项目1-半导体器件的识别与检测(陈振源--2版)PPT课件

电子技术基础与技能(第2版）（陈振源主编）,半导体器件是指用半导体材料制成的电子器件，常用的有二极管、三极管、场效晶体管等。半导体器件是组成电子线路中的重要元器件。通过项目1的学习，要求能识别常用半导体器件的类型、型号和规格，能按规定的程序和方法对器件进行有效检测。,1.1半导体的基本特性,1.3特殊二极管,1.5场效晶体管,1.2二极管,1.4三极管,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。目前用来制造半导体器件的材料主要是锗和硅，它们都是4价元素，具有晶体结构，如图所示。在常温下，大多数的价电子均被束缚在原子周围，不易自由移动。所以导电能力也较弱。,1.1半导体的基本特性,半导体晶体结构示意图,1.1.1半导体的主要特性1掺杂性在纯净的半导体中掺入微量的3价或5价元素，则它的导电性能将大大增强。应用掺杂技术可以制造出晶体二极管、晶体三极管、场效晶体管、晶闸管和集成电路等半导体器件。2热敏性温度对半导体的导电能力影响很大。温度越高，价电子获得的能量越大，挣脱共价键束缚成为自由电子和空穴对就越多，导电能力就越强。利用半导体的热敏性，可以制成热敏电阻及其它热敏元件，常用于自动控制电路中。3光敏性半导体受到光照时，自由电子和空穴对数量会增多，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏性。利用这种特性能制造各种光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管和光电池等。,1.1.2P型半导体和N型半导体1P型半导体P型半导体是在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素。这类掺杂后导体的特点是：空穴数量多，自由电子数量少，参与导电的主要是带正电的空穴，故又称为空穴半导体。2N型半导体N型半导体是在纯净半导体硅或锗中掺入微量磷、砷等5价元素，这类杂质半导体特点是：自由电子数量多，空穴数量少，参与导电的主要是带负电的自由电子，故又称为电子半导体。,1.2.1二极管的封装与电气图形符号用于电视机、收音机、电源装置等电子产品中的各种不同外形的二极管如下图所示。二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳上一般印有标记以便区别正负电极。塑料封装二极管金属封装二极管玻璃封装二极管二极管电气图形符号,1.2二极管,黑环为负极,白环为负极,接线端为负极,1.2.2二极管的结构与导电特性1结构在P型与N型半导体的交界面会形成一个具有特殊电性能的薄层，称为PN结。从P区引出的电极作为正极，从N区引出的电极作为负极。2导电特性为了观察二极管的导电特性，将二极管串联到电池和小灯泡组成的电路中。（a）（b）按图（a）连接电路，此时小灯泡亮，表示二极管加正向电压而导通。按图（b）连接电路，此时小灯泡不亮，表示二极管加反向电压而截止。通过观察以上实验证实，二极管具有单向导电性。,1.2.3二极管特性曲线二极管的电流iD与加在二极管两端的电压vD的关系曲线，称为二极管伏安特性曲线。利用晶体管特性图示仪能十分方便测量获得二极管的伏安特性曲线。,晶体管特性图示仪,二极管伏安特性曲线,1正向特性（1）死区：当二极管外加正向电压较小时，正向电流几乎为零，称为正向特性的死区。（2）正向导通区：当二极管正向电压大于死区电压Vth时，电流随电压增加，二极管处于导通状态。（3）导通电压：硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.3V。,2反向特性（1）反向截止区：当二极管承受的反向电压未达到击穿电压V（BR）时，二极管呈现很大电阻，此时仅有很微小的反向电流IR，该电流称之为反向饱和电流。（2）反向击穿区：当二极管承受的反向电压已达到击穿电压V（BR）时，反向电流急剧增加，该现象称为二极管反向击穿。,1二极管型号国产二极管的型号由五部分组成。第一部分是数字“2”，表示二极管。第二部分是用拼音字母表示管子的材料。AN型锗材料，BP型锗材料，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类型。第四部分用数字表示器件的序号。第五部分用拼音字母表示规格号。,1.2.4二极管使用常识,二极管N型锗材料普通管器件序号,二极管型号的读识,2二极管的主要参数,最大整流电流IFM：是管子长期运行时允许通过的最大正向平均电流。最高反向工作电压VRM：又称额定工作电压，它是保证二极管不至于反向击穿而规定的最高反向电压。反向饱和电流IR：它指管子未进入击穿区的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。最高工作频率fM：是保证管子正常工作的最高频率。,3二极管的选用按材料分类，二极管主要有锗二极管和硅二极管两大类。前者内部多为点接触型结构，允许的工作温度较低，只能在100以下工作；后者内部多为面接触型或平面型结构，允许的工作温度较高，有的可达150200。检波二极管（如2AP等系列）的IFM较小，fM一般较高，主要用于信号检测、取样、小电流整流等。整流二极管（2CZ、2DZ等系列）的IFM较大，fM很低，广泛使用在各种电源设备中作整流元件。开关二极管（2AK、2CK等系列）一般IFM较小，fM较高，用于数字电路和控制电路中。,检波二极管,整流二极管,开关二极管,4万用表检测二极管的好坏将万用表拨到电阻挡的R100或R1k，将万用表的红、黑表笔分别接在二极管两端，若测得电阻比较小(几k以下)，再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端，而测得的电阻比较大(几百k)，说明二极管具有单向导电性，质量良好。测得电阻小的那一次黑表笔接的是二极管的正极。,如果测得二极管的正、反向电阻都很小，甚至为零，表示管子内部已短路。如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示管子内部已断路。,1.3特殊二极管,整流二极管、检波二极管、开关二极管具有相似的伏安特性曲线，均属于普通二极管。为了适应各种不同功能的要求，许多特殊二极管应运而生，如稳压管、发光管、光电管等。1.3.1稳压管1工作特性及应用稳压管又称齐纳二极管，实物外形见下图。通常用文字“V”代表，它是一种用特殊工艺制造的硅二极管，只要反向电流不超过极限电流，管子工作在击穿区并不会损坏，属可逆击穿，这与普通二极管破坏性击穿是截然不同的。稳压管工作在反向击穿区域时，利用其陡峭的反向击穿特性在电路中起稳定电压作用。,稳压管的外形及电路符号,稳压管的伏安特性曲线如的正向特性与普通二极管相同。反向特性曲线在击穿区域比普通二极管更陡直，这表明稳压管击穿后，通过管子的电流变化(Iz)很大，而管子两端电压变化(Vz)很小，或说管子两端电压基本保持一个固定值。稳压管在电路中主要功能是起稳压作用。,稳压管的伏安特性曲线,正向特性,击穿特性,2稳压管主要参数,稳定电压VZ指稳压管的反向击穿电压。稳定电流IZ指管子在正常工作时的参考电流值，其值在稳压区域的最大电流IZmax与最小电流IZmin之间。当流过管子的电流小于IZmin时管子不能起稳压作用。最大稳定电流IZmax指稳压管最大工作电流，超过IZmax时，管子将过热损坏。耗散功率PZM指管子不致因热击穿而损坏的最大耗散功率。它近似等于稳定电压与最大稳定电流的乘积，即PZM=VZIZmax。动态电阻rZ反映稳压管的稳压性能，动态电阻越小，稳压性能越好。温度系数k温度系数反映由温度变化引起的稳定电压变化。,【准备器材】直流稳压电源、电流表、电压表、稳压管、电阻（1k/0.5W）、电位器（1k/0.5W）。【动手实践】（1）按下图连接，将电位器阻值调整在500左右。（2）根据给定稳压管的型号查稳定电流值Iz（常见的有2.5mA、5mA、10mA等）。（3）首先粗调直流稳压电源，从0V开始调高电压，调到电流表显示在Iz附近。（4）然后细调电位器Rp，使电流表读数等于Iz，此时稳压管两端测得的电压值即为稳压管的稳压值Vz。,稳压二极管稳压值的测量电路,1.3.2发光二极管发光二极管是一种把电能变成光能的半导体器件。发光二极管由磷化镓、砷化镓等半导体材料制成，电路符号和实物照片见下图。当给发光二极管加上偏压，有一定的电流流过时二极管就会发光，这是由于PN结的电子与空穴直接复合放出能量的结果。发光二极管的种类很多，按发光的颜色可分为：红色、蓝色、黄色、绿色，还有三色变色发光二极管和眼睛看不见的红外光二极管；按外形可分为：圆形、方形等。,发光二极管电路符号发光二极管实物图,发光二极管的管脚引线以较长者为正极，较短者为负极。如管帽上有凸起标志，那么靠近凸起标志的管脚就为正极。发光二极管好坏的判别可用万用表的R10k挡测其正、反向阻值，当正向电阻小于50k，反向电阻大于200k时均为正常。如正、反向电阻均为无穷大，表明此管已坏。,应用提示,1.3.3光电二极管光电二极管又称为光敏二极管。光电二极管也是由一个PN结构成，但是它的PN结面积较大，通过管壳上的一个玻璃窗口来接收入射光。当没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流增大。光电二极管电路符号光电二极管元件外形,晶体三极管简称三极管，是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件，它由两个PN结构成的三个电极半导体器件，在电路中主要作为放大和开关元件使用。1.4.1结构与分类1外形近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装；大功率三极管多采用金属封装，通常做成扁平形状并有螺钉安装孔，有的大功率管制成螺栓形状。,1.4三极管,塑料封装小功率管塑料封装中功率管金属封装小功率管金属封装大功率管,2.结构三极管的核心是两个互相联系的PN结，按两个PN结的组合方式不同，可分为NPN型和PNP型两类。,三极管内部有发射区、基区和集电区，引出电极分别为发射极e、基极b、集电极c。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。,PNP型三极管,NPN型三极管,3.分类三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：按半导体制造材料可分为：硅管和锗管。硅管受温度影响较小、工作稳定，因此在自动控制设备中常用硅管。按三极管内部基本结构可分为：NPN型和PNP型两类。目前我国制造的硅管多为NPN型(也有少量PNP型)，锗管多为PNP型。按工作频率可分为：高频管和低频管。工作频率高于3MHz为高频管，工作频率在3MHz以下为低频管。按功率可分为：小功率管和大功率管。耗散功率小于1W为小功率管，耗散功率大于1W为大功率管。按用途可分为：普通放大三极管和开关三极管等。,1.4.2三极管的电流放大作用,1三极管放大条件发射结加正向电压，集电结加反向电压。,2三极管的电流放大作用IE=IC+IB=IC/IB当IB有一微小变化，就能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。,在实际放大电路中，除了共发射极联接方式外，还有共集电极和共基极联接方式。,共发射极联接共基极联接共集电极联接,1.4.3三极管的特性曲线,1输人特性曲线输人特性曲线是反映三极管输人回路电压和电流关系的曲线，它是在输出电压VCE为定值时，iB与vBE对应关系的曲线。,输人特性曲线,当输入电压vBE较小时，基极电流iB很小，通常近似为零。当vBE大于三极管的死区电压vth后，iC开始上升。三极管正常导通时，硅管VBE约为0.7V，锗管约为0.3V，此时的VBE值称为三极管工作时的发射结正向压降。,2输出特性曲线输出特性曲线是反映三极管输出回路电压与电流关系的曲线，是指基极电流IB为某一定值时，集电极电流IC与集电极电压VCE对应关系的曲线。（1）截止区习惯把IB=0曲线以下的区域称为截止区，三极管处于截止状态，相当于三极管内部各极开路。在截止区，三极管发射结反偏或零偏，集电结反偏。,（2）放大区它是三极管发射结正偏、集电结反偏时的工作区域。最主要特点是IC受IB控制，具有电流放大作用。（3）饱和区当VCE小于VBE时，三极管的发射结和集电结都处于正偏，此时IC已不再受IB控制。此时管子的集电极发射极间呈现低电阻，相当于开关闭合。,输出特性曲线,1.4.4三极管的使用常识,三极管的类型非常多，从晶体管手册可以查找到三极管的型号，主要用途、主要参数和器件外形等，这些技术资料是正确使用三极管的依据。,三极管型号的读识,1三极管型号国产三极管的型号由五部分组成。第一部分是数字“3”，表示三极管。第二部分是用拼音字母表示管子的材料和极性。APNP锗材料，BNPN锗材料，CPNP硅材料，DNPN硅材料。第三部分是用拼音字母表示管子的类型。X低频小功率管，G高频小功率管，D低频大功率管，A高频大功率管。第四部分用数字表示器件的序号。第五部分用拼音字母表示规格号。,三极管NP锗材料高频小功率序号规格号,2三极管的主要参数,（1）直流参数反映三极管在直流状态下的特性。直流电流放大系数hFE用于表征管子IC与IB的分配比例。集基反向饱和电流ICBO它是指三极管发射极开路时，流过集电结的反向漏电电流。ICBO大的三极管工作的稳定性较差。ICBO测量电路ICEO测量电路集射反向饱和电流ICEO它是指三极管的基极开路，集电极与发射极之间加上一定电压时的集电极电流。ICEO是ICBO的(1+)倍，所以它受温度影响不可忽视。,（2）交流参数是反映三极管交流特性的主要指标。交流电流放大倍数hfe通常也写为，用于表征管子对交流信号的电流放大能力。共发射极特征频率fT三极管的值下降到1时，所对应的信号频率称为共发射极特征频率，它是表征三极管高频特性的重要参数。（3）极限参数三极管有使用极限值，如果超出范围则无法保证管子正常工作。集电极最大允许电流ICM若三极管的工作电流超过ICM，其值将下降到正常值的2/3以下。集电极最大允许耗散功率PCM它是三极管的最大允许平均功率。集射反向击穿电压V（BR）CEO它是基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。若管子的VCE超过V（BR）CEO，会引起电击穿导致管子损坏。,场效晶体管则是一种电压控制型器件，是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已广泛应用于各种电子电路中。1.5.1MOS场效晶体管的基本结构绝缘栅场效晶体管（MOS管）分为增强型和耗尽型两类，各类又有P沟道和N沟道两种。,1.5场效晶体管,N沟道增强型绝缘栅场效晶体管结构示意图及电路符号,P沟道增强型绝缘栅场效晶体管结构示意图及电路符号,N沟道增强型绝缘栅场效晶体管是用一块杂质浓度较低的P型硅片作衬底，B为衬底引线。在硅片上面扩散两个高浓度N型区(图中N+区)，各用金属线引出电极，分别称为源极s和漏极d，在硅片表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层，绝缘层上再制作一层铝金属膜作为栅极g。,如果制作场效晶体管采用N型硅作衬底，漏极、源极为P+型区的引脚，则导电沟道为P型。观察绝缘栅场效晶体管的电路符号时应注意：若d极与s极之间是三段断续线，表示为增强型；若是连续线表示为耗尽型。箭头向内表示为N沟道，反之为P沟道。,场效晶体管外形图,1.5.2MOS场效晶体管的电压控制原理在N沟道增强型场效晶体管的漏极d与源极s之间加上工作电压VDS后，管子的输出电流ID就受栅源电压VGS的控制。当栅源之间的电压VGS=0时，由于漏极d与衬底B之间的PN结处于反向偏置，漏源极间无导电沟道，因此漏极电流ID=0，管子处于截止状态。当VGS增加至某个临界电压时，感应电子层将两个分离的N+区接通，形成N型导电沟道，于是产生漏极电流ID，管子开始导通。继续加大VGS，导电沟道就会愈宽，输出电流ID也就愈大。,增强型场效晶体管的工作电路,1主要参数（1）开启电压VGS(th)指VDS为定值时，使增强型绝缘栅场效应管开始导通的栅源电压。（2）夹断电压VGS(off)指VDS为定值时，使耗尽型绝缘栅场效应管处于刚开始截止的栅源电压，N沟道管子的VGS(off)为负值，属耗尽型场效应管的参数。（3）低频跨导gm指VDS为定值时，栅源输入信号vgs与由它引起的漏极电流id之比，这是表征栅源电压vgs对漏极电流id控制作用大小的重要参数。（4）最高工作频率fM它是保证管子正常工作的频率最高限额。场效应管三个电极间存在极间电容，极间电容小的管子最高工作频率高，工作速度快。（5）漏源击穿电压V(BR)DS指漏源极之间允许加的最大电压，实际电压值超过该参数时，会使PN结反向击穿。（6）最大耗散功率PDSM指ID与VDD的乘积不应超过的极限值，是从发热角度对管子提出的限制条件。,1.5.3场效晶体管的主要参数及使用注意事项,应用提示,存放绝缘栅场效应管时要将三个电极短路，取用管子时应注意人体静电对栅极的感应，可在手腕上套一接地的金属箍。焊接绝缘栅场效应管时，电烙铁必须要有外接地线，或切断电源利用电烙铁的余热焊接，以防烙铁漏电损坏管子。焊接时应先焊源极，其次焊漏极，最后焊栅极。要拆焊电路板上的场效应管，应先将电路板的工作电源关闭，不允许电路通电时用烙铁进行焊接操作。,2.使用注意事项,项目小结1半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性，因而成为制造电子元器件的关键材料。2二极管是由一个PN结构成，其最主要的特性是具有单向导电性，二极管的特性可由伏安特性曲线准确描述。选用二极管必须考虑最大整流电流、最高反向工作电压两个主要参数，工作于高频电路时还应考虑最高工作频率。3特殊二极管主要有稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等。稳压管是利用它在反向击穿状态下的恒压特性来构成稳定工作电压的电路。发光二极管起着将电信号转换为光信号的作用，而光电二极管则是将光信号转换为电信号。,4三