《电工电子技术》 课件 项目六 常用半导体器件

项目六常见半导体器件2024年12月校训：志存高远

技能报国【任务导入】电子技术中常用的元器件一般都是由半导体材料制成的，因而称为半导体器件。半导体器件是在20世纪50年代发展起来的，具有体积小、质量轻、使用寿命长、输入功率小及转换效率高等优点。二极管和三极管是构成集成电路的基础单元，被广泛应用于各种电子电路中。【教学目标】知识目标（1）掌握

PN

结的单向导电性。（2）理解二极管的伏安特性曲线。（3）理解二极管、三极管的基本结构和基本特性。（4）熟练掌握二极管、三极管的符号及用途。

能力目标（1）能够识别二极管的管脚，判断二极管的好坏。（2）能够区分三极管的类别，判断三极管的管脚。

素质目标（1）养成在使用元器件前，先对元器件进行质量检测的习惯。（2）在学习过程中做到认真、严谨的学习态度。

思政目标介绍我国在半导体技术领域的重大突破和成就，如华为海思的麒麟芯片、中芯国际的先

进制程技术等。通过这些实例，让学生认识到我国在半导体产业上的快速发展和创新能力，

激发他们的民族自豪感和爱国情怀。重难点（1）二极管、三极管的识别与检测。（2）二极管的单向导电性。（3）三极管对电流的放大作用。任务

一

半导体二极管

知识目标掌握二极管基本结构和基本特性，并能理解其检测方法。

能力目标能掌握二极管识别及性能的检测。

素质目标通过对各种二极管的检测，学会对其质量进行评估。

思政目标在介绍半导体二极管时，简要概述半导体行业的发展现状和未来趋势，包括技术进步、市场需求、政策支持等方面。让学生认识到这一领域的重要性和发展潜力，激发他们对未来职业发展的兴趣和期待。

一、半导体的基础知识自然界的物质按照导电性可分为导体、半导体和绝缘体。而半导体的导电能力介于导体

和绝缘体之间，我们常见的半导体材料有硅和锗。（

一

）半导体的特性半导体之所以被广泛的应用，是因为其具有热敏性、光敏性和掺杂性。1.

热敏特性当环境温度升高时,导电能力显著增强。利用半导体对温度十分敏感的特性，可做成温

度敏感元件，如热敏电阻。2.

光敏性当受到光照时，导电能力明显变化。利用这一特性可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。3.

掺杂性在纯净的半导体中，掺入适量的杂质，导电能力明显改变。几乎所有的半导体器件（如

二极管和三极管、场效应管、

晶闸管以及集成电路等），都是采用掺有特定杂质的半导体制作。（二）

PN

结纯净的半导体称为本征半导体。在本征半导体里掺入微量杂质元素，导电性能会明显提

高。根据掺入杂质元素性质不同，杂质半导体可分为

P

型半导体和

N

型半导体两大类。

1.

P

型半导体P

型半导体是在本征半导体硅（锗）中掺入微量的三价硼元素，掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或

P

型半导体。2.N

型半导体N

型半导体是在本征半导体中硅（锗）掺入微量的五价磷元素，掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或

N

型半导体。3.

PN

结的形成通过一定的工艺把

P

型半导体和

N

型半导体结合在一起，在它们的交界处形成一个具有特殊性能的薄层，称为

PN

结。4.PN

结的单向导电性PN

结外加正向电压，即P区接电源的正极，N区接电源的负极，

称为

PN

结正偏，如图

6.1（a）所示。这时PN结处于正向导通状态。如果PN结加反向电压，即P区接电源的负极，N区接电源的正极，称为PN结反偏，如图6.1（b）所示。这时PN结处于反向截止状态。综上所述，

PN结正偏导通，反偏截止，具有单向导电性。

二、二极管的伏安特性及主要参数二、二极管的伏安特性及主要参数PN

结是构成各种半导体器件的基础。将

PN

结加上引出线和管壳，就构成了二极管。

P

区引出为正极（又称阳极），N

区引出为负极（又称阴极）。二极管的文字符号为VD，图形

符号如图

6.2所示。

（

一

）伏安特性二极管的伏安特性，即流过二极管的电流与二极管两端电压之间的关系。图6.3

小功率硅二极管伏安特性曲线如图6.3所示为小功率硅二极管的伏安特性曲线。既然二极管内部是由一个PN

结所构成，当然具有单向导电性，从二极管的伏安特性曲线可知，当二极管两端加较小的正向电压，二极管还不能导通，这一段称为死区（硅管死区电压小于0.5V，锗管死区电压小于0.1V

）。当外加正向电压超过死区电压后，二极管处于正向导通状态。导通时二极管的正向压降变化不大，超过死区后，二极管中电流增大，二极管导通（硅二极管的导通电压约为

0.7V，锗管约为

0.3V

）。当二极管两端加反向电压时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，此时的二极

管并不是理想的截止状态，它有很小的反向电流，反向电流不随反向电压的增大而增大，而

基本保持不变，因此称为反向饱和电流，记做

IS

。当所加反向电压过高，且大于反向击穿电

压VRM

时，反向电流在图

6.3

中的

D

点处会突然剧增，这被称为反向击穿。此时，二极管可

能将被击穿烧毁。普通二极管被击穿后，

由于反向电流很大，

一般会造成“热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。从二极管的伏安特性曲线上可以看出：流过二极管的电流与加在二极管上的电压不成比例，也就是说，二极管的内阻不是一个定值。所以，二极管是一个非线性元件。（二）主要参数（1）最大整流电流

IF

（2）最高反向工作电压

URM

此外，还有正向压降、反向电流、工作频率等参数。三、二极管的分类二极管的种类很多，按不同的分类标准，划分的类型也不同。（1）按使用的材料可以分为硅管和锗管两大类。（2）按二极管管型来划分，可以分为

NPN

型二极管和

PNP

型二极管。（3）按用途来划分，可以分为普通二极管和特殊二极管，常见的特殊二极管有稳压二极

管、发光二极管、开关二极管、光敏二极管等，图形符号如下图所示。1.

稳压二极管稳压二极管简称稳压管，用于稳定直流电压。它工作在反向击穿区域，主要是利用了

PN结反向击穿时，两端电压基本保持不变的特性，采用特殊工艺制成的一种二极管。因为它工作在反向击穿条件下，所以反向电流很大，

一般在外电路中取适当的限流措施，使稳压管能安全工作，如图

6.5所示为稳压管的外形图。图

6.5

稳压二极管四、二极管的判别（

一

）外观（目测法）（1）一般来说，我们可以观察到，如图6.9

所示，二极管有横杆或者有色端标识的一端

为负极。反之，另外一端为二极管正极。

图6.9

二极管外形图（2）直插式发光二极管的判断，

如图

6.10

所示，则长脚是正极，

短脚是负极。内部大的

为负极，小的为正极。

图6.10

发光二极管2.

发光二极管发光二极管简称

LED

，是用特殊的半导体材料，发光二极管正常工作时，工作电流为10～30mA，正向电压降

为1.5～

3V。图6.6

为发光二极管外形图。

图

6.6

发光二极管3.

开关二极管开关二极管利用正向偏置时二极管电阻很小，反向偏置时电阻很大的单向导电性，在电路中对电流进行控制，起到接通或关断的开关作用。开关二极管主要应用于收音机、电视机、影碟机等家用电器如图

6.7所示。

图

6.7

开关二极管图

6.7

开关二极管4.

光敏二极管如图6.8

所示光敏二极管的实物图，其结构与一般二极管相似，是一种采用PN结单向导电性能的结型光电器件，也叫光电二极管。能够将光信号转换成电信号的探测器件，光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。其具有体积小、重量轻、使用寿命长、灵敏度高等特点。

图

6.8

光敏二极管图

6.8

光敏二极管（二）万用表检测1.

二极管极性的测量图6.11

用指针式万用表简易测二极管极性示意图2.

二极管好坏的判定表6.1

二极管正、反向电阻值检测分析表

检测结果二极管状态性能判断正向电阻反向电阻二极管单向导电正常趋于无穷大趋于无穷大二极管正、负极之间已经断开开路趋于零趋于零二极管正、负极之间已经通路短路二极管正向电阻大反向电阻减小单向导电性变劣性能变劣任务二

半导体三极管

知识目标掌握三极管基本结构和基本特性，并能理解其检测方法。能力目标能进行三极管识别及性能的检测。

素质目标初步掌握三极管的检测方法，能够对其质量进行评估。

思政目标讲述三极管的诞生背景及其发明者——威廉·肖克利、沃尔特·布拉丹和约翰

·巴丁的故事。这三位科学家在1947

年美国贝尔实验室通过不懈努力，成功发明了世界上第一只三极管，这一成就不仅标志着电子技术的重大突破，也为后续的半导体工业发展奠定了坚实基础。

一、三极管的结构半导体三极管简称三极管或晶体管，是放大电路的核心元件，主要功能是进行电流放大

作用，是电流控制元件，其外形如下图

6.12所示。

图6.12

半导体三极管的外形三极管的基本结构如下图

6.13所示：在一块半导体基片上,用一定的工艺方法形成两个PN结，实际它就是有两个靠的很近的PN结所构成。图

6.13三极管的结构和符号二、三极管的伏安特性及主要参数（

一

）伏安特性三极管的伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线。因为三极管的共射接法应用最广，故以NPN管共射接法为例来分析三极管的特性曲线。1.

输入特性输入特性是指在集射极之间电压

UCE

为常数时，基极电流IB与基射极之间电压UBE

的关系曲线

IB

=f(UBE

)│UCE=常数

，如图6.14所示。

图6.14

三极管共射极输入特性曲线

从曲线图中不难发现，

三极管与二极管正向特性相似，

也有一段死区电压（硅管约

0.5V，锗管约

0.2V

）。当三极管正常工作时，发射结压降变化不大，该压降称为导通电压（硅管约

0.6～0.7V，锗管约

0.2～

0.3V

）。图6.14

三极管共射极输入特性曲线从曲线图中不难发现，

三极管与二极管正向特性相似，

也有一段死区电压（硅管约

0.5V，锗管约

0.2V

）。当三极管正常工作时，发射结压降变化不大，该压降称为导通电压（硅管约

0.6～0.7V，锗管约

0.2～

0.3V

）。2.输出特性输出特性是指在基极电流

IB

为常数时，

集电极电流

IC与集射极电压UCE之间的关系曲线IC

=f(UCE

)∣IB=常数

。每一个IB值，有一条特性曲线与之对应。三极管的输出特性是一组曲线，如图

6.15所示。

图6.15

三极管输出特性曲线在输出特性曲线上可划分为三个区：放大区、截止区、饱和区。图6.15

三极管输出特性曲线在输出特性曲线上可划分为三个区：放大区、截止区、饱和区。1

）放大区输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。处在放大状态时，在三极管输出特性曲线中，

除去饱和区与截止区，余下的部分称为放大区，也就是特性曲线比较平坦的部分。在放大区

UCE

>UBE

，三极管的发射结处于正偏，集电结处于反偏。这时集电极电流

IC

受基极电流

IB

的控制，并且遵循

IC

=βIB

的规律，这就是三极管具有放大作用。在放大区，当IB恒定时，IC

基本不变，IC

随UCE

的变化很小，这称为三极管的恒流特性。2

）饱和区三极管处在饱和状态下的特点是发射结正偏，集电结也是正偏。IC不随IB变化，称为集电极饱和电流，记作ICS

，ICS主要由外电路决定。这时，发射区向基区注入了大量的电子，使基区的电子浓度高于集电区。集电结正向电压建立的电场对基区电子向集电区运动，虽然有阻碍作用，但由于浓度差产生的扩散作用，仍有电子从基区进入集电区形成集电极电流，三极管饱和时，集电区收集电子的能力很差，基极电流IB

的变化不能影响集电极电流IC

，即IC不再受IB的控制，三极管这时丢失了放大作用。三极管工作在饱和状态时的

UCE

电压称为集电极与发射极之间的饱和压降，用UCES表示。小功率三极管

UCES

很小，硅管约

0.3V左右，锗管约0.1V

左右，并且它随IC的增加而略有增加。三极管的集电极和发射极近似短接，三极管相当于开关的接通。3

）截止区在输出特性中，IB=0的那条曲线与横坐标轴之间所夹区域称为截止区。三极管处在截止区，三极管各极电流基本为零，各极之间如同断开一样，处于截止状态而不具有放大作用。处于截止区的条件：发射结反偏，集电结反偏，IB=0，IC=ICEO≈0；三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于开关断开。（二）

三极管的主要参数三、三极管的分类三极管的种类很多，具体分类如下：（1）按制造材料分：可分为硅三极管和锗三极管。（2）按导电类型分：可分为NPN型和PNP型，锗管大多数为PNP型，硅管大多数为

NPN

型。（3）按工作频率分：

可分为低频管和高频管，低频管一般工作频率在3MHz以下，高频管可达到几百兆赫。（4）按允许耗散功率大小分：可分为小功率管和大功率管，小功率管指额定功耗在1W以下，大功率管在几十W

以上。四、三极管的判别（

一

）用指针式万用表检测三极管极性的方法1.

辨别基极和管型的方法图6.16

基极和管型的判别如图

6.16所示，将万用表旋置欧姆挡

R×

100

或

R×

1k挡位将黑表笔放在一个引脚上不

动，红表笔分别测另外两个引脚，在两次测量中，若测量的电阻都比较小，则三极管为NPN型，黑表笔所接的引脚为基极；反之，如果两次测量的电阻都很大，则三极管为PNP型，黑

表笔所接的引脚为基极；若两次测量中，电阻值一大一小，则黑表笔所接的电极不再是基极，这时，要将万用表的黑表笔换到其他两个电极进行测试，直到找到基极。2.辨别其他两极的方法图6.17

集电极的判别如图

6.17所示，将万用表旋置欧姆挡

R×10k挡位，再辨别NPN型或PNP三极管的集电极与发射极。对于NPN型三极管，测量时，将红、黑表笔分别接基极以外的两个电极，用一只手指将黑表笔和基极接触，观察指针偏转大小；将红、黑表笔对调再测一次，对比两次指针偏转大小，则偏转大的一次，黑表笔所接的是集电极，红表笔所接是发射极。对于PNP型三极管而言，测量方法一致，不同之处在于，黑表笔所接为发射极，红表笔所接为集电极。（二）

三极管质量好坏的检测三极管是由两个PN结组成的，根据管子的型号查明电极位置，然后通过用万用表测极

间电阻可检查

PN

结构的好坏。测试时使用万用表

R×100

或

R×1k

。硅管的两个

PN

结正向电阻为几百欧到几千欧（表针指示在表盘中间或偏右一点），反向电阻应很大，在500kΩ以上（表针基本不动）。锗管的正、反向电阻值比硅管相应小些。如果测出的PN结正、反向电阻差不多，都很大或都很小，则表明三极管内部断路或短路，已经损坏。

五、其他晶体管（

一

）场效应管场效应管可分为结型和绝缘栅型两类，而使用最广泛的是绝缘栅型。下面以绝缘栅型场效应管为例，对场效应管进行介绍。绝缘栅型场效应管是由金属（Metal

）、氧化物（Oxide）和半导体（

Semiconductor）材料

构成的，因此又叫

MOS

管。它是以一块

P

型薄硅片为衬底，在它上面扩散两个高杂质的

N

型区，作为源极

S

和漏极

D。在硅片表面覆盖一层绝缘层，然后再用金属铝引出一个电极

G

（栅极）。由于栅极与其他电极绝缘，称为绝缘栅场效应管。根据导电方式的不同，它又可以分为增强型和耗尽型两类，每一类又包括N沟道和P沟道两种，如图

6.18所示。P沟道增强型MOS管的符号

P沟耗尽型MOS管的符号

图6.18MOS管的电路符号（二）晶闸管晶体闸流管简称晶闸管，也称为可控硅整流元件（

SCR

），是由三个

PN

结构成的一种大功率半导体器件。在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可

靠的可控性，它只有导通和关断两种状态。图6.19

晶闸管的外形图及电路符号晶闸管也有三个电极，阳极

A、阴极

K及门极

G

。它的主要特点是：（1）阳极、阴极间加反向电压时不导通