半导体元器件及其特性

第1章半导体元件及其特征实训1常用半导体元件的识别与性能测试1.1半导体二极管1.2半导体三极管1.31.4第1章返回主目录第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征实训1常用半导体元件的识别与性能测方法1用万用表简易判别二极管、(一)(1)认识常用晶体二极管和三极管的外形特征。(2)学会使用万用表判别晶体二极管的极性和三极管的管脚。(3)熟悉用万用表判别二极管和三极管的质量。第1章半导体元件及其特征(二)(1)PN结的外加正、反向电压的工作原理和三极管电流放大原理。(2)预习万用表电阻挡的使用方法。(三)实训原理1.二极管的外形特征（1）二极管共有两根引脚，两根引脚有正、负之分，在使用中两根引脚不能接反，否则会损坏二极管或损坏电路中的其它元件。第1章半导体元件及其特征（2）二极管的两根引脚轴向伸出。（3）有一部分二极管外壳上标出二极管的电路符号，以便识别二极管的正负极引脚。2．晶体二极管内部实质上是一个PN结。当外加正向电压，也即P端电位高于N端电位时，二极管导通呈低电阻，当外加反向电压，也即N端电位高于P端电位时，二极管截止呈高电阻。因此可应用万用表的电阻挡鉴别二极管的极性和判别其质量的好坏。实图1.1所示为万用表电阻挡的等效电路。由图可知，表外电路的电流方向从万用表负端（-）流向正端（+），即万用表处于电阻挡时，其（-）端为内电源的正极，（+）端为内电源的负极。第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征由等效电路图可算出电阻挡在n倍率下输出的短路电流值。测试时，可由指针偏转角占全量程刻度的百分比θ（可通过指针所处直流电压刻度位置估算之）估算流经被测元器件的直流电流。可用下式计算：I=θ(1.1)在测试小功率二极管时一般使用R×100(Ω)或R×1k(Ω)挡，不致损坏管子。3.万用表测试三极管的原理1）三极管内部有两个PN结，即集电结和发射结，实图1.2（a）所示为NPN型三极管。与二极管相似，三极管内的PN结同样具有单向导电性。00nRE第1章半导体元件及其特征因此可用万用表电阻挡判别出基极b和管型。例如,NPN型三极管，当用黑表棒接基极b，用红表棒分别搭试集电极c和发射极e，测的阻值均较小；反之，表棒位置交换后，测的阻值均较大。但在测试时未知电极和管型，因此对三个电极脚要调换测试，直到符合上述测量结果为止。然后，再根据在公共端电极上表棒所代表的电源极性，可判别出基极b和管型。如实图1.2（b）所示。2）这可根据三极管的电流放大作用进行判别。实图1.3所示的电路，当未接上Rb时,无IB，则IC=ICEO很小，测得c、e间电阻大；第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征当接上Rb，则有IB，而IC=βIB+ICEO，因此，IC显然要增大，测得c、e间电阻比未接上Rb时为小。如果c、e调头，三极管成反向运用，则β小，无论Rb接与不接，c、e间电阻均较大，因此可判断出c和e极。例如，测量的管型是NPN型，若符合β大的情况，则与黑表棒相接的是集电极c。3）反向穿透电流ICEO的检查ICEO的大小是衡量三极管质量的一个重要指标，要求越小越好。按产品指标是在UCE某定值下测ICEO，因此用万用表电阻挡测试时，仅为一参考值测量方法仍如实图1.3所示，此时基极应开路，根据指针偏转角的百分比θ，由式（1.1）可估算出ICEO的大小。第1章半导体元件及其特征4）共发射极直流电流放大系数β测试方法与2）中判别c、e极方法相似。由三极管电流放大倍数原理可知，在接Rb时测得阻值比未接Rb时为小，即θ角百分比越大，表明三极管的电流放大系数越大。在掌握上述一些测试方法后，即可判别二极管和三极管的PN结是否损坏，是开路还是短路。这是在实用上判断管子是否良好所经常采用的简便方法。应该指出，在用万用表测量晶体管时，应该使用R×100(Ω)或R×1k(Ω)的电阻挡。若放在R×10k(Ω)挡上，则因万用表内接有较高电压的电池，有可能将PN结击穿。若用R×1(Ω)挡，则因万用表的等效电阻较小，会使过大的电流流过PN结，有可能会烧坏晶体管。第1章半导体元件及其特征(四)万用表一只；二极管：2AP型，2CP型各一只；三极管：3AX31,3DG6各一只；电阻：100kΩ一只；坏的二极管、三极管若干只。(五)1．测试二极管的正、负极性和正反向电阻用万用表电阻挡（R×100(Ω)或R×1k(Ω)挡）判别二极管的正、负极。2．判别三极管的管脚和管型（NPN型和PNP型）（1）用万用表电阻挡（R×100(Ω)或R×1k(Ω)挡）先判别基极b和管型。第1章半导体元件及其特征（2）判别出集电极c和发射极e，测定ICEO和β的大小。（3）用万用表测试坏的二极管和三极管，鉴别分析管子质量和损坏情况。(六)(1)将测得数据进行分析整理，填入实表1.1。实表1.1正、反向电阻测量值二极管类型2AP型2CP型万用表电阻挡R×100(Ω)R×1K(Ω)R×100(Ω)R×1K(Ω)正向电阻反向电阻第1章半导体元件及其特征(2)根据测量结果，总结出一般晶体二极管正向电阻、反向电阻的范围。(七)通过实训，你能否回答下列问题?(1)能否用万用表测量大功率三极管？测量时使用哪一挡，为什么？(2)为什么用万用表不同电阻挡测二极管的正向（或反向）电阻值时，测得的阻值不同?(3)用万用表测得的晶体二极管的正、反向电阻是直流电阻还是交流电阻？用万用表R×10(Ω)挡和R×1k(Ω)挡去测量同一个二极管的正向电阻时，所得的结果是否相同？为什么？第1章半导体元件及其特征(4)我们知道，二极管的反向电阻较大，需用万用表欧姆挡的R×1k(Ω)或R×10k(Ω)挡去测量。有人在测量二极管的反向电阻时，为了使表笔和管脚接触良好，用两手分别把两个接触处捏紧，结果发现管子的反向电阻比实际值小很多，这是为什么？方法2(一)(1)通过用普通万用表测试二极管和三极管的特性曲线，加深理解其特性曲线的物理意义。(2)了解被测管子各极间的电压和电流在数值上的关系和特点。第1章半导体元件及其特征(二)(1)测量二极管的正向和反向伏安特性对电源的连接和数值有什么要求？在测试同一条伏安特性过程中，为什么不要变更万用表的量程？(2)共发射极直流与交流电流放大系数概念上有什么区别？(3)三极管的输入特性和输出特性应在什么条件下进行测量？对测量电表有什么要求？(4)测试锗材料三极管的伏安特性时，若测试时间过长，为什么会影响测量结果？第1章半导体元件及其特征(三)1.用逐点法测试二极管正、反向伏安特性。逐点改变加在二极管两端电压UVD，测出各点电压UVD和与UVD相对应的电流IVD，即可描绘出伏安特性曲线。2.三极管共发射极组态伏安特性测试三极管共发射极组态的伏安特性有输入特性和输出特性。输入特性可用函数式:IB=f(UBE)|UCE=常数第1章半导体元件及其特征来表示，即在UCE电压保持不变情况下，基极输入回路中UBE和IB之间的关系。一般当UCE2V后，输入特性基本重合。IC=f(UCE)|IB=常数，即在基极电流IB保持不变情况下，在集电极输出回路中UCE和IC之间的关系。3.实训电路如实图1.4和实图1.5所示。第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征(四)1.测量二极管正、按实图1.4接线。(1)测正向伏安特性时，将S、S′各与1、1′相接，电源E=3V，电流用直流毫安表挡测量。(2)测反向伏安特性时，S、S′各与2、2′相接，电源E=30V，电流用直流微安挡测量。测量时，调节电位器RP使二极管两端电压从零开始逐点增加，并测出各点电压相对应的电流值IVD,记录于实表1.2和实表1.3内。第1章半导体元件及其特征实表1.2UVD/V00.100.150.200.250.300.400.500.600.70UVD/MA实表1.3二极管的反向特性-UVD/V0248121620242832-IVD/uA第1章半导体元件及其特征2.测量三极管的输入特性（1）按实图1.5接线，在开启电源前，将UBB调至3V，UCC置于零位，然后开启电源，仍使UCC=0V，并维持不变，即UCE=0V，然后调节RP，使UBE由0V开始逐渐增大，读测并记录与UBE各点相对应的IB，填入实表1.4中。实表1.4三极管的输入特性UBE/V00.100.300.500.550.600.650.700.750.80Uce=0VIB/MAUce=2V第1章半导体元件及其特征实表1.500.200.501510020406080100120第1章半导体元件及其特征(五)实训报告(1)整理数据，填好表格。(2)根据测试结果，用方格坐标描绘二极管正、反向特性曲线和三极管输入、输出特性曲线。(3)通过输出特性曲线，在UCE=6V,IB=60μA的工作点上求取共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β。(六)(1)如果要测试硅二极管的正向特性，应如何较合理地安排测试点，为什么？(2)测试PNP型三极管时，电源应如何连接？第1章半导体元件及其特征1.1半导体二极管1.1.1PN结的形成与特性1．PN在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴(带正电荷的载流子)数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。注意：不论N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。第1章半导体元件及其特征当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电，Ｎ区一侧带正电。ＰＮ结便产生了内电场，内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图１.1.1（b）所示。第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电，Ｎ区一侧带正电。ＰＮ结便产生了内电场，内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图１.1.1（b）所示。第1章半导体元件及其特征2.PN结的特性1）PN给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图1.1.2（a）所示。这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。2）PN结的反向截止特性第1章半导体元件及其特征第1章半导体元件及其特征给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图1.1.2（b）所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流IR很小，是少数载流子运动形成的。将一个PN结加上相应的两根外引线，然后用塑料、玻璃或