第4章 分立半导体器件识别与检测

第4章分立半导体器件识别与检测4.1晶体二极管4.2晶体三极管4.3半导体分立器件的命名方法4.4晶闸管整流元件与场效应晶体管4.5晶体二极管识别检测技能实训4.6晶体三极管的识别检测实训4.7晶体场效应管与晶闸管的识别检测实训

4.1晶体二极管4.1.1晶体二极管的分类晶体二极管也称半导体二极管，简称二极管。内部由一块P型半导体和一块N型半导体经特殊工艺加工，在其接触面上形成一个PN结。外部有两个电极，分别称为正极（P型区一侧）和负极（N型区一侧），使用时不能将正负极接反。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压等电路中。用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换等。晶体二极管的分类：（1）按材料可分为锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管、磷化镓二极管等。（2）按制作工艺（管芯PN结构造面的特点）可分为面接触二极管和点接触二极管以及键型、合金型、扩散型、平面型等。（3）按用途和功能不同又可分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管、阻尼二极管、续流二极管、激光二极管、双向击穿二极管、磁敏二极管、肖特基二极管、温度效应二极管、隧道二极管、双向触发二极管、体效应二极管、恒流二极管等多种。（4）按封装形式可分为塑料封装（简称塑料）二极管、玻璃封装二极管（简称玻封）、金属封装二极管（简称金封）以及用于SMT的片状二极管、无引线圆柱形二极管等。（5）按电流容量可分为小功率二极管（电流在1A以下）、中功率二极管（电流在1～5A）和大功率二极管（电流为5A以上）。（6）按工作频率可分为高频二极管和低频二极管。4.1.2晶体二极管的主要参数及选用1．晶体二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM最大整流电流又称额定工作电流，是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。（2）最高反向工作电压URM通常称额定工作电压。加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。（3）反向饱和电流IR反向饱和电流又称反向漏电流，是指二极管未进入击穿区的反向电流，其值越小，管子的单向导电性能越好。（4）最高工作频率fM最高工作频率是指晶体二极管能正常工作的最高频率。2．晶体二极管的选用（1）稳压二极管的选用。选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。（2）检波二极管的选用。检波二极管一般可选用点接触型锗二极管。（3）开关二极管的选用。根据应用电路的主要参数（如正向电流、最高反向电压、反向恢复时间等）来选择开关二极管的具体型号。（4）整流二极管的选用。选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。（5）变容二极管的选用。选用变容二极管时，应着重考虑其工作频率、最高反向工作电压、最大正向电流和零偏压结电容等参数是否符合应用电路的要求。4.1.3片式二极管1．无引线柱形玻璃封装二极管无引线柱形玻璃封装二极管是将管芯封装在细玻璃管内，两端以金属帽为电极。2．矩形片式塑料封装二极管（1）塑料封装二极管一般做成矩形片状。（2）片式塑封复合二极管。所谓复合二极管是指在一个封装内，包含2个以上的二极管，以满足不同的电路工作要求。（3）片式发光二极管。图4-4所示为片式发光二极管（片式LED），片式LED是一种新型表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。4.1.4二极管组件1．整流桥（1）结构。整流桥通常是由两只或四只硅整流二极管作桥式连接，两只的为半桥，四只的则称全桥。2．命名规则一般整流桥命名中有3个数字，第一个数字代表额定电流（A）；后两个数字代表额电压（V，数字×100）。3．高压硅堆图4-7高压硅堆由于单独一个硅二极管耐压有限，许多个串接起来做在一个器件中，作为高压整流元件，叫做高压硅堆，在高压电路中相当于一个单独的二极管。4．二极管排二极管排是将两只或两只以上的二极管封装在一起组成的，其内电路有共阴（将各只二极管的负极接在一起）型、共阳（将各只二极管的正极接在一起）型、串接型和独立脚点型等多种连接形式。4.2晶体三极管4.2.1晶体管的基础知识与分类1．晶体管的基础知识晶体管，也称半导体三极管，简称三极管，是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和其他信号处理方面。2．晶体管的分类（1）按材质不同可分为：硅管、锗管。（2）按结构不同可分为：NPN型和PNP型。（3）按晶体管消耗功率的不同可分为：小功率管、中功率管和大功率管等。（4）按功能不同可分为：开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。（5）按工作频率不同可分为：低频晶体管、高频晶体管。（6）按安装方式不同可分为：插件晶体管、贴片晶体管。（7）按封装形式不同可分为：金属封装、塑料封装。4.2.2片式晶体管片式晶体管采用带有翼形短引线的塑料封装，即SOT封装。4.2.3晶体管的主要参数1．直流参数（1）集电极—基极反向饱和电流ICBO集电极—基极反向饱和电流是指发射极开路时，基极和集电极之间加上规定的反向电压UCB时的集电极反向电流。（2）集电极—发射极反向电流ICEO集电极—发射极反向电流也称穿透电流，是指基极开路时，集电极和发射极之间加上规定电压VCE时的集电极电流。（3）发射极—基极反向电流IEBO发射极—基极反向电流是指集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。（4）直流电流放大系数（或hFE）直流电流放大系数是指采用共发射极接法，没有交流信号输入时，集电极的直流电流与基极的直流电流的比值。2．交流参数（1）交流电流放大系数β（或hFE）交流电流放大系数是指采用共发射极接法时，集电极输出电流的变化量ΔIC与基极输入电流的变化量ΔIB之比。（2）截止频率fβ、fα晶体管的频率参数描述晶体管的电流放大系数对高频信号的适应能力。根据fβ的定义，所谓共射截止频率，并非说明此时晶体管已经完全失去放大作用，而只是共射电流放大系数的幅频特性下降了3dB。（3）特征频率因为信号频率ƒ上升时，晶体管的β就下降，当β下降到1时，所对应的信号频率称为共发射极特征频率，是表征晶体管高频特性的重要参数。3．极限参数（1）集电极最大允许电流ICM集电极最大允许电流是指当集电极电流IC增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2时的IC值。所以当集电极电流超过集电极最大允许电流时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大质量。（2）集电极—基极击穿电压U（BR）CBO集电极—基极击穿电压是指当发射极开路时，集电结的反向击穿电压。（3）发射极—基极反向击穿电压U（BR）EBO发射极—基极反向击穿电压是指当集电极开路时，发射结的反向击穿电压。（4）集电极—发射极击穿电压U（BR）CEO集电极—发射极击穿电压是指当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果UCE＞U（BR）CEO，管子就会被击穿。（5）集电极最大允许耗散功率PCM集电极最大允许耗散功率是指管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率。4.2.4几种常见的晶体三极管1．中小功率晶体三极管中小功率晶体三极管通常是指管子集电极耗散功率PCM小于1W的晶体管。2．大功率晶体三极管大功率晶体三极管是指管子集电极耗散功率PCM大于1W的晶体管。3．达林顿管达林顿管是一种复合管，它采用复合连接方式，将两只或更多只的晶体管集电极连在一起，并将前一只晶体管的发射极直接耦合到一只晶体管的基极，依次级联而成，最后引出E、B、C三个电极。4．光敏三极管光敏三极管与普通晶体管结构相同，其工作原理与光敏二极管相似。4.2.5晶体三极管的选用1．一般晶体三极管的选用（1）根据具体电路要求，选用不同类型晶体三极管。（2）根据晶体管的主要参数进行选用。（3）选用合适的外形尺寸和封装形式。（4）硅管与锗管的具体选用方法。4.3半导体分立器件的命名方法1．我国半导体分立器件的命名方法2．国际电子联合会半导体器件命名方法3．美国半导体器件型号命名方法4．日本半导体器件型号命名方法4.4晶闸管整流元件与场效应晶体管4.4.1可控硅1．可控硅的基础知识可控硅又叫晶闸管，是可控硅整流元件的简称。主要成员有单向可控硅、双向可控硅、光控可控硅。单向可控硅，也就是普通晶闸管，是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极称阳极A，第三层P型半导体引出的电极称控制极（也称门极）G，第四层N型半导体引出的电极称阴极K。可控硅具有很多优异的特点，以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应速度极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪声；效率高，成本低等。可控硅被可用来做可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。2．可控硅的分类（1）按关断、导通及控制方式可分为：单向可控硅、双向可控硅、光控可控硅、逆导可控硅、可关断可控硅（GTO）、BTG可控硅、温控可控硅等多种。（2）按电流容量可分为：大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。大功率可控硅多采用金属壳封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。（3）按引脚和极性可分为：二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。（4）按封装形式可分为：金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。（5）按关断速度可分为：普通可控硅和高频（快速）可控硅。3．可控硅的型号命名方法第一部分：用字母“K”表示主称为可控硅；第二部分：用字母表示可控硅的类别；第三部分：用数字表示可控硅的额定通态电流值；第四部分：用数字表示重复峰值电压级数。4．可控硅的主要参数（1）正向峰值电压（断态重复峰值电压）UDRM。是指在门极开路而器件的结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压（2）反向重复峰值电压URRM。是指门极开路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。（3）通态平均电压UTM。是指在规定的工作温度条件下，使可控硅导通的正弦波半个周期内UAK的平均值，一般在0.4～1.2V。（4）通态峰值电压UTM。是指可控硅通过某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。（5）额定通态平均电流IT。额定通态平均电流IT是指可控硅在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（6）维持电流IH。维持电流IH是指能使可控硅维持导通状态时所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。（7）擎住电流IL。是指可控硅刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。（8）浪涌电流ITSM。是指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。（9）控制极触发电流IGT。IGT是指在规定的环境温度下，维持可控硅从阻断状态转为完全导通状态时所需要的最小直流电流。（10）控制极触发电压UGT。是指产生门极触发电流所必需的最小门极电压，UGT的值一般为1～5V。4.4.2场效应晶体管1．场效应晶体管的基础知识场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）简称场效应管。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。它利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流，属于电压控制型半导体器件，并以此命名。场效应管具有输入阻抗高噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。2．场效应晶体管的分类场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOSFET）两大类。按沟道材料分：结型和绝缘栅型，各分N沟道和P沟道两种；按导电方式分：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。场效应管也具有三个电极，它们是：栅极、漏极、源极。场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于晶体管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。3．场效应晶体管的应用（1）场效应管可应用于信号放大。广泛应用于电压和功率放大电路中；由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。（2）场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。（3）场效应管可以用做可变电阻。（4）场效应管可以方便地用做恒流源。（5）场效应管也可以与双极性晶体管一样，用做电子开关。4．场效应管与双极性晶体管的比较（1）场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。因此，在信号源额定电流极小的情况下，应选用场效应管。（2）场效应管是多数载流子导电，而晶体管的两种载流子均参与导电。由于少数载流子的浓度对温度、辐射等外界条件很敏感，因此，对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适。（3）场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用。（4）场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS管的栅—源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管灵活。（5）晶体管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百mΩ，使用场效应管做电子开关的效率比晶体管高。（6）场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。（7）场效应管是电压控制电流器件，由UGS控制ID，其放大系数Gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差。5．场效应晶体管的型号命名场效应晶体管有两种命名方法。第一种命名方法与双极型晶体管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。6．场效应晶体管使用的注意事项（1）为了安全使用场效应管，在线路的设计中不能超过管子的耗散功率、最大漏源电压、最大栅源电压和最大电流等参数的极限值。（2）各类型场效应管在使用时，都要严格按要求的偏置接入电路中，要遵守场效应管偏置的极性。如结型场效应管栅源漏之间是PN结，N沟道管栅极不能加正偏压；P沟道管栅极不能加负偏压。（3）MOS场效应管由于输入阻抗极高，所以在运输、储藏中必须将引出脚短路，要用金属屏蔽包装，以防止外来感应电势将栅极击穿。保存时最好放在金属盒内，同时也要注意管子的防潮。（4）为了防止场效应管栅极感应击穿，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好的接地；引脚在焊接时，先焊源极；在连入电路之前，管子的全部引线端保持互相短接状态，焊接完后才把短接材料去掉；从元器件架上取下管子时，应以适当的方式确保人体接地，如采用接地环。（5）在安装场效应管时，注意安装的位置要尽量避免靠近发热元件；为了防管件振动，有必要将管壳体紧固起来。（6）焊接时，电烙铁外壳必须装有外接地线，以防止由于电烙铁带电而损坏管子。（7）在要求输入阻抗较高的场合使用时，必须采取防潮措施，以免由于温度影响使场效应管的输入电阻降低。如果用四引线的场效应管，其衬底引线应接地。陶瓷封装的场效应管有光敏特性，应注意避光使用。4.5晶体二极管识别检测技能实训

1．实训目的熟练掌握目测识读晶体二极管类型的方法。熟悉晶体二极管的功能特点，建立晶体二极管的检测思路及检测流程，重点掌握晶体二极管的检测特点与检测技巧，能够对不同种类的晶体二极管进行检测，判断出它们的正负极及好坏。2．实训器材（1）指针式万用表一块。（2）数字式万用表一块。（3）各种不同类型、不同封装的晶体二极管若干。3．实训内容与步骤任务1普通二极管的识别与检测【操作步骤】（1）直接识别。根据二极管的外观及标识，目测判断其类型（普通、整流、稳压等）、封装形式及正负极。二极管的极性一般都通过一定的方式标注在二极管的管壳上，根据标志可以判别出二极管的正负极。（2）用指针式万用表判别二极管极性。将万用表置于R×100挡或R×1k挡，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，其中一次测量出的阻值较大（为反向电阻）；一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。（3）用指针式万用表检测二极管的单向导电性能及好坏。通常，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300kΩ左右。硅材料二极管的正向电阻值为5kΩ左右，反向电阻值为∞（无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。（4）用数字式万用表测二极管的正负极。一般数字万用表大都设有专门测量晶体二极管的挡位，可进行正向压降测量和管子好坏的判断注意用数字万用表测量二极管时，实测的是二极管的正向电压值，而指针式万用表则测的是二极管正反向电阻值，要特别注意这个区别。（5）片式二极管的检测。在工程技术中，贴片二极管与普通二极管的内部结构基本相同，均由一个PN结组成。因此，贴片二极管的检测与普通二极管的检测方法基本相同。【实训记录】将以上识别、测试结果填入表中。任务2发光二极管与光敏二极管的识别与检测①目测极性。判别红外发光二极管的正、负电极。红外发光二极管有两个引脚，通常长引脚为正极，短引脚为负极。因红外发光二极管呈透明状，所以管壳内的电极清晰可见，内部电极较宽较大的一个为负极，而较窄小的一个为正极。②用指针式万用表检测极性。万用表置于R×10k挡，将两表笔与发光二极管的两个引脚相接，观察指针是否偏转，或观察发光二极管是否发光；再将两表笔对调，仍观察指针是否偏转，或观察发光二极管是否发光。【实训记录】将以上检测结果填入表4-8。任务3稳压二极管稳压值的测量方法1：先将一块指针式万用表置于R×10k挡，其黑、红表笔分别接在稳压管的负极和正极，这时就模拟出稳压管的实际工作状态（反向击穿），再取另一块表数字表置于直流电压20V挡或50V挡上（根据稳压值选择量程），将红、黑表笔分别搭接到刚才那块表的黑、红表笔上，这时测出的电压值基本上就是这个稳压管的稳压值。方法2：按图接线。慢慢将可调直流电源由0往大调，同时用万用表测量稳压二极管两端的电压值，随着可调直流稳压电源输出的增大，稳压二极管两端的电压会随之增大，当所测电压稳定在某个值不再变化时，此值即为稳压二极管的稳压值。对于13V以下的稳压二极管，可将稳压电源的输出电压调至15V，若稳压二极管的稳压值高于15V，则应将稳压电源输出电压调至20V以上。【操作步骤】每人分配不同稳压值的稳压二极管若干只，用万用表检测正反向电阻值（方法参考普通二极管检测）并用以上方法1或方法2测量稳压值。【实训记录】将以上各项检测结果填入表中。任务4整流桥的引脚判别与性能检测【操作步骤】（1）用指针式万用表判别引脚性质。判别引脚的性质，是根据全桥组件的内部结构，利用二极管的单向导电性进行检测的。图4-33所示为两只大功率整流桥的照片及整流桥的内部结构原理图。检测方法如下：（2）数字万用表判别引脚性质。（3）判别性能。【实训记录】将以上步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）的检测过程与结果，分别填入下。4.6晶体三极管的识别检测实训1．实训目的熟练掌握目测识读晶体三极管类型的方法。熟悉晶体三极管的功能特点，建立晶体三极管的检测思路及检测流程，重点掌握晶体三极管的检测特点与检测技巧，能够对不同种类的晶体三极管进行检测，测量直流放大系数并判断出它们的引脚极性及好坏。2．实训器材（1）指针式万用表一块；（2）数字式万用表一块；（3）各种不同类型、不同封装的晶体三极管若干。3．实训内容与步骤任务1晶体管引脚识别及性能好坏的检测【操作步骤】（1）晶体管引脚性质的目测识别。①晶体管电极引脚的排列方式具有一定的规律。对于国产小功率金属封装晶体管，引脚排列顺序一般是：将引脚所在圆截面正对眼睛，三个引脚所构成的等腰三角形顶点向下，从左向右依次为c、b、e；有定位销的晶体管，从定位销处开始，按顺时针方向依次为e、b、c；塑封小功率晶体管引脚排列顺序是：引脚向下，面对平面（另一面是弧形），从左向右依次为e、b、c，②塑封中功率TO－220封装的晶体管引脚排列顺序一般是：引脚向下，有字一侧正对眼睛，从左至右的顺序为b、c、e。③金属封装的大功率晶体管引脚的目测判定7。②检测晶体管类型。万用表仍调至R×1k或R×100挡，检测出晶体管基极后，将万用表的一只表笔与基极相接，另一表笔与剩下的两个引脚中的其中一个相接，测量电阻值；再将两只表笔对调，重新测量，共测得两次电阻值。以测得电阻值小的一次为准，对于指针式万用表，如果黑表笔所接的引脚为基极，则为NPN型晶体管；如果红表笔所接引脚为基极，则为PNP型晶体管。对于数字式万用表则相反。③检测集电极和发射极。【实训记录】①根据表中所列晶体管型号写出晶体管的类型、材料及功率、工作频率分类。②将用万用表判别晶体管引脚电极、类型的结果填入表4-14中。任务2晶体管直流电流放大系数β值的检测【操作步骤】（1）直接识读。有的晶体管用标注在管壳上的色点来标示β值的大小，色点的颜色与β值的关系见表。注意色点颜色表示的是β值的范围值，但对于某一个具体的晶体管，在同一检测条件下，其β值是一个确定的值。（2）用万用表检测β值。①指针式万用表测β值。②数字式万用表测β值。数字表同样可以测量晶体管的β值，测量结果以数字形式在LCD上显示注意①NPN型和PNP型管插孔不同，注意不要插错位置。②由于测试结果与测试条件有关，所得数据与标称β值可能有差距，且不同的万用表测试结果会有差别。【实训记录】（1）根据管壳上的色点判断晶体管的β值范围，并与万用表检测结果对比。将检测结果填入表中。（2）将已损坏和正常的晶体管若干只混装，用万用表检测性能好坏，进行分检。将检测结果填入表中。4.7晶体场效应管与晶闸管的识别检测实训4.7.1晶体场效应管的识别与检测实训1．实训目的熟悉晶体场效应管的功能特点，掌握场效应管的检测方法与检测技巧，能够对不同种类的场效应管进行检测，判断出它们的引脚及性能好坏。2．实训器材（1）指针式万用表一块；（2）数字式万用表一块；（3）各种不同类型、不同封装的晶体场效应管若干。3．实训内容与步骤任务1