項(xiàng)目六常見半導(dǎo)體器件2024年12月校訓(xùn)：志存高遠(yuǎn)

技能報(bào)國(guó)【任務(wù)導(dǎo)入】電子技術(shù)中常用的元器件一般都是由半導(dǎo)體材料制成的，因而稱為半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件是在20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，具有體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、輸入功率小及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。二極管和三極管是構(gòu)成集成電路的基礎(chǔ)單元，被廣泛應(yīng)用于各種電子電路中?！窘虒W(xué)目標(biāo)】知識(shí)目標(biāo)（1）掌握

PN

結(jié)的單向?qū)щ娦?。?）理解二極管的伏安特性曲線。（3）理解二極管、三極管的基本結(jié)構(gòu)和基本特性。（4）熟練掌握二極管、三極管的符號(hào)及用途。

能力目標(biāo)（1）能夠識(shí)別二極管的管腳，判斷二極管的好壞。（2）能夠區(qū)分三極管的類別，判斷三極管的管腳。

素質(zhì)目標(biāo)（1）養(yǎng)成在使用元器件前，先對(duì)元器件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的習(xí)慣。（2）在學(xué)習(xí)過程中做到認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。

思政目標(biāo)介紹我國(guó)在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的重大突破和成就，如華為海思的麒麟芯片、中芯國(guó)際的先

進(jìn)制程技術(shù)等。通過這些實(shí)例，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到我國(guó)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上的快速發(fā)展和創(chuàng)新能力，

激發(fā)他們的民族自豪感和愛國(guó)情懷。重難點(diǎn)（1）二極管、三極管的識(shí)別與檢測(cè)。（2）二極管的單向?qū)щ娦浴＃?）三極管對(duì)電流的放大作用。任務(wù)

一

半導(dǎo)體二極管

知識(shí)目標(biāo)掌握二極管基本結(jié)構(gòu)和基本特性，并能理解其檢測(cè)方法。

能力目標(biāo)能掌握二極管識(shí)別及性能的檢測(cè)。

素質(zhì)目標(biāo)通過對(duì)各種二極管的檢測(cè)，學(xué)會(huì)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

思政目標(biāo)在介紹半導(dǎo)體二極管時(shí)，簡(jiǎn)要概述半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)，包括技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)需求、政策支持等方面。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這一領(lǐng)域的重要性和發(fā)展?jié)摿?，激發(fā)他們對(duì)未來職業(yè)發(fā)展的興趣和期待。

一、半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)自然界的物質(zhì)按照導(dǎo)電性可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。而半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體

和絕緣體之間，我們常見的半導(dǎo)體材料有硅和鍺。（

一

）半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體之所以被廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槠渚哂袩崦粜浴⒐饷粜院蛽诫s性。1.

熱敏特性當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。利用半導(dǎo)體對(duì)溫度十分敏感的特性，可做成溫

度敏感元件，如熱敏電阻。2.

光敏性當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化。利用這一特性可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。3.

摻雜性在純凈的半導(dǎo)體中，摻入適量的雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。幾乎所有的半導(dǎo)體器件（如

二極管和三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、

晶閘管以及集成電路等），都是采用摻有特定雜質(zhì)的半導(dǎo)體制作。（二）

PN

結(jié)純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體里摻入微量雜質(zhì)元素，導(dǎo)電性能會(huì)明顯提

高。根據(jù)摻入雜質(zhì)元素性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為

P

型半導(dǎo)體和

N

型半導(dǎo)體兩大類。

1.

P

型半導(dǎo)體P

型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅（鍺）中摻入微量的三價(jià)硼元素，摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或

P

型半導(dǎo)體。2.N

型半導(dǎo)體N

型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中硅（鍺）摻入微量的五價(jià)磷元素，摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或

N

型半導(dǎo)體。3.

PN

結(jié)的形成通過一定的工藝把

P

型半導(dǎo)體和

N

型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在它們的交界處形成一個(gè)具有特殊性能的薄層，稱為

PN

結(jié)。4.PN

結(jié)的單向?qū)щ娦訮N

結(jié)外加正向電壓，即P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極，

稱為

PN

結(jié)正偏，如圖

6.1（a）所示。這時(shí)PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。如果PN結(jié)加反向電壓，即P區(qū)接電源的負(fù)極，N區(qū)接電源的正極，稱為PN結(jié)反偏，如圖6.1（b）所示。這時(shí)PN結(jié)處于反向截止?fàn)顟B(tài)。綜上所述，

PN結(jié)正偏導(dǎo)通，反偏截止，具有單向?qū)щ娦浴?/p>

二、二極管的伏安特性及主要參數(shù)二、二極管的伏安特性及主要參數(shù)PN

結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。將

PN

結(jié)加上引出線和管殼，就構(gòu)成了二極管。

P

區(qū)引出為正極（又稱陽極），N

區(qū)引出為負(fù)極（又稱陰極）。二極管的文字符號(hào)為VD，圖形

符號(hào)如圖

6.2所示。

（

一

）伏安特性二極管的伏安特性，即流過二極管的電流與二極管兩端電壓之間的關(guān)系。圖6.3

小功率硅二極管伏安特性曲線如圖6.3所示為小功率硅二極管的伏安特性曲線。既然二極管內(nèi)部是由一個(gè)PN

結(jié)所構(gòu)成，當(dāng)然具有單向?qū)щ娦裕瑥亩O管的伏安特性曲線可知，當(dāng)二極管兩端加較小的正向電壓，二極管還不能導(dǎo)通，這一段稱為死區(qū)（硅管死區(qū)電壓小于0.5V，鍺管死區(qū)電壓小于0.1V

）。當(dāng)外加正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管處于正向?qū)顟B(tài)。導(dǎo)通時(shí)二極管的正向壓降變化不大，超過死區(qū)后，二極管中電流增大，二極管導(dǎo)通（硅二極管的導(dǎo)通電壓約為

0.7V，鍺管約為

0.3V

）。當(dāng)二極管兩端加反向電壓時(shí)，二極管處于反向截止區(qū)，反向電流幾乎為零，此時(shí)的二極

管并不是理想的截止?fàn)顟B(tài)，它有很小的反向電流，反向電流不隨反向電壓的增大而增大，而

基本保持不變，因此稱為反向飽和電流，記做

IS

。當(dāng)所加反向電壓過高，且大于反向擊穿電

壓VRM

時(shí)，反向電流在圖

6.3

中的

D

點(diǎn)處會(huì)突然劇增，這被稱為反向擊穿。此時(shí)，二極管可

能將被擊穿燒毀。普通二極管被擊穿后，

由于反向電流很大，

一般會(huì)造成“熱擊穿”，不能恢復(fù)原來性能，也就是失效了。從二極管的伏安特性曲線上可以看出：流過二極管的電流與加在二極管上的電壓不成比例，也就是說，二極管的內(nèi)阻不是一個(gè)定值。所以，二極管是一個(gè)非線性元件。（二）主要參數(shù)（1）最大整流電流

IF

（2）最高反向工作電壓

URM

此外，還有正向壓降、反向電流、工作頻率等參數(shù)。三、二極管的分類二極管的種類很多，按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，劃分的類型也不同。（1）按使用的材料可以分為硅管和鍺管兩大類。（2）按二極管管型來劃分，可以分為

NPN

型二極管和

PNP

型二極管。（3）按用途來劃分，可以分為普通二極管和特殊二極管，常見的特殊二極管有穩(wěn)壓二極

管、發(fā)光二極管、開關(guān)二極管、光敏二極管等，圖形符號(hào)如下圖所示。1.

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管，用于穩(wěn)定直流電壓。它工作在反向擊穿區(qū)域，主要是利用了

PN結(jié)反向擊穿時(shí)，兩端電壓基本保持不變的特性，采用特殊工藝制成的一種二極管。因?yàn)樗ぷ髟诜聪驌舸l件下，所以反向電流很大，

一般在外電路中取適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?，使穩(wěn)壓管能安全工作，如圖

6.5所示為穩(wěn)壓管的外形圖。圖

6.5

穩(wěn)壓二極管四、二極管的判別（

一

）外觀（目測(cè)法）（1）一般來說，我們可以觀察到，如圖6.9

所示，二極管有橫桿或者有色端標(biāo)識(shí)的一端

為負(fù)極。反之，另外一端為二極管正極。

圖6.9

二極管外形圖（2）直插式發(fā)光二極管的判斷，

如圖

6.10

所示，則長(zhǎng)腳是正極，

短腳是負(fù)極。內(nèi)部大的

為負(fù)極，小的為正極。

圖6.10

發(fā)光二極管2.

發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱

LED

，是用特殊的半導(dǎo)體材料，發(fā)光二極管正常工作時(shí)，工作電流為10～30mA，正向電壓降

為1.5～

3V。圖6.6

為發(fā)光二極管外形圖。

圖

6.6

發(fā)光二極管3.

開關(guān)二極管開關(guān)二極管利用正向偏置時(shí)二極管電阻很小，反向偏置時(shí)電阻很大的單向?qū)щ娦裕陔娐分袑?duì)電流進(jìn)行控制，起到接通或關(guān)斷的開關(guān)作用。開關(guān)二極管主要應(yīng)用于收音機(jī)、電視機(jī)、影碟機(jī)等家用電器如圖

6.7所示。

圖

6.7

開關(guān)二極管圖

6.7

開關(guān)二極管4.

光敏二極管如圖6.8

所示光敏二極管的實(shí)物圖，其結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，是一種采用PN結(jié)單向?qū)щ娦阅艿慕Y(jié)型光電器件，也叫光電二極管。能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的探測(cè)器件，光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。其具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高等特點(diǎn)。

圖

6.8

光敏二極管圖

6.8

光敏二極管（二）萬用表檢測(cè)1.

二極管極性的測(cè)量圖6.11

用指針式萬用表簡(jiǎn)易測(cè)二極管極性示意圖2.

二極管好壞的判定表6.1

二極管正、反向電阻值檢測(cè)分析表

檢測(cè)結(jié)果二極管狀態(tài)性能判斷正向電阻反向電阻二極管單向?qū)щ娬Ｚ呌跓o窮大趨于無窮大二極管正、負(fù)極之間已經(jīng)斷開開路趨于零趨于零二極管正、負(fù)極之間已經(jīng)通路短路二極管正向電阻大反向電阻減小單向?qū)щ娦宰兞有阅茏兞尤蝿?wù)二

半導(dǎo)體三極管

知識(shí)目標(biāo)掌握三極管基本結(jié)構(gòu)和基本特性，并能理解其檢測(cè)方法。能力目標(biāo)能進(jìn)行三極管識(shí)別及性能的檢測(cè)。

素質(zhì)目標(biāo)初步掌握三極管的檢測(cè)方法，能夠?qū)ζ滟|(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

思政目標(biāo)講述三極管的誕生背景及其發(fā)明者——威廉·肖克利、沃爾特·布拉丹和約翰

·巴丁的故事。這三位科學(xué)家在1947

年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室通過不懈努力，成功發(fā)明了世界上第一只三極管，這一成就不僅標(biāo)志著電子技術(shù)的重大突破，也為后續(xù)的半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、三極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管簡(jiǎn)稱三極管或晶體管，是放大電路的核心元件，主要功能是進(jìn)行電流放大

作用，是電流控制元件，其外形如下圖

6.12所示。

圖6.12

半導(dǎo)體三極管的外形三極管的基本結(jié)構(gòu)如下圖

6.13所示：在一塊半導(dǎo)體基片上,用一定的工藝方法形成兩個(gè)PN結(jié)，實(shí)際它就是有兩個(gè)靠的很近的PN結(jié)所構(gòu)成。圖

6.13三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二、三極管的伏安特性及主要參數(shù)（

一

）伏安特性三極管的伏安特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線。因?yàn)槿龢O管的共射接法應(yīng)用最廣，故以NPN管共射接法為例來分析三極管的特性曲線。1.

輸入特性輸入特性是指在集射極之間電壓

UCE

為常數(shù)時(shí)，基極電流IB與基射極之間電壓UBE

的關(guān)系曲線

IB

=f(UBE

)│UCE=常數(shù)

，如圖6.14所示。

圖6.14

三極管共射極輸入特性曲線

從曲線圖中不難發(fā)現(xiàn)，

三極管與二極管正向特性相似，

也有一段死區(qū)電壓（硅管約

0.5V，鍺管約

0.2V

）。當(dāng)三極管正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降變化不大，該壓降稱為導(dǎo)通電壓（硅管約

0.6～0.7V，鍺管約

0.2～

0.3V

）。圖6.14

三極管共射極輸入特性曲線從曲線圖中不難發(fā)現(xiàn)，

三極管與二極管正向特性相似，

也有一段死區(qū)電壓（硅管約

0.5V，鍺管約

0.2V

）。當(dāng)三極管正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降變化不大，該壓降稱為導(dǎo)通電壓（硅管約

0.6～0.7V，鍺管約

0.2～

0.3V

）。2.輸出特性輸出特性是指在基極電流

IB

為常數(shù)時(shí)，

集電極電流

IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線IC

=f(UCE

)∣IB=常數(shù)

。每一個(gè)IB值，有一條特性曲線與之對(duì)應(yīng)。三極管的輸出特性是一組曲線，如圖

6.15所示。

圖6.15

三極管輸出特性曲線在輸出特性曲線上可劃分為三個(gè)區(qū)：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)。圖6.15

三極管輸出特性曲線在輸出特性曲線上可劃分為三個(gè)區(qū)：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)。1

）放大區(qū)輸出特性曲線近似平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)。處在放大狀態(tài)時(shí)，在三極管輸出特性曲線中，

除去飽和區(qū)與截止區(qū)，余下的部分稱為放大區(qū)，也就是特性曲線比較平坦的部分。在放大區(qū)

UCE

>UBE

，三極管的發(fā)射結(jié)處于正偏，集電結(jié)處于反偏。這時(shí)集電極電流

IC

受基極電流

IB

的控制，并且遵循

IC

=βIB

的規(guī)律，這就是三極管具有放大作用。在放大區(qū)，當(dāng)IB恒定時(shí)，IC

基本不變，IC

隨UCE

的變化很小，這稱為三極管的恒流特性。2

）飽和區(qū)三極管處在飽和狀態(tài)下的特點(diǎn)是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也是正偏。IC不隨IB變化，稱為集電極飽和電流，記作ICS

，ICS主要由外電路決定。這時(shí)，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入了大量的電子，使基區(qū)的電子濃度高于集電區(qū)。集電結(jié)正向電壓建立的電場(chǎng)對(duì)基區(qū)電子向集電區(qū)運(yùn)動(dòng)，雖然有阻礙作用，但由于濃度差產(chǎn)生的擴(kuò)散作用，仍有電子從基區(qū)進(jìn)入集電區(qū)形成集電極電流，三極管飽和時(shí)，集電區(qū)收集電子的能力很差，基極電流IB

的變化不能影響集電極電流IC

，即IC不再受IB的控制，三極管這時(shí)丟失了放大作用。三極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)的

UCE

電壓稱為集電極與發(fā)射極之間的飽和壓降，用UCES表示。小功率三極管

UCES

很小，硅管約

0.3V左右，鍺管約0.1V

左右，并且它隨IC的增加而略有增加。三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管相當(dāng)于開關(guān)的接通。3

）截止區(qū)在輸出特性中，IB=0的那條曲線與橫坐標(biāo)軸之間所夾區(qū)域稱為截止區(qū)。三極管處在截止區(qū)，三極管各極電流基本為零，各極之間如同斷開一樣，處于截止?fàn)顟B(tài)而不具有放大作用。處于截止區(qū)的條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，IB=0，IC=ICEO≈0；三極管的集電極和發(fā)射極之間電阻很大，三極管相當(dāng)于開關(guān)斷開。（二）

三極管的主要參數(shù)三、三極管的分類三極管的種類很多，具體分類如下：（1）按制造材料分：可分為硅三極管和鍺三極管。（2）按導(dǎo)電類型分：可分為NPN型和PNP型，鍺管大多數(shù)為PNP型，硅管大多數(shù)為

NPN

型。（3）按工作頻率分：

可分為低頻管和高頻管，低頻管一般工作頻率在3MHz以下，高頻管可達(dá)到幾百兆赫。（4）按允許耗散功率大小分：可分為小功率管和大功率管，小功率管指額定功耗在1W以下，大功率管在幾十W

以上。四、三極管的判別（

一

）用指針式萬用表檢測(cè)三極管極性的方法1.

辨別基極和管型的方法圖6.16

基極和管型的判別如圖

6.16所示，將萬用表旋置歐姆擋

R×

100

或

R×

1k擋位將黑表筆放在一個(gè)引腳上不

動(dòng)，紅表筆分別測(cè)另外兩個(gè)引腳，在兩次測(cè)量中，若測(cè)量的電阻都比較小，則三極管為NPN型，黑表筆所接的引腳為基極；反之，如果兩次測(cè)量的電阻都很大，則三極管為PNP型，黑

表筆所接的引腳為基極；若兩次測(cè)量中，電阻值一大一小，則黑表筆所接的電極不再是基極，這時(shí)，要將萬用表的黑表筆換到其他兩個(gè)電極進(jìn)行測(cè)試，直到找到基極。2.辨別其他兩極的方法圖6.17

集電極的判別如圖

6.17所示，將萬用表旋置歐姆擋

R×10k擋位，再辨別NPN型或PNP三極管的集電極與發(fā)射極。對(duì)于NPN型三極管，測(cè)量時(shí)，將紅、黑表筆分別接基極以外的兩個(gè)電極，用一只手指將黑表筆和基極接觸，觀察指針偏轉(zhuǎn)大??；將紅、黑表筆對(duì)調(diào)再測(cè)一次，對(duì)比兩次指針偏轉(zhuǎn)大小，則偏轉(zhuǎn)大的一次，黑表筆所接的是集電極，紅表筆所接是發(fā)射極。對(duì)于PNP型三極管而言，測(cè)量方法一致，不同之處在于，黑表筆所接為發(fā)射極，紅表筆所接為集電極。（二）

三極管質(zhì)量好壞的檢測(cè)三極管是由兩個(gè)PN結(jié)組成的，根據(jù)管子的型號(hào)查明電極位置，然后通過用萬用表測(cè)極

間電阻可檢查

PN

結(jié)構(gòu)的好壞。測(cè)試時(shí)使用萬用表

R×100

或

R×1k

。硅管的兩個(gè)

PN

結(jié)正向電阻為幾百歐到幾千歐（表針指示在表盤中間或偏右一點(diǎn)），反向電阻應(yīng)很大，在500kΩ以上（表針基本不動(dòng)）。鍺管的正、反向電阻值比硅管相應(yīng)小些。如果測(cè)出的PN結(jié)正、反向電阻差不多，都很大或都很小，則表明三極管內(nèi)部斷路或短路，已經(jīng)損壞。

五、其他晶體管（

一

）場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩類，而使用最廣泛的是絕緣柵型。下面以絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管為例，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行介紹。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（Metal

）、氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（

Semiconductor）材料

構(gòu)成的，因此又叫

MOS

管。它是以一塊

P

型薄硅片為襯底，在它上面擴(kuò)散兩個(gè)高雜質(zhì)的

N

型區(qū)，作為源極

S

和漏極

D。在硅片表面覆蓋一層絕緣層，然后再用金屬鋁引出一個(gè)電極

G

（柵極）。由于柵極與其他電極絕緣，稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，它又可以分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類，每一類又包括N溝道和P溝道兩種，如圖

6.18所示。P溝道增強(qiáng)型MOS管的符號(hào)

P溝耗盡型MOS管的符號(hào)

圖6.18MOS管的電路符號(hào)（二）晶閘管晶體閘流管簡(jiǎn)稱晶閘管，也稱為可控硅整流元件（

SCR

），是由三個(gè)

PN

結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。在性能上，晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?，而且還具有比硅整流元件更為可

靠的可控性，它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。圖6.19

晶閘管的外形圖及電路符號(hào)晶閘管也有三個(gè)電極，陽極

A、陰極

K及門極

G

。它的主要特點(diǎn)是：（1）陽極、陰極間加反向電壓時(shí)不導(dǎo)通