺入的杂质很少，但是由于杂质原子提供的载流子数量远大于硅（锗）原子的载流子数量，因此杂质半导体的导电性要比本征半导体强得多。
3．PN结
1）PN结的形成
在P型（或N型）半导体的局部再掺入浓度较高的五价元素磷（或三价元素硼），可在相应的区域形成N区（或P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（即占多数的载流子）的扩散运动和少子（即占少数的载流子）的漂移运动。
【点拨】
扩散是指载流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，空穴的漂移方向与内电场的方向相同，自由电子的漂移方向与内电场的方向相反。

✈【教师】通过多媒体展示“PN结的形成”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识
P区的空穴向N区扩散，与N区的自由电子复合；N区的自由电子向P区扩散，与P区的空穴复合。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P区和N区交界面的两侧，形成了由等量正、负离子相互作用的空间电荷区，空间电荷区的内电场由N区指向P区，它对多子的扩散运动起阻碍作用。
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。
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。
2）PN结的单向导电性
✈【教师】通过多媒体展示“PN结的单向导电性”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识
当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当PN结有外加电压时，PN结会因外加电压极性的不同而处于两种状态，从而表现出两种截然不同的导电性，即呈现出单向导电性。当外加电压的正极接PN结的P区、负极接PN结的N区时，该外加电压称为正向偏置电压，此时的PN结处于正向偏置状态，简称正偏；当外加电压的正极接PN结的N区、负极接PN结的P区时，该外加电压称为反向偏置电压，此时的PN结处于反向偏置状态，简称反偏。
当PN结处于正偏时，由于外加电压产生的外电场方向与PN结的内电场方向相反，因此多子的扩散运动会得到加强，少子的漂移运动会被削弱，扩散运动与漂移运动的平衡将被打破。在外电场的作用下，多子会中和一部分空间电荷，从而使整个空间电荷区变窄，并形成较大的扩散电流。该扩散电流称为正向电流，其方向由P区指向N区。此时，PN结处于导通状态。
当PN结处于反偏时，由于外加电压产生的外电场方向与PN结产生的内电场方向相同，主要由少子的漂移运动所形成的漂移电流，将超过由多子扩散运动形成的扩散电流。该漂移电流称为反向电流，其方向由N区指向P区。由于常温下少子的数量很少，反向电流非常小，因此在近似分析时通常会忽略反向电流，认为此时的PN结不导通。
综上所述，PN结具有单向导电性，即处于正偏时，PN结的电阻很小，呈导通状态；处于反偏时，PN结的电阻很大，呈截止状态。
4.1.2 二极管
✈【教师】组织学生扫码观看“二极管”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解
1．二极管的结构
✈【教师】通过多媒体展示“二极管的结构”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识
二极管可看作是PN结物化的元件，PN结所具有的特性均可在二极管上反映出来。二极管的结构有点接触型、面接触型和平面型三种。其中，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。
点接触型二极管的特点是PN结面积小、结电容小、工作电流小，但其高频性能好，一般用于高频和小功率电路，也可作为数字电路中的开关元件；面接触型二极管的特点是PN结面积大、结电容大、工作电流大，但其工作频率较低，一般用于整流电路；平面型二极管的特点是PN结面积可大可小，PN结面积大的主要用于大功率整流电路，PN结面积小的可作为脉冲电路中的开关元件。
【点拨】
根据材料的不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管等；根据用途的不同，二极管可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光电二极管和变容二极管等。
2．二极管的伏安特性
✈【教师】通过多媒体展示“二极管的伏安特性曲线”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识
二极管的伏安特性曲线。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。
1）正向特性
当二极管的正向偏置电压较小时，二极管呈现较大的电阻，正向电流很小，几乎为零。当正向偏置电压达到某一临界值时，二极管呈现很小的电阻，二极管正向导通，此时的正向偏置电压称为阈值电压，用

表示。二极管正向导通后，随着正向偏置电压的增大，通过二极管内部的正向电流急剧增大，它与正向偏置电压之间的关系近似为一条呈指数函数变化的曲线。
【经验传承】
二极管阈值电压的大小与其材料和温度等有关。在常温下，硅二极管的阈值电压约为0.5V，锗二极管的阈值电压约为0.1V。
2）反向特性
当二极管的反向偏置电压在一定临界值内时，反向电流很小且基本不随反向偏置电压的变化而变化，这个电流称为反向饱和电流，用

表示。当反向偏置电压超出这一临界值后，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时的反向偏置电压称为反向击穿电压，用

表示。
3）温度对二极管伏安特性的影响
✈【教师】通过多媒体展示“温度对二极管伏安特性的影响”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识
二极管的伏安特性对温度非常敏感。如下图所示，随着温度的升高，二极管正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在常温附近，温度每升高1 ℃，二极管的正向电压降会减小2～2.5 mV；温度每升高10 ℃，二极管的反向电流会增大约1倍。
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3．二极管的主要参数
✈【教师】组织学生扫码观看“二极管的应用”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解
二极管的参数是表征二极管性能及适用范围的重要指标，是选择、使用二极管的主要依据。二极管的主要参数有最大整流电流、最大反向工作电压、反向电流和最高工作频率等。
（1）最大整流电流。最大整流电流

是指二极管在长期工作时所允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过此值，否则二极管容易因过热而损坏。
（2）最大反向工作电压。最大反向工作电压

是指二极管在工作时所允许的最大反向偏置电压。若反向偏置电压超过此值，则二极管可能会被击穿。通常，取反向击穿电压

的一半作为

。

数值较大的二极管称为高反压二极管。
（3）反向电流。反向电流

是指二极管未击穿时的反向电流。

越小，二极管的单向导电性越好。

受温度的影响很大，它会随着温度的升高而逐渐增大。
（4）最高工作频率。最高工作频率

是指加在二极管两端的交流电压所允许的最高频率。在使用二极管时，若加在其两端的交流电压的频率超过此值，则二极管的单向导电性将会降低甚至丧失。

主要取决于PN结结电容的大小，结电容越大，

越低。
【学生】聆听、思考、理解、记录

课堂实践

【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作
1）判断二极管引脚的极性
（1）将数字万用表置于欧姆挡

位置并校准。
（2）用数字万用表测量二极管两个引脚之间的电阻，其值为 Ω。
（3）保持二极管不动，调换数字万用表红、黑表笔的测量位置，再次测量二极管两个引脚之间的电阻，其值为 Ω。
（4）根据所测电阻，确定并标记二极管引脚的极性。
二极管的正、反向电阻相差越大越好。测试中若发现二极管的正、反向电阻均为无穷大，则说明二极管内部开路；若正、反向电阻均接近0，则说明二极管内部短路（PN结被击穿）；若正、反向电阻差别很小，则说明二极管已经失去单向导电性，不能使用。
2）用逐点法测试二极管的正向特性
（1）连接电路。
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