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1、第4章半导体器件,导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体，常见的半导体材料有硅、锗和硒等。利用半导体材料可以制作各种各样的半导体元器件，如二极管、三极管、场效应管和晶闸管等都是由半导体材料制作而成的。半导体器件包括半导体二极管、三极管、复合管、场效应管、晶闸管、单结晶体管和激光器件等，其品种很多、应用极为广泛。,掌握半导体的特性，了解半导体的类型；掌握二极管的结构和工作原理；熟悉二极管的特点和作用；了解二极管的种类和参数；掌握三极管的结构和工作原理；熟悉三极管的特点和作用；了解三极管的种类和参数；了解场效应管的结构和原理，以及其特点和主要作用；了解晶闸管的结构和原理，以及其特点和主要作用
2、。,能力目标：,4.1半导体概述,半导体器件主要可用做整流器、振荡器、发光器、放大器和测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为“分立器件”。4.1.1半导体的特性半导体的主要特性有以下几点。1.掺杂性当向纯净的半导体中掺入少量某些物质时，半导体的导电性就会大大增强。二极管、三极管就是用掺入杂质的半导体制成的。,4.1半导体概述,2.热敏性当温度上升时，半导体的导电能力会增强，利用该特性可以将某些半导体制成热敏器件。3.光敏性当有光线照射半导体时，半导体的导电能力也会显著增强，利用该特性可以将某些半导体制成光电器件。,4.1半导体概述,4.1.2半导体的类型半导体主要有3种类型：本征半导体
3、、N型半导体和P型半导体。1.本征半导体纯净的半导体称为本征半导体，它的导电能力是很弱的，在纯净的半导体中掺入杂质后，半导体的导电能力会大大增强。2.N型半导体在纯净半导体中掺入五价杂质（原子核最外层有5个电子的物质，如磷、砷和锑等）后，半导体中会有大量带负电荷的电子（因为半导体原子核最外层一般只有4个电子，所以可理解为在掺入五价元素后，半导体中的电子数偏多），这种电子偏多的半导体称为N型半导体。,4.1半导体概述,3.P型半导体在纯净半导体中掺入三价杂质（如硼、铝和镓）后，半导体中的电子数偏少，有大量的空穴（可以看做正电荷）产生，这种空穴偏多的半导体称为P型半导体。,4.2二极管,4.2.1
4、二极管的结构与符号二极管是由两块半导体紧密地结合在一起而构成的，一块为P型半导体，另一块为N型半导体。两块半导体经过加工后形成一个整体，这样在它们的交界上就形成一个界面，这个界面就称为“PN结”，如图4-2-1所示。在P型与N型半导体上各加上一根引线，然后进行封装，便构成了一个“二极管”。其中，P端引出的为二极管的“+”极，N端引出的为二极管的“”极。二极管的文字符号用VD表示，图形符号如图4-2-2所示。,4.2二极管,4.2二极管,4.2.2二极管的种类二极管的种类很多，按功能与用途不同，可分为一般二极管和特殊二极管两大类。其中，一般二极管包括整流二极管、开关二极管和检波二极管等；特殊二极
5、管主要有稳压二极管、双向二极管、发光二极管、激光二极管和光敏二极管等。本节主要介绍几种常用的二极管。1.整流二极管整流二极管的作用是将交流电整流成脉动直流电，由硅材料或锗材料制成。硅材料的二极管具有良好的温度特性及耐压特性。通常，正向工作电流IF在1A以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；IF在1A以下的采用全塑料封装（见图4-2-3）。由于近代工艺技术地不断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形式。,4.2二极管,4.2二极管,整流二极管可分为低频整流管、高频整流管和全桥整流堆三种。（1）低频整流管低频整流管（也称普通整流管）主要用在市电50Hz电源整流电路及频率低于几百赫兹的低
6、频电路中。（2）高频整流管高频整流管（也称快恢复整流管）主要用在频率较高的电路中，如电视机的输出和开关电源电路。（3）全桥整流堆由于整流电路通常采用桥式整流电路，因而生产厂家将4个整流二极管封装在一起，组成一个器件称为“全桥整流堆”（简称“全桥”）。它具有4个引脚：两个交流输入端、一个直流正极输出端和一个直流负极输出端。全桥的文字符号用“UR”表示，图形符号如图4-2-4所示。整流二极管的一个重要参数是最高反向电压，使用时应选大于实际工作电压两倍以上的二极管；另一个重要参数是最大整流电流。,4.2二极管,4.2二极管,2.开关二极管由于半导体二极管在正向偏压下的导通电阻很小，而在施加的反向偏压
7、截止时，截止电阻很大，在开关电路中利用二极管的这种单向导电特性就可以对电流起接通和关断的作用，因此把用于这一目的的二极管称为开关二极管。其主要特性是开关时间明显短于普通二极管。开关二极管有接触型、平面型和扩散台面型三种。一般地，IF500mA的硅开关二极管，多采用全密封环氧树脂陶瓷片状封装，引脚较长的一端为正极，如图4-2-5所示。,4.2二极管,4.2二极管,3.稳压二极管稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用二极管的PN结反向击穿时，两端电压基本上不随电流变化而变化的特点来达到稳压的目的的。因它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称“稳压管”）。与普通二极管不同的是，
8、稳压二极管的工作电流是从负极流向正极。稳压二极管根据击穿电压来分挡，其稳压值就是击穿电压值。稳压二极管主要用做稳压器或电压基准器件，也可以串联起来得到较高的稳压值。稳压二极管的文字符号用“VS”表示，图形符号如图4-2-6所示。稳压管的伏安特性曲线如图4-2-7所示，当反向电压达到Vz时，即使电压有一微小的增加量，反向电流也会猛增（反向击穿曲线很陡直），这时二极管处于“击穿”状态，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。,4.2二极管,4.2二极管,4.变容二极管变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压的变化而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地应用于参
9、量放大器、电子调谐及倍频器等微波电路中。变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高Q值以适合应用的。变容二极管的结构与普通二极管相似，其图形符号如图4-2-8所示。几种常用变容二极管的型号参数见表4-1。,4.2二极管,4.2二极管,4.2二极管,5.发光二极管发光二极管通常用做指示或显示器件，其英文缩写为LED。发光二极管是采用磷化镓、磷砷化镓等半导体材料制成的，是可以将电能直接转换为光能的器件。给发光二极管外加一定的正向电压时，它就处于导通状态，当正向电流流过管芯时，发光二极管就会发光。发光二极管从亮度上分有普通亮度、高亮度及超亮度三种。发光二极管的
10、形状各异，许多数码管也是由发光二极管做成的。使用发光二极管时必须注意它的极性。发光二极管的文字符号用“VL”表示，图形符号如图4-2-9所示。,4.2二极管,发光二极管的发光颜色主要由制作管子的材料以及掺入杂质的种类决定。目前，常见单色型发光二极管的颜色有红色、绿色、黄色、橙色、蓝色、紫色、白色等，其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。发光二极管的工作电流通常为25mA，工作电压（即正向压降）随着材料的不同而不同：普通的红色、绿色、黄色、橙色，发光二极管一般需要2V正向电压才能导通发光；蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3V；白色发光二极管的工作电
11、压通常高于2.4V。使用发光二极管时要注意接限流电阻器，以免电流大烧毁发光二极管。,4.2二极管,6.阶跃恢复二极管阶跃恢复二极管（简称“阶跃管”）是一种特殊的变容管，又称为“电荷储存二极管”，它具有高度非线性的电抗，利用其反向恢复电流的快速突变中所包含的丰富谐波，可获得高效率的高次倍频，它是微波领域中优良的倍频元件，阶跃管的图形符号如图4-2-10所示，它的直流伏安特性与一般的PN结构相同。阶跃管的特点是：当处于导通状态的二极管突然加上反向电压时，瞬间反向电流立即达到最值IR，并维持一定的时间ts，接着又立即恢复到零，电流和时间的关系如图4-2-11所示。,4.2二极管,4.2二极管,4.2
12、.3二极管的特性晶体二极管的特性可以用“伏安特性曲线”表示。普通硅二极管的伏安特性如图4212所示，它反映的是流过二极管的电流随外加电压变化的规律。当所加电压在零值附近时，二极管中流过的电流为零。当正偏电压为0.5V左右时，电流开始出现；电压再增大时，电流明显增大；当电压超过0.7V时，正向电流便急剧增大。这个0.5V左右的正偏电压值称为硅二极管的“死区电压”或“阈值电压”（锗二极管的死区电压为0.2V左右），加在二极管上的正偏电压一定要大于此值管子才会导通。而0.7V左右的正偏电压值称为硅二极管的“正向压降”，一般硅管的正向压降为0.60.8V，锗管的正向压降为0.20.4V。,4.2二极管
13、,4.2二极管,若在普通二极管上加反偏电压，反向电流随电压增大而略微增加或不增加。但当反偏电压增大到一定值时，反向电流突然剧增，此时的PN结被击穿，这个电压称为“反向击穿电压”UBR。当反向电压小于反向击穿电压值时，反向电流始终很微小。由此可见，二极管同PN结一样，具有单向导电性。4.2.4二极管的参数二极管的主要技术参数有额定正向工作电流、最大浪涌电流、最高反向工作电压、反向电流、反向恢复时间和最大功率等。1.额定正向工作电流额定正向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。由于电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，当温度超过允许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就
14、会使管芯过热而损坏。因此，在使用二极管时不要超过二极管额定正向工作电流值。,4.2二极管,2.最大浪涌电流最大浪涌电流是指允许流过的过量的正向电流。它表示的是瞬间电流，这个值通常为额定正向工作电流的20倍左右。3.最高反向工作电压当加在二极管两端的反向电压高到一定值时，管子将会被击穿，失去单向导电的能力。为了保证使用的安全，规定了最高反向工作电压值（又称“反向耐压”）。如整流二极管IN4007的反向耐压为1000V。4.反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向工作电压的作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性能越好。反向电流与温度有着密切的关系，温度大约每升高10，
15、反向电流就增大一倍。因此，当温度上升到某一定值时，二极管不仅失去了单向导电特性，而且管子还会因过热而损坏。,4.2二极管,5.反向恢复时间从正向电压变成反向电压时，理想情况是电流能瞬时截止，而实际上却要延迟一段时间。电流截止延时的时间，就是“反向恢复时间”。6.最大功率最大功率是指加在二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管等特别重要。,4.2二极管,4.2.5二极管的检测1.开关、检波、稳压二极管的检测用万用表的R1k挡测量开关、检波、稳压二极管时，若测得的阻值较小，则为二极管的正向电阻，这时与黑表笔相连的是二极管的正极，与红表笔相连的是二极管的负极；否则为反向电阻，这时与黑
16、表笔相连的是二极管的负极，与红表笔相连的是二极管的正极。如果实测反向电阻很小，说明管子已被击穿；若正、反向电阻均为，表明管子已断路。若正、反向电阻相差不大或有一个阻值偏离正常值，表明管子性能不良，不能使用。由于二极管是一个非线性器件，当用万用表的电阻挡测量二极管时，不同的量程测出的正向电阻数值不同。,4.2二极管,2.区分锗管与硅管由于锗二极管和硅二极管的正向压降不同，因此可以用测量二极管正向电阻的方法来区分。若正向电阻小于1k，则为锗二极管；若正向电阻为15k，则为硅二极管。3.双向二极管的检测由于双向二极管的起始电压较高，一般在2635V，因而用普通万用表的电阻挡测量双向二极管的正、反向电阻值均为（因为一般指针万用表内的电池电压都在22.5V以下）。测试双向二极管需要外加一个高于双向二极管起始电压的电源，一般50V就足够了。测试时，将双向二极管与20k电阻器和电流表（可用万用表的1mA挡）串联后，接连续可调的直流电源。逐渐增加直流电源的电压，当电流表指针有较明显摆动时（几十微安以上就说明双向二极管导通了），此时的电压即可认为是双向二极管的起始电压。,4.2二极管,4.发光二极管的检
