技能培训专题：电工电子技术之常用半导体器件性能与测试

LOGO项目8常用半导体器件性能与测试任务8.1二极管的性能与测试任务8.2三极管的性能与测试任务8.3晶闸管的性能与测试任务8.4拓展与训练项目8常用半导体器件性能与测试任务8.1二极管的性能与测试8.1.1PN结与单向导电性1.N型半导体和P型半导体自然界中存在的各种不同物质，按其导电能力衡量，可分为导体、半导体和绝缘体三大类。导电性良好的物质称为导体。几乎不导电的物质称为绝缘体。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。项目8常用半导体器件性能与测试物质导电能力的差异是由于物质内部的结构不同。物质由原子组成，原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。纯净的半导体称为晶体。半导体中存在两种载流子—电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。在半导体基片上掺入三价元素形成P型半导体。P型半导体中主要参与导电的载流子是带正电的空穴。在半导体基片上掺入五价元素形成N型半导体。N型半导体中主要参与导电的载流子是带负电的自由电子。项目8常用半导体器件性能与测试随着掺入杂质浓度的增加、温度升高或光照增强，都将引起半导体的导电能力剧烈增强。人们根据这些特点，制成多种性能的电子元器件，如二极管、三极管等元件。2.PN结与单向导电性如果采取工艺措施，在一块本征半导体中掺入不同的杂质，一边做成N型，另一边做成P型，则在P型半导体和N型半导体的交界面上就形成一个特殊的薄层，称为PN结。许多半导体器件都含有PN结。项目8常用半导体器件性能与测试（1）外加正向电压时，正向电流较大。PN结加正向电压的情况，如图8-1所示，即直流电源正极接P区，负极接N区。此时，PN结处于导通状态，导电方向从P区到N区，PN结呈现的电阻称为正向电阻，其值很小，一般为几欧到几百欧。（2）外加反向电压时，反向电流很小。PN结外加反向电压的情况如图8-2所示。即直流电源正极接N区，负极接P区，PN结基本上处于截止状态。此时的电阻称为反向电阻，其值很大，一般为几千欧至十几千欧。项目8常用半导体器件性能与测试综上所述，PN结外加正向电压时，正向扩散电流较大，PN结呈导通状态，结电阻小；PN结外加反向电压时，反向漂移电流很小，PN结呈截止状态，结电阻很大。因此PN结具有单相导电性。项目8常用半导体器件性能与测试8.1.2二极管的结构与伏安特性1.二极管的结构将一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成一只半导体二极管。不论何种型号、规格的二极管，都有两个电极：由P区引出的电极称为正极；由N区引出的电极，称为负极。项目8常用半导体器件性能与测试2.二极管的伏安特性二极管两端所加电压与流过管子的电流之间的关系曲线，称为伏安特性。当外加正向电压很低时，二极管正向电流几乎为零。只有在外加电压大于某一数值时，正向电流才明显增加，这个电压称为死区电压。项目8常用半导体器件性能与测试1.额定正向工作电流额定正向工作电流指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过二极管会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度，就会使管芯过热而损坏。2.最大浪涌电流最大浪涌电流，是允许流过的过量正向电流，它不是正常电流，而是瞬间电流。其值通常是额定正向工作电流的20倍左右。项目8常用半导体器件性能与测试3.最高反向工作电压加在二极管两端的反向工作电压高到一定值时，管子将会击穿，失去单向导电能力。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电压作用下，流过二极管的反向电流。5.反向恢复时间正向电压变成反向电压时，电流一般不能瞬时截止，要延迟一点时间，这个时间就是反向恢复时间。项目8常用半导体器件性能与测试8.1.4二极管的识别及其质量检测1.设别检波二极管检波二极管的作用是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱。项目8常用半导体器件性能与测试2.识别整流二极管整流二极管是利用PN结的单向导电特性，把交流电变成脉动直流电。整流二极管漏电流较大,多数采用面接触性料封装的二极管。项目8常用半导体器件性能与测试3.识别稳压二极管稳压二极管，是指利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成起稳压作用的二极管，如图8-7所示为稳压二极管。项目8常用半导体器件性能与测试4.识别发光二极管与白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低；工作电流很小；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制电流强弱方控制发光的强弱。项目8常用半导体器件性能与测试5.识别光电二极管光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。项目8常用半导体器件性能与测试6.识别变容二极管变容二极管的作用是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。项目8常用半导体器件性能与测试7.二极管的简易测试（1）使用指针式万用表判断二极管的正负极将万用表欧姆档的量程拨到R×1K、R×100档，并将两表笔分别接到二极管两端。正向偏置时，黑表笔所接的那一端是二极管的正极。项目8常用半导体器件性能与测试（2）使用指针式万用表检查二极管的好坏测得二极管的正反向电阻相差越大越好，若测得正反向电阻均为无穷大，则表明二极管内部断路。如果测得正、反向电阻均为零，此时表明二极管被击穿或短路。（3）使用数字万用表判断二极管的正负极将万用表的红黑表笔分别与被测二极管的两个引脚相接。测量结果若在1V以下，红表笔所接为二极管正极，黑表笔为负极；若显示1V，则黑表笔所接为正极，红表笔为负极。项目8常用半导体器件性能与测试（4）使用数字万用表检查二极管的好坏红黑表笔分别与被测二极管的两个引脚相接时，如果两个方向均显示超量程，则二极管开路；若两个方向均显示0V,则二极管击穿、短路。项目8常用半导体器件性能与测试8.1.5二极管应用电路分析1.钳位二极管钳位电路是指由两个二极管反向并联组成的，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，那么它的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降0.5～0.7V以下，从而起到保护电路的目的。项目8常用半导体器件性能与测试2.限幅设输入电压ui为正弦波，其幅值大于0.7V。当ui处于正半周，且ui小于0.7V时，二极管均截止，输出电压等于ui；当ui大于0.7V时，VD1导通，输出电压为0.7V。当ui处于负半周，且ui大于负0.7V时，二极管均截止，输出电压等于ui；当ui小于负0.7V时，VD2导通，输出电压为负0.7V。项目8常用半导体器件性能与测试3.稳压利用二极管正向导通时，在一定电流范围内，管子两端电压变化不大的特点，可组成正向稳压电路。项目8常用半导体器件性能与测试2.三极管的分类三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类。（1）按工作频率分有低频三极管、高频三极管和超高频三极管。（2）按材料和极性分有硅材料的NPN与PNP三极管。锗材料的NPN与PNP三极管。（3）按外形封装的不同可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装三极管、塑料封装三极管等。项目8常用半导体器件性能与测试（4）按功率分有小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。（5）按制作工艺分有平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。8.2.2三极管的电流放大作用如图8-18所示为NPN三极管的结构，由于内部存在两个PN结，表面看来，似乎相当于两个二极管背靠背地串联在一起，但是假设将两个单独的二极管连接起来，将会发现它们并不具有放大作用项目8常用半导体器件性能与测试第二，基区做得很薄，通常只有几微米到几十微米，而且掺杂比较少，则基区中多子的浓度很低。NPN三极管的基区为P型，浓度相对很低。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。由于发射结正向偏置，因而外加电场有利于多数载流子的扩散运动。又因为发射区的多子电子的浓度很高，于是发射区发射出大量的电子。这些电子越过发射结到达基区，形成电子电流项目8常用半导体器件性能与测试电子到达基区后，因为基区为P型，其中的多子是空穴，所以从发射区扩散过来的电子和空穴产生复合运动而形成基极电流，基区被复合掉的空穴由外电源不断进行补充。但是，因为基区空穴的浓度比较低，而且基区很薄，所以，到达基区的电子与空穴复合的机会很少，因而基极电流比发射极电流小得多。大多数电子在基区中继续扩散，到达靠近集电结的一侧。项目8常用半导体器件性能与测试8.2.3三极管的主要参数1.电流放大系数β表征三极管电流放大能力的参数。通常以100左右为宜。2.集电极最大允许电流ICM集电极最大允许电流ICM。ICM是指三极管的参数变化不允许超过允许值时的最大集电极电流。当电流超过ICM时，管子的性能显著下降，集电结温度上升，甚至烧坏管子。项目8常用半导体器件性能与测试3.集电极最大允许耗散功率PCM为了限制集电结温升不超过允许值而规定的最大值，该值除了与集电极有关外，还与集电极和发射极之间的电压有关。4.集电极、发射极之间反向击穿电压U(BR)CEO三极管基极开路时，允许加到C-E极间的最大电压。一般三极管为几十伏，高反压的管子的反向击穿电压大到上千伏。项目8常用半导体器件性能与测试5.穿透电流ICEO穿透电流是衡量一个管子好坏的重要指标，穿透电流大，三极管电流中非受控成分大，管子性能差。由于穿透电流是由少子飘移形成，因此受温度影响大，温度上升，穿透电流增大很快。8.2.4三极管的识别及其质量检测1.三极管的外形特征（1）小功率三极管有金属外壳和塑料外壳两种，如图8-20所示为金属外壳和塑料外壳三极管。项目8常用半导体器件性能与测试2.三极管的简单测试（1）判断三极管的管型及基极将万用表拨至RX100档或RX1K档，调零。用黑表笔接触某一管脚，红表笔分别接触另外两个管脚，如表头读数都很小，则与黑表笔接触的管脚是基极，同时可知此三极管为NPN型，且第二脚为基极。若用红表笔接触某一管脚，而黑表笔分别接触另外两个管脚，表头读数同样都很小时，则与红表笔接触的管脚是基极，同时可知此三极管为PNP型。项目8常用半导体器件性能与测试（2）判断三极管的集电极和发射极、估测电流放大系将万用表拨至RX100档或RX1K档，调零。以NPN管为例。确定基极后，假定其余的两只管脚中的一只是集电极，将黑表笔接到此脚上，红表笔接到假设的发射极上。在基极与假设的集电极之间并接一只100千欧的电阻，观察并记下并联电阻前后表针的偏转角度。然后再假设另外一只脚为集电极，做同样的测试并记下并联电阻前后表针的偏转角度。项目8常用半导体器件性能与测试8.2.5三极管的三种工作状态1.放大状态当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管处放大状态。此时二者的关系为ΔIC＝βΔIB。该式体现了三极管的电流放大作用。对于NPN三极管,工作在放大区时UBE≥0.7V,而UBC＜0。项目8常用半导体器件性能与测试2.饱和状态当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。此时三极管失去了放大作用,IC＝βIB或ΔIC＝βΔIB关系不成立。项目8常用半导体器件性能与测试一般认为UCE＝UNE,即UCB＝0时,三极管处于临界饱和状态,当UCE＜UBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用UCES表