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課題 |
二極管及其應用（一）——認識二極管 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 課時 | 2課時（90min） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學目標 |
知識技能目標： （1）掌握本征半導體、雜質半導體和PN結的知識 （2）掌握二極管的結構、伏安特性和主要參數 （3）能夠正確測試二極管的伏安特性 素質目標： （1）樹立新時代社會主義青年的歷史使命感和社會責任感 （2）堅定實現中華民族偉大復興的中國夢的理想信念 |
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| 教學重難點 |
教學重點：本征半導體、雜質半導體和PN結的知識，二極管的結構、伏安特性和主要參數 教學難點：正確測試二極管的伏安特性 |
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| 教學方法 | 案例分析法、問答法、討論法、講授法 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學用具 | 電腦、投影儀、多媒體課件、教材 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學過程 | 主要教學內容及步驟 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 課前任務 |
【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯系，組織學生下載“任務工單——調測試二極管的伏安特性”，并根據任務工單進行組內分工，同時提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，了解二極管的相關知識 【學生】完成課前任務 |
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| 考勤 |
【教師】簽到 【學生】班干部報請假人員及原因 |
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| 任務導入 |
【教師】提出以下問題： 什么是二極管？二極管具有哪些作用？ 【學生】思考、舉手回答 |
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| 傳授新知 |
【教師】通過學生的回答引入要講的知識，介紹半導體和二極管等內容 4.1.1 半導體概述 半導體是導電性介于導體和絕緣體之間的物質。它是制造半導體元器件的主要材料，當其受到外界的光和熱，或者在其內部摻入其他微量元素后，其導電性會發生顯著的變化。 1．本征半導體 ✈【教師】通過多媒體展示“本征半導體”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 本征半導體是指完全純凈的、具有晶體結構的半導體。在半導體元器件中，用得最多的本征半導體是硅和鍺。硅和鍺都是四價元素，每一個硅（鍺）原子與相鄰的四個原子之間通過成對的價電子形成了共價鍵。當本征半導體在溫度升高或受到光照時，這些價電子中的一部分會從外界獲得一定能量，從而掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，同時共價鍵中將會留下一個空位，這個空位稱為空穴。 由于空穴的出現，附近共價鍵中的價電子很容易在獲取能量后去填補空穴，而在原共價鍵中產生新的空穴，其他的價電子又可能來填補新的空穴，因此共價鍵中就產生了電荷的移動。受共價鍵束縛的價電子參與導電的機理與自由電子有所不同，為了區分這兩種電子的運動，通常用空穴的運動來代替共價鍵中價電子的運動，將空穴看成是帶正電荷的粒子，它所帶的電荷與電子所帶的電荷大小相等、極性相反。 在外加電場的作用下，自由電子和空穴都是能夠承載定向電流的帶電粒子，它們統稱為載流子。 【點撥】 在本征半導體中，自由電子和空穴這兩種載流子的數量相等。由于載流子的總數量很少，因此本征半導體的導電性不強。 2．雜質半導體 在本征半導體中人為地摻入其他微量元素（稱為雜質），可以使其導電性能發生顯著的變化，而摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。根據摻入雜質的元素不同，雜質半導體可分為P型半導體和N型半導體兩種。 1）P型半導體 P型半導體是在本征半導體（硅或鍺）中摻入微量三價元素硼制成的。在P型半導體中，空穴的數量較多，自由電子的數量較少，主要由帶正電荷的空穴參與導電。 2）N型半導體 N型半導體是在本征半導體（硅或鍺）中摻入微量五價元素磷制成的。在N型半導體中，自由電子的數量較多，空穴的數量較少，主要由帶負電荷的自由電子參與導電。 【點撥】 在雜質半導體中，雖然摻入的雜質很少，但是由于雜質原子提供的載流子數量遠大于硅（鍺）原子的載流子數量，因此雜質半導體的導電性要比本征半導體強得多。 3．PN結 1）PN結的形成 在P型（或N型）半導體的局部再摻入濃度較高的五價元素磷（或三價元素硼），可在相應的區域形成N區（或P區）。由于P區的空穴多于自由電子，N區的自由電子多于空穴，因此在P區和N區的交界面附近將產生多子（即占多數的載流子）的擴散運動和少子（即占少數的載流子）的漂移運動。 【點撥】 擴散是指載流子由濃度高的一側向濃度低的一側運動；漂移是指載流子在電場的作用下做定向移動，空穴的漂移方向與內電場的方向相同，自由電子的漂移方向與內電場的方向相反。 ✈【教師】通過多媒體展示“PN結的形成”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 P區的空穴向N區擴散，與N區的自由電子復合；N區的自由電子向P區擴散，與P區的空穴復合。這種擴散運動使N區失掉自由電子產生正離子，P區得到自由電子產生負離子，結果在P區和N區交界面的兩側，形成了由等量正、負離子相互作用的空間電荷區，空間電荷區的內電場由N區指向P區，它對多子的擴散運動起阻礙作用。 空間電荷區的出現有助于內電場中少子的漂移運動。因此，在內電場作用下，N區的空穴向P區漂移，P區的自由電子向N區漂移，最終使空間電荷區變窄，內電場被削弱。 擴散運動與漂移運動是相互聯系又相互對立的，當兩者的運動達到動態平衡時，空間電荷區的寬度便基本穩定下來了，這種具有穩定寬度的空間電荷區稱為PN結。 2）PN結的單向導電性 ✈【教師】通過多媒體展示“PN結的單向導電性”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 當PN結無外加電壓時，擴散運動和漂移運動處于動態平衡，通過PN結的電流為零。當PN結有外加電壓時，PN結會因外加電壓極性的不同而處于兩種狀態，從而表現出兩種截然不同的導電性，即呈現出單向導電性。當外加電壓的正極接PN結的P區、負極接PN結的N區時，該外加電壓稱為正向偏置電壓，此時的PN結處于正向偏置狀態，簡稱正偏；當外加電壓的正極接PN結的N區、負極接PN結的P區時，該外加電壓稱為反向偏置電壓，此時的PN結處于反向偏置狀態，簡稱反偏。 當PN結處于正偏時，由于外加電壓產生的外電場方向與PN結的內電場方向相反，因此多子的擴散運動會得到加強，少子的漂移運動會被削弱，擴散運動與漂移運動的平衡將被打破。在外電場的作用下，多子會中和一部分空間電荷，從而使整個空間電荷區變窄，并形成較大的擴散電流。該擴散電流稱為正向電流，其方向由P區指向N區。此時，PN結處于導通狀態。 當PN結處于反偏時，由于外加電壓產生的外電場方向與PN結產生的內電場方向相同，主要由少子的漂移運動所形成的漂移電流，將超過由多子擴散運動形成的擴散電流。該漂移電流稱為反向電流，其方向由N區指向P區。由于常溫下少子的數量很少，反向電流非常小，因此在近似分析時通常會忽略反向電流，認為此時的PN結不導通。 綜上所述，PN結具有單向導電性，即處于正偏時，PN結的電阻很小，呈導通狀態；處于反偏時，PN結的電阻很大，呈截止狀態。 4.1.2 二極管 ✈【教師】組織學生掃碼觀看“二極管”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解 1．二極管的結構 ✈【教師】通過多媒體展示“二極管的結構”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 二極管可看作是PN結物化的元件，PN結所具有的特性均可在二極管上反映出來。二極管的結構有點接觸型、面接觸型和平面型三種。其中，從二極管的P區引出的引腳稱為陽極，從N區引出的引腳稱為陰極。 點接觸型二極管的特點是PN結面積小、結電容小、工作電流小，但其高頻性能好，一般用于高頻和小功率電路，也可作為數字電路中的開關元件；面接觸型二極管的特點是PN結面積大、結電容大、工作電流大，但其工作頻率較低，一般用于整流電路；平面型二極管的特點是PN結面積可大可小，PN結面積大的主要用于大功率整流電路，PN結面積小的可作為脈沖電路中的開關元件。 【點撥】 根據材料的不同，二極管可分為硅二極管和鍺二極管等；根據用途的不同，二極管可分為普通二極管、整流二極管、穩壓二極管、光電二極管和變容二極管等。 2．二極管的伏安特性 ✈【教師】通過多媒體展示“二極管的伏安特性曲線”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 二極管的伏安特性曲線。根據外加電壓極性的不同，其伏安特性曲線可分為正向特性和反向特性兩部分。 1）正向特性 當二極管的正向偏置電壓較小時，二極管呈現較大的電阻，正向電流很小，幾乎為零。當正向偏置電壓達到某一臨界值時，二極管呈現很小的電阻，二極管正向導通，此時的正向偏置電壓稱為閾值電壓，用  表示。二極管正向導通后，隨著正向偏置電壓的增大，通過二極管內部的正向電流急劇增大，它與正向偏置電壓之間的關系近似為一條呈指數函數變化的曲線。【經驗傳承】 二極管閾值電壓的大小與其材料和溫度等有關。在常溫下，硅二極管的閾值電壓約為0.5V，鍺二極管的閾值電壓約為0.1V。 2）反向特性 當二極管的反向偏置電壓在一定臨界值內時，反向電流很小且基本不隨反向偏置電壓的變化而變化，這個電流稱為反向飽和電流，用  表示。當反向偏置電壓超出這一臨界值后，反向電流急劇增大，這種現象稱為反向擊穿，此時的反向偏置電壓稱為反向擊穿電壓，用 表示。3）溫度對二極管伏安特性的影響 ✈【教師】通過多媒體展示“溫度對二極管伏安特性的影響”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 二極管的伏安特性對溫度非常敏感。如下圖所示，隨著溫度的升高，二極管正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。在常溫附近，溫度每升高1 ℃，二極管的正向電壓降會減小2～2.5 mV；溫度每升高10 ℃，二極管的反向電流會增大約1倍。  3．二極管的主要參數 ✈【教師】組織學生掃碼觀看“二極管的應用”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解 二極管的參數是表征二極管性能及適用范圍的重要指標，是選擇、使用二極管的主要依據。二極管的主要參數有最大整流電流、最大反向工作電壓、反向電流和最高工作頻率等。 （1）最大整流電流。最大整流電流  是指二極管在長期工作時所允許通過的最大正向電流。在規定的散熱條件下，二極管的正向平均電流不能超過此值，否則二極管容易因過熱而損壞。（2）最大反向工作電壓。最大反向工作電壓  是指二極管在工作時所允許的最大反向偏置電壓。若反向偏置電壓超過此值，則二極管可能會被擊穿。通常，取反向擊穿電壓的一半作為。數值較大的二極管稱為高反壓二極管。（3）反向電流。反向電流  是指二極管未擊穿時的反向電流。 越小，二極管的單向導電性越好。受溫度的影響很大，它會隨著溫度的升高而逐漸增大。（4）最高工作頻率。最高工作頻率  是指加在二極管兩端的交流電壓所允許的最高頻率。在使用二極管時，若加在其兩端的交流電壓的頻率超過此值，則二極管的單向導電性將會降低甚至喪失。 主要取決于PN結結電容的大小，結電容越大，越低。【學生】聆聽、思考、理解、記錄 |
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| 課堂實踐 |
【教師】準備器材，帶領學生到實驗室進行試驗操作 1）判斷二極管引腳的極性 （1）將數字萬用表置于歐姆擋  位置并校準。（2）用數字萬用表測量二極管兩個引腳之間的電阻，其值為 Ω。 （3）保持二極管不動，調換數字萬用表紅、黑表筆的測量位置，再次測量二極管兩個引腳之間的電阻，其值為 Ω。 （4）根據所測電阻，確定并標記二極管引腳的極性。 二極管的正、反向電阻相差越大越好。測試中若發現二極管的正、反向電阻均為無窮大，則說明二極管內部開路；若正、反向電阻均接近0，則說明二極管內部短路（PN結被擊穿）；若正、反向電阻差別很小，則說明二極管已經失去單向導電性，不能使用。 2）用逐點法測試二極管的正向特性 （1）連接電路。  （2）調節直流穩壓電源，使其輸出電壓為5V。 （3）調節電位器  ，用數字萬用表監測二極管兩引腳之間的電壓 ，使其按照表4-3所示的數值變化。每調整到一個電壓后，讀取電路中毫安表的示數 ，并將其填入表4-3中。表4-3 二極管正向特性測試數據
（1）將二極管反接。  （2）調節直流穩壓電源，使其輸出電壓為20V。 （3）調節電位器  ，用數字萬用表監測二極管兩引腳之間的電壓，使其按照表4-4所示的數值變化。每調整到一個電壓后，讀取電路中毫安表的示數 ，并將其填入表4-4中。表4-4 二極管反向特性測試數據
根據表4-3和表4-4的測試數據，在圖中繪制二極管的伏安特性曲線。  ……（詳見教材） 【學生】以小組為單位進行試驗，根據分工填寫“任務工單——測試二極管的伏安特性” 【教師】巡堂輔導，及時解決學生遇到的問題，根據學生表現填寫考核評價表 |
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| 探索活動 |
【教師】組織學生以小組為單位完成以下任務： 根據二極管的伏安特性，分析二極管的應用場合，列舉二極管的實際應用案例。 【學生】分析、討論，由小組代表上臺發表討論結果 【教師】與學生一起評價各組的發言，并進行總結 |
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| 課堂小結 |
【教師】簡要總結本節課的要點 本征半導體、雜質半導體和PN結 二極管的結構、伏安特性和主要參數 測試二極管的伏安特性 【學生】總結回顧知識點 |
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