項目半導(dǎo)體器件的識別與檢測陳振源第1頁/共42頁

半導(dǎo)體器件是指用半導(dǎo)體材料制成的電子器件，常用的有二極管、三極管、場效晶體管等。半導(dǎo)體器件是組成電子線路中的重要元器件。通過項目1的學(xué)習(xí)，要求能識別常用半導(dǎo)體器件的類型、型號和規(guī)格，能按規(guī)定的程序和方法對器件進(jìn)行有效檢測。

1.1半導(dǎo)體的基本特性

1.3特殊二極管

1.5

場效晶體管

1.2二極管

1.4三極管

第2頁/共42頁

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。目前用來制造半導(dǎo)體器件的材料主要是鍺和硅，它們都是4價元素，具有晶體結(jié)構(gòu)，如圖所示。

在常溫下，大多數(shù)的價電子均被束縛在原子周圍，不易自由移動。所以導(dǎo)電能力也較弱。1.1半導(dǎo)體的基本特性半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖

第3頁/共42頁1.1.1半導(dǎo)體的主要特性

1．摻雜性

在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的3價或5價元素，則它的導(dǎo)電性能將大大增強。應(yīng)用摻雜技術(shù)可以制造出晶體二極管、晶體三極管、場效晶體管、晶閘管和集成電路等半導(dǎo)體器件。

2．熱敏性

溫度對半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響很大。溫度越高，價電子獲得的能量越大，掙脫共價鍵束縛成為自由電子和空穴對就越多，導(dǎo)電能力就越強。利用半導(dǎo)體的熱敏性，可以制成熱敏電阻及其它熱敏元件，常用于自動控制電路中。

3．光敏性

半導(dǎo)體受到光照時，自由電子和空穴對數(shù)量會增多，導(dǎo)電能力隨之增強，這就是半導(dǎo)體的光敏性。利用這種特性能制造各種光敏器件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光控晶閘管和光電池等。

第4頁/共42頁

1.1.2P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體

1．P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素。這類摻雜后導(dǎo)體的特點是：空穴數(shù)量多，自由電子數(shù)量少，參與導(dǎo)電的主要是帶正電的空穴，故又稱為空穴半導(dǎo)體。

2．N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體是在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量磷、砷等5價元素，這類雜質(zhì)半導(dǎo)體特點是：自由電子數(shù)量多，空穴數(shù)量少，參與導(dǎo)電的主要是帶負(fù)電的自由電子，故又稱為電子半導(dǎo)體。第5頁/共42頁1.2.1二極管的封裝與電氣圖形符號用于電視機、收音機、電源裝置等電子產(chǎn)品中的各種不同外形的二極管如下圖所示。二極管通常用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，外殼上一般印有標(biāo)記以便區(qū)別正負(fù)電極。

塑料封裝二極管金屬封裝二極管玻璃封裝二極管

二極管電氣圖形符號

1.2二極管黑環(huán)為負(fù)極白環(huán)為負(fù)極接線端為負(fù)極第6頁/共42頁1.2.2二極管的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電特性

1．結(jié)構(gòu)在P型與N型半導(dǎo)體的交界面會形成一個具有特殊電性能的薄層，稱為PN結(jié)。從P區(qū)引出的電極作為正極，從N區(qū)引出的電極作為負(fù)極。

2．導(dǎo)電特性為了觀察二極管的導(dǎo)電特性，將二極管串聯(lián)到電池和小燈泡組成的電路中。

（a）（b）按圖（a）連接電路，此時小燈泡亮，表示二極管加正向電壓而導(dǎo)通。按圖（b）連接電路，此時小燈泡不亮，表示二極管加反向電壓而截止。通過觀察以上實驗證實，二極管具有單向?qū)щ娦?。?頁/共42頁

1.2.3二極管特性曲線

二極管的電流iD與加在二極管兩端的電壓vD的關(guān)系曲線，稱為二極管伏安特性曲線。利用晶體管特性圖示儀能十分方便測量獲得二極管的伏安特性曲線。

晶體管特性圖示儀二極管伏安特性曲線第8頁/共42頁1．正向特性

（1）死區(qū)：當(dāng)二極管外加正向電壓較小時，正向電流幾乎為零，稱為正向特性的死區(qū)。

（2）正向?qū)▍^(qū)：當(dāng)二極管正向電壓大于死區(qū)電壓Vth時，電流隨電壓增加，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

（3）導(dǎo)通電壓：硅二極管約為0.7V，鍺二極管約為0.3V。

2．反向特性

（1）反向截止區(qū)：

當(dāng)二極管承受的反向電壓未達(dá)到擊穿電壓V（BR）時，二極管呈現(xiàn)很大電阻，此時僅有很微小的反向電流IR，該電流稱之為反向飽和電流。

（2）反向擊穿區(qū)：

當(dāng)二極管承受的反向電壓已達(dá)到擊穿電壓V（BR）時，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。第9頁/共42頁

1．二極管型號

國產(chǎn)二極管的型號由五部分組成。

第一部分是數(shù)字“2”，表示二極管。

第二部分是用拼音字母表示管子的材料。

A——N型鍺材料，B——P型鍺材料，

C——N型硅材料，D——P型硅材料。

第三部分是用拼音字母表示管子的類型。

第四部分用數(shù)字表示器件的序號。

第五部分用拼音字母表示規(guī)格號。1.2.4二極管使用常識2AP1

二極管N型鍺材料普通管器件序號二極管型號的讀識第10頁/共42頁2．二極管的主要參數(shù)

最大整流電流IFM：是管子長期運行時允許通過的最大正向平均電流。

最高反向工作電壓VRM

：又稱額定工作電壓，它是保證二極管不至于反向擊穿而規(guī)定的最高反向電壓。

反向飽和電流IR

：它指管子未進(jìn)入擊穿區(qū)的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?/p>

最高工作頻率fM

：是保證管子正常工作的最高頻率。第11頁/共42頁3．二極管的選用

按材料分類，二極管主要有鍺二極管和硅二極管兩大類。前者內(nèi)部多為點接觸型結(jié)構(gòu)，允許的工作溫度較低，只能在100℃以下工作；后者內(nèi)部多為面接觸型或平面型結(jié)構(gòu)，允許的工作溫度較高，有的可達(dá)150~200℃。

檢波二極管（如2AP等系列）的IFM較小，fM一般較高，主要用于信號檢測、取樣、小電流整流等。

整流二極管（2CZ、2DZ等系列）的IFM較大，fM很低，廣泛使用在各種電源設(shè)備中作整流元件。

開關(guān)二極管（2AK、2CK等系列）一般IFM較小，fM較高，用于數(shù)字電路和控制電路中。

檢波二極管整流二極管開關(guān)二極管第12頁/共42頁4．萬用表檢測二極管的好壞

將萬用表撥到電阻擋的R×100或R×1k，，將萬用表的紅、黑表筆分別接在二極管兩端，若測得電阻比較小(幾kΩ以下)，再將紅、黑表筆對調(diào)后連接在二極管兩端，而測得的電阻比較大(幾百kΩ)，說明二極管具有單向?qū)щ娦?，質(zhì)量良好。測得電阻小的那一次黑表筆接的是二極管的正極。

如果測得二極管的正、反向電阻都很小，甚至為零，表示管子內(nèi)部已短路。如果測得二極管的正、反向電阻都很大，則表示管子內(nèi)部已斷路。第13頁/共42頁

1.3特殊二極管

整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管具有相似的伏安特性曲線，均屬于普通二極管。為了適應(yīng)各種不同功能的要求，許多特殊二極管應(yīng)運而生，如穩(wěn)壓管、發(fā)光管、光電管等。

1.3.1穩(wěn)壓管

1．工作特性及應(yīng)用

穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，實物外形見下圖。通常用文字“V”代表，它是一種用特殊工藝制造的硅二極管，只要反向電流不超過極限電流，管子工作在擊穿區(qū)并不會損壞，屬可逆擊穿，這與普通二極管破壞性擊穿是截然不同的。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)域時，利用其陡峭的反向擊穿特性在電路中起穩(wěn)定電壓作用。

穩(wěn)壓管的外形及電路符號第14頁/共42頁

穩(wěn)壓管的伏安特性曲線如的正向特性與普通二極管相同。

反向特性曲線在擊穿區(qū)域比普通二極管更陡直，這表明穩(wěn)壓管擊穿后，通過管子的電流變化(ΔIz)很大，而管子兩端電壓變化(ΔVz)很小，或說管子兩端電壓基本保持一個固定值。

穩(wěn)壓管在電路中主要功能是起穩(wěn)壓作用。

穩(wěn)壓管的伏安特性曲線正向特性擊穿特性第15頁/共42頁2．穩(wěn)壓管主要參數(shù)

穩(wěn)定電壓VZ

指穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。穩(wěn)定電流IZ

指管子在正常工作時的參考電流值，其值在穩(wěn)壓區(qū)域的最大電流IZmax與最小電流IZmin之間。當(dāng)流過管子的電流小于IZmin時管子不能起穩(wěn)壓作用。最大穩(wěn)定電流IZmax

指穩(wěn)壓管最大工作電流，超過IZmax時，管子將過熱損壞。耗散功率PZM

指管子不致因熱擊穿而損壞的最大耗散功率。它近似等于穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流的乘積，即PZM=VZ·IZmax。動態(tài)電阻rZ

反映穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

溫度系數(shù)k

溫度系數(shù)反映由溫度變化引起的穩(wěn)定電壓變化。

第16頁/共42頁【準(zhǔn)備器材】直流穩(wěn)壓電源、電流表、電壓表、穩(wěn)壓管、電阻（1kΩ/0.5W）、電位器（1kΩ/0.5W）?！緞邮謱嵺`】（1）按下圖連接，將電位器阻值調(diào)整在500Ω左右。（2）根據(jù)給定穩(wěn)壓管的型號查穩(wěn)定電流值Iz（常見的有2.5mA、5mA、10mA等）。（3）首先粗調(diào)直流穩(wěn)壓電源，從0V開始調(diào)高電壓，調(diào)到電流表顯示在Iz附近。（4）然后細(xì)調(diào)電位器Rp，使電流表讀數(shù)等于Iz，此時穩(wěn)壓管兩端測得的電壓值即為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值的測量電路第17頁/共42頁1.3.2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種把電能變成光能的半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管由磷化鎵、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成，電路符號和實物照片見下圖。

當(dāng)給發(fā)光二極管加上偏壓，有一定的電流流過時二極管就會發(fā)光，這是由于PN結(jié)的電子與空穴直接復(fù)合放出能量的結(jié)果。發(fā)光二極管的種類很多，按發(fā)光的顏色可分為：紅色、藍(lán)色、黃色、綠色，還有三色變色發(fā)光二極管和眼睛看不見的紅外光二極管；按外形可分為：圓形、方形等。

發(fā)光二極管電路符號發(fā)光二極管實物圖第18頁/共42頁

●發(fā)光二極管的管腳引線以較長者為正極，較短者為負(fù)極。如管帽上有凸起標(biāo)志，那么靠近凸起標(biāo)志的管腳就為正極。

●發(fā)光二極管好壞的判別可用萬用表的R×10k擋測其正、反向阻值，當(dāng)正向電阻小于50kΩ，反向電阻大于200kΩ時均為正常。如正、反向電阻均為無窮大，表明此管已壞。

應(yīng)用提示

第19頁/共42頁

1.3.3光電二極管

光電二極管又稱為光敏二極管。光電二極管也是由一個PN結(jié)構(gòu)成，但是它的PN結(jié)面積較大，通過管殼上的一個玻璃窗口來接收入射光。

當(dāng)沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很?。划?dāng)有光照射時，反向電阻減小，反向電流增大。

光電二極管電路符號光電二極管元件外形

第20頁/共42頁第21頁/共42頁

晶體三極管簡稱三極管，是一種利用輸入電流控制輸出電流的電流控制型器件，它由兩個PN結(jié)構(gòu)成的三個電極半導(dǎo)體器件，在電路中主要作為放大和開關(guān)元件使用。

1.4.1結(jié)構(gòu)與分類

1．外形近年來生產(chǎn)的小、中功率管多采用硅酮塑料封裝；大功率三極管多采用金屬封裝，通常做成扁平形狀并有螺釘安裝孔，有的大功率管制成螺栓形狀。1.4三極管

塑料封裝小功率管塑料封裝中功率管金屬封裝小功率管金屬封裝大功率管第22頁/共42頁

2.結(jié)構(gòu)

三極管的核心是兩個互相聯(lián)系的PN結(jié)，按兩個PN結(jié)的組合方式不同，可分為NPN型和PNP型兩類。

三極管內(nèi)部有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，引出電極分別為發(fā)射極e、基極b、集電極c。發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。PNP型三極管NPN型三極管第23頁/共42頁3.分類三極管的種類很多，通常按以下方法進(jìn)行分類：按半導(dǎo)體制造材料可分為：硅管和鍺管。硅管受溫度影響較小、工作穩(wěn)定，因此在自動控制設(shè)備中常用硅管。按三極管內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)可分為：NPN型和PNP型兩類。目前我國制造的硅管多為NPN型(也有少量PNP型)，鍺管多為PNP型。按工作頻率可分為：高頻管和低頻管。工作頻率高于3MHz為高頻管，工作頻率在3MHz以下為低頻管。按功率可分為：小功率管和大功率管。耗散功率小于1W為小功率管，耗散功率大于1W為大功率管。按用途可分為：普通放大三極管和開關(guān)三極管等。第24頁/共42頁1.4.2三極管的電流放大作用

1．三極管放大條件

發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。

2．三極管的電流放大作用

IE=IC+IB

β

=Δ

IC/ΔIB

當(dāng)ΔIB有一微小變化，就能引起ΔIC較大的變化，這種現(xiàn)象稱為三極管的電流放大作用。第25頁/共42頁

在實際放大電路中，除了共發(fā)射極聯(lián)接方式外，還有共集電極和共基極聯(lián)接方式。

共發(fā)射極聯(lián)接共基極聯(lián)接共集電極聯(lián)接第26頁/共42頁1.4.3三極管的特性曲線

1．輸人特性曲線輸人特性曲線是反映三極管輸人回路電壓和電流關(guān)系的曲線，它是在輸出電壓VCE為定值時，iB與vBE對應(yīng)關(guān)系的曲線。

輸人特性曲線當(dāng)輸入電壓vBE較小時，基極電流iB很小，通常近似為零。

當(dāng)vBE大于三極管的死區(qū)電壓vth后，iC開始上升。

三極管正常導(dǎo)通時，硅管VBE約為0.7V，鍺管約為0.3V，此時的VBE值稱為三極管工作時的發(fā)射結(jié)正向壓降。

第27頁/共42頁2．輸出特性曲線

輸出特性曲線是反映三極管輸出回路電壓與電流關(guān)系的曲線，是指基極電流IB為某一定值時，集電極電流IC與集電極電壓VCE對應(yīng)關(guān)系的曲線。

（1）截止區(qū)習(xí)慣把IB=0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于三極管內(nèi)部各極開路。在截止區(qū)，三極管發(fā)射結(jié)反偏或零偏，集電結(jié)反偏。

（2）放大區(qū)它是三極管發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時的工作區(qū)域。最主要特點是IC受IB控制，具有電流放大作用。

（3）飽和區(qū)當(dāng)VCE小于VBE時，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正偏，此時IC已不再受IB控制。此時管子的集電極—發(fā)射極間呈現(xiàn)低電阻，相當(dāng)于開關(guān)閉合。

輸出特性曲線第28頁/共42頁1.4.4三極管的使用常識

三極管的類型非常多，從晶體管手冊可以查找到三極管的型號，主要用途、主要參數(shù)和器件外形等，這些技術(shù)資料是正確使用三極管的依據(jù)。

三極管型號的讀識1．三極管型號

國產(chǎn)三極管的型號由五部分組成。

第一部分是數(shù)字“3”，表示三極管。

第二部分是用拼音字母表示管子的材料和極性。

A——PNP鍺材料，B——NPN鍺材料，

C——PNP硅材料，D——NPN硅材料。

第三部分是用拼音字母表示管子的類型。

X——低頻小功率管，G——高頻小功率管，

D——低頻大功率管，A——高頻大功率管。

第四部分用數(shù)字表示器件的序號。

第五部分用拼音字母表示規(guī)格號。3AG54A三極管NP鍺材料高頻小功率序號規(guī)格號第29頁/共42頁

2．三極管的主要參數(shù)

（1）直流參數(shù)反映三極管在直流狀態(tài)下的特性。直流電流放大系數(shù)hFE

用于表征管子IC與IB的分配比例。集—基反向飽和電流ICBO

它是指三極管發(fā)射極開路時，流過集電結(jié)的反向漏電電流。ICBO大的三極管工作的穩(wěn)定性較差。

ICBO測量電路ICEO測量電路集—射反向飽和電流ICEO

它是指三極管的基極開路，集電極與發(fā)射極之間加上一定電壓時的集電極電流。ICEO是ICBO的(1+β)倍，所以它受溫度影響不可忽視。

第30頁/共42頁

（2）交流參數(shù)是反映三極管交流特性的主要指標(biāo)。

交流電流放大倍數(shù)hfe

通常也寫為?，用于表征管子對交流信號的電流放大能力。

共發(fā)射極特征頻率fT

三極管的?值下降到1時，所對應(yīng)的信號頻率稱為共發(fā)射極特征頻率，它是表征三極管高頻特性的重要參數(shù)。

（3）極限參數(shù)三極管有使用極限值，如果超出范圍則無法保證管子正常工作。

集電極最大允許電流ICM

若三極管的工作電流超過ICM，其?值將下降到正常值的2/3以下。

集電極最大允許耗散功率PCM

它是三極管的最大允許平均功率。

集—射反向擊穿電壓V（BR）CEO

它是基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。若管子的VCE超過V（BR）CEO，會引起電擊穿導(dǎo)致管子損壞。

第31頁/共42頁第32頁/共42頁

場效晶體管則是一種電壓控制型器件，是利用輸入電壓產(chǎn)生電場效應(yīng)來控制輸出電流，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、耗電省等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。

1.5.1MOS場效晶體管的基本結(jié)構(gòu)絕緣柵場效晶體管（MOS管）分為增強型和耗盡型兩類，各類又有P溝道和N溝道兩種。1.5場效晶體管N溝道增強型絕緣柵場效晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號P溝道增強型絕緣柵場效晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號第33頁/共42頁N溝道增強型絕緣柵場效晶體管是用一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，B為襯底引線。在硅片上面擴散兩個高濃度N型區(qū)(圖中N+區(qū))，各用金屬線引出電極，分別稱為源極s和漏極d，在硅片表面生成一層薄薄的二氧化硅絕緣層，絕緣層上再制作一層鋁金屬膜作為柵極g。

如果制作場效晶體管采用N型硅作襯底，漏極、源極為P+型區(qū)的引腳，則導(dǎo)電溝道為P型。觀察絕緣柵場效晶體管的電路符號時應(yīng)注意：若d極與s極之間是三段斷續(xù)線，表示為增強型；若是連續(xù)線表示為耗盡型。箭頭向內(nèi)表示為N溝道，反之為P溝道。場效晶體管外形圖第34頁/共42頁

1.5.2MOS場效晶體管的電壓控制原理

在N溝道增強型場效晶體管的漏極d與源極s之間加上工作電壓VDS后，管子的輸出電流ID就受柵源電壓VGS的控制。

當(dāng)柵源之間的電壓VGS=0時，由于漏極d與襯底B之間的PN結(jié)處于反向偏置，漏源極間無導(dǎo)電溝道，因此漏極電流ID=0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)VGS增加至某個臨界電壓時，感應(yīng)電子層將兩個分離的N+區(qū)接通，形成N型導(dǎo)電溝道，于是產(chǎn)生漏極電流ID，管子開始導(dǎo)通。

繼續(xù)加大VGS，導(dǎo)電溝道就會愈寬，輸出電流ID也就愈大。

增強型場效晶體管的工作電路

第35頁/共42頁1．主要參數(shù)（1）開啟電壓VGS(th)

指VDS為定值時，使增強型絕緣柵場效應(yīng)管開始導(dǎo)通的柵源電壓。（2）夾斷電壓VGS(off)

指VDS為定值時，使耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管處于剛開始截止的柵源電壓，N溝道管子的VGS(off)為負(fù)值，屬耗盡型場效應(yīng)管的參數(shù)。（3）低頻跨導(dǎo)gm

指VDS為定值時，柵源輸入信號vgs與由它引起的漏極電流id之比，這是表征柵源電壓vgs對漏極電流id控制作用大小的重要參數(shù)。（4）最高工作頻率fM

它是保證管子正常工作的頻率最高限額。場效應(yīng)管三個電極間存在極間電容，極間電容小的管子最高工作頻率高，工作速度快。（5）漏源擊穿電壓V(BR)DS

指漏源極之間允許加的最大電壓，實際電壓值超過該參數(shù)時，會使PN結(jié)反向擊穿。（6）最大耗散功率PDSM

指ID與VDD的乘積不應(yīng)超過的極限值，是從發(fā)熱角度對管子提出的限制條件。

1.5.3場效晶體管的主要參數(shù)及使用注意事項第36頁/共42頁應(yīng)用提示

●存放絕緣柵場效應(yīng)管時要將三個電極短路，取用管子時應(yīng)注意人體靜電對柵極的感應(yīng)，可在手腕上套一接地的金屬箍。

●焊接絕緣柵場效應(yīng)管時，電烙鐵必須要有外接地線，或切斷電源利用電烙鐵的余熱焊接，以防烙鐵漏電損壞管子。焊接時應(yīng)先焊源極，其次焊漏極，最后焊柵極。

●要拆焊電路板上的場效應(yīng)管，應(yīng)先將電路板的工作電源關(guān)閉，不允許電路通電時用烙鐵進(jìn)行焊接操作。

2.使用注意事項第37頁/共42頁

項目小結(jié)

1．半導(dǎo)體具有熱敏性、光敏性和摻雜性，因而成為制造電子元器件的關(guān)鍵材料。

2．二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成，其最主要的特性是具有單向?qū)щ娦?，二極管的特性可由伏安特性曲線準(zhǔn)確描述。選用二極管必須考慮最大整流電流、最高反向工作電壓兩個主要參數(shù)，工作于高頻電路時還應(yīng)考慮最高工作頻率。

3．特殊二