1、電子技術(shù)基礎與技能(第2版） （陳振源主編）,半導體器件是指用半導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。 半導體器件是組成電子線路中的重要元器件。通過項目1的學習，要求能識別常用半導體器件的類型、型號和規(guī)格，能按規(guī)定的程序和方法對器件進行有效檢測。,1.1 半導體的基本特性,1.3 特殊二極管,1.5 場效晶體管,1.2 二極管,1.4 三極管,半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。目前用來制造半導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。所以導電能力也較弱。,1.1 半導體的基本特性,

2、半導體晶體結(jié)構(gòu)示意圖,1.1.1 半導體的主要特性 1摻雜性 在純凈的半導體中摻入微量的3價或5價元素，則它的導電性能將大大增強。應用摻雜技術(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體器件。 2熱敏性 溫度對半導體的導電能力影響很大。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，導電能力就越強。利用半導體的熱敏性，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 半導體受到光照時，自由電子和空穴對數(shù)量會增多，導電能力隨之增強，這就是半導體的光敏性。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

3、管和光電池等。,1.1.2 P型半導體和N型半導體 1P型半導體 P型半導體是在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素。這類摻雜后導體的特點是：空穴數(shù)量多，自由電子數(shù)量少，參與導電的主要是帶正電的空穴，故又稱為空穴半導體。 2N型半導體 N型半導體是在純凈半導體硅或鍺中摻入微量磷、砷等5價元素，這類雜質(zhì)半導體特點是：自由電子數(shù)量多，空穴數(shù)量少，參與導電的主要是帶負電的自由電子，故又稱為電子半導體。,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，外殼上一般印有標記以便區(qū)別正負電極。

4、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)為負極,白環(huán)為負極,接線端為負極,1.2.2 二極管的結(jié)構(gòu)與導電特性 1結(jié)構(gòu) 在P型與N型半導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)引出的電極作為負極。 2導電特性 為了觀察二極管的導電特性，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娦浴?1.2.3 二極管特性曲線 二極管的電

5、流iD與加在二極管兩端的電壓vD的關系曲線，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,1正向特性 （1）死區(qū)：當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，二極管處于導通狀態(tài)。 （3）導通電壓：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)： 當二極管承受的反向電壓未達到擊穿電壓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)： 當二

6、極管承受的反向電壓已達到擊穿電壓V（BR）時，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。,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。 AN型鍺材料，BP型鍺材料， CN型硅材料，DP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,二極管 N型鍺材料 普通管 器件序號,二極管型號的讀識,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

7、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?最高工作頻率fM ：是保證管子正常工作的最高頻率。,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150200。 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備中作整流元件。 開關二極管（2A

8、K、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,開關二極管,4萬用表檢測二極管的好壞 將萬用表撥到電阻擋的R100或R1k，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k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k)，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。,1.3 特殊二極管,整流二極管、檢波二極管、開關二極管具有相似的伏安特性曲線，均

9、屬于普通二極管。為了適應各種不同功能的要求，許多特殊二極管應運而生，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,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(Iz)很大，而管子兩端電壓變

10、化(Vz)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,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=VZIZmax。 動態(tài)電阻rZ 反映穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能，動態(tài)電

11、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。,【準備器材】 直流穩(wěn)壓電源、電流表、電壓表、穩(wěn)壓管、電阻（1k/0.5W）、電位器（1k/0.5W）。 【動手實踐】 （1）按下圖連接，將電位器阻值調(diào)整在500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、10 mA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,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

12、導體器件。發(fā)光二極管由磷化鎵、砷化鎵等半導體材料制成，電路符號和實物照片見下圖。 當給發(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,發(fā)光二極管的管腳引線以較長者為正極，較短者為負極。如管帽上有凸起標志，那么靠近凸起標志的管腳就為正極。 發(fā)光二極管好壞的判別可用萬用表的R10k擋測其正、反向阻值，當正向電阻小于50k，反向電阻大于200k時均為正常。如正、反

13、向電阻均為無窮大，表明此管已壞。,應用提示,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。 當沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很??；當有光照射時，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,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)成的三個電極半導體器件，在電路中主要作為放大和開關元件使用。 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

14、，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,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,3.分類 三極管的種類很多，通常按以下方法進行分類： 按半導體制造材料可分為：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PN

15、P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三極管等。,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 = IC /IB 當IB有一微小變化，就能引起IC較大的變化，這種現(xiàn)象稱為三極管的電流放大作用。,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

16、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,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系的曲線，它是在輸出電壓VCE為定值時，iB與vBE對應關系的曲線。,輸人特性曲線,當輸入電壓vBE較小時，基極電流iB很小，通常近似為零。 當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。,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對應關系的

17、曲線。 （1）截止區(qū) 習慣把IB=0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，三極管處于截止狀態(tài)，相當于三極管內(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，相當于開關閉合。,輸出特性曲線,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

18、,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。 APNP鍺材料，BNPN鍺材料， CPNP硅材料，DNPN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。,三極管 NP鍺材料 高頻小功率 序號 規(guī)格號,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

19、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+)倍，所以它受溫度影響不可忽視。,（2）交流參數(shù) 是反映三極管交流特性的主要指標。 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

20、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，會引起電擊穿導致管子損壞。,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，目前已廣泛應用于各種電子電路中。 1.5.1 MOS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

21、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,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，則導電溝道為P型。 觀察絕緣柵場效晶體管的電路符號時應注意：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,1.5.2 MOS

22、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，漏源極間無導電溝道，因此漏極電流ID=0，管子處于截止狀態(tài)。 當VGS增加至某個臨界電壓時，感應電子層將兩個分離的N+區(qū)接通，形成N型導電溝道，于是產(chǎn)生漏極電流ID，管子開始導通。 繼續(xù)加大VGS，導電溝道就會愈寬，輸出電流ID也就愈大。,增強型場效晶體管的工作電路,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管開始導通的柵源電壓。 （2）夾斷電壓V

23、GS(off) 指VDS為定值時，使耗盡型絕緣柵場效應管處于剛開始截止的柵源電壓，N溝道管子的VGS(off)為負值，屬耗盡型場效應管的參數(shù)。 （3）低頻跨導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的乘積不應超過的極

24、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,應用提示,存放絕緣柵場效應管時要將三個電極短路，取用管子時應注意人體靜電對柵極的感應，可在手腕上套一接地的金屬箍。 焊接絕緣柵場效應管時，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管，應先將電路板的工作電源關閉，不允許電路通電時用烙鐵進行焊接操作。,2.使用注意事項,項 目 小 結(jié) 1半導體具有熱敏性、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考慮最高工作頻率。 3特殊二極管主要有穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管等。穩(wěn)壓管是利用它在反向擊穿狀態(tài)下的恒壓特性來構(gòu)成穩(wěn)定工作電壓的電路。發(fā)光二極管起著將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的作用，而光電二極管則是將光信