二极管、三极管、场效应管的学习.doc

二极管5.1.5 半导体二极管的型号命名1.国产半导体器件的命名方法二极管的型号命名通常根据国家标准GB-249-74规定，由五部分组成。第一部分用数字表示器件电极的数目；第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性；第三部分用汉语拼音字母表示器件的类型；第四部分用数字表示器件序号；第五部分用汉语拼音字母表示规格号。如表5.1所示。表 5.1 国产半导体器件的命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分符号意义字母意义字母意义字母意义意义意义2二极管AN型，锗材料P普通X低频小功率（a3MHz，PC1W反映二极管、三极管参数的差别反映二极管、三极管承受反向击穿电压的高低。如A、B、C、D其中承受的反向击穿电压最低，B稍高BP型，锗材料W稳压管CN型，硅材料Z整流管G高频小功率a3MHz，PC1WDP型，硅材料L整流堆3三极管APNP型，锗材料N阻尼管D低频大功率a3MHz，PC1WBNPN型，锗材料K开关管CPNP型，硅材料F发光管A高频大功率a3MHz，PC1WDNPN型，硅材料S隧道管E化合物材料U光电管T可控硅CS场效应管BT特殊器件2.日本半导体器件的命名方法日本半导体器件命名型号由五部分组成。第一部分用数字表示半导体器件有效数目和类型。1表示二极管，2表示三极管；第二部分用S表示已在日本电子工业协会登记的半导体器件；第三部分用字母表示该器件使用材料、极性和类型；第四部分表示该器件在日本电子工业协会的登记号；第五部分表示同一型号的改进型产品。具体符号意义如表5.2所示。表5.2 日本半导体器件的命名第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分序号意义符号意义序号意义序号意义序号意义0光电二极管或三极管S已在日本电子工业协会注册登记的半导体器件APNP高频晶体管多位数字该器件在日本电子工业协会的注册登记号ABCD.该器件为原型号产品的改进产品BNP低频晶体管CNPN高频晶体管1二极管DNPN低频晶体管2三极管或有三个电极的其他器件EP控制极可控硅GN控制极可控硅HN基极单结晶管JP沟道场效应管3四个电极的器件N沟道场效应管M双向可控硅3.美国半导体器件的命名方法美国电子工业协会半导体分立器件命名型号由五部分组成。第一部分为前缀；第二部分、第三部分、第四部分为型号基本部分；第五部分为后缀；这五部分符号及意义如表5.3所示。表5.3 美国半导体器件的命名第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用符号表示器件的类别用数字表示PN结数目美国电子工业协会注册标志美国电子工业协会登记号用字母表示器件分挡序号意义符号意义序号意义序号意义序号意义JAN或J军用品1二极管N该器件是在美国电子工业协会注册登记的半导体器件多位数字该器件在美国电子工业协会的注册登记号ABCD.同一型号器件的不同挡别2三极管无非军用品3三个PN结器件4N个PN结器件5.1.6 二极管的伏安特性实际的二极管伏安特性曲线如图5.5所示，实线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。图5.5 二极管的伏安特性曲线1.正向特性当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。以上是二极管的正向特性。2.反向特性当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。以上是二极管的反向特性。5.2 晶体二极管的主要参数描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号的二极管均用表格列出其参数。二极管的主要参数有以下几种：1.最大平均整流电流IF（AV）IF（AV）是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时，工作电流应小于IF（AV），否则，可能导致结温过高而烧毁PN结。2.最高反向工作电压VRMVRM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压VBR时，二极管可能被击穿损坏，因而，VRM通常取为（1/22/3）VBR。3.反向电流IRIR是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR =IR（sat），但考虑表面漏电等因素，实际上IR 稍大一些。IR 愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。另外，IR 与温度密切相关，使用时应注意。4.最高工作频率fMfM是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。fM的大小主要由二极管的电容效应来决定。5.二极管的电阻就二极管在电路中电流与电压的关系而言，可以把它看成一个等效电阻，且有直流电阻与交流电阻之别。（1）直流等效电阻RD直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压UD与流过二极管的直流电流ID之比，即RD的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。不过应注意的是，使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。其原因是二极管工作点的位置不同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。（2）交流等效电阻rd rd亦随工作点而变化，是非线性电阻。通常，二极管的交流正向电阻在几几十欧姆之间。需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性很大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。5.3 晶体二极管的分类二极管按材料分有：硅二极管、锗二极管、砷二极管等。按结构不同有点接触二极管、面接触二极管，外形如图5.6所示。（a）接触二极管 (b)面接触二极管图5.6 二极管外形按用途分有：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。无论构成二极管的材料如何、结构如何、特性如何，二极管均具有单向导电性和非线性的特点。1.整流二极管整流二极管的主要功能是将交流电转换成脉动直流电。整流二极管除有硅管和锗管之分外，还可分为高频整流二极管、低频整流二极管、大功率整流二极管及中、小功率整流二极管。整流二极管具有金属封装、塑料封装、玻璃封装及表面封装等多种形式。应用较多的有2CZ、4001等系列，其外形如图5.7所示。（a）2CZ系列（b）4001系列图5.7 整流二极管外形通常可以采用流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波的半波整流。电路图和波形图分别如图5.8(a)和5.8(b)所示。(a)电路图(b)波形图图5.8 单相半波整流电路及波形图2.检波二极管检波（也称解调）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。检波二极管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。常用的国产检波二极管有2AP系列锗玻璃封装二极管，其外形如图5.9所示。图5.9 检波二极管外形3.稳压二极管硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点。1） 稳压管的伏安特性通过实验测得稳压管伏安特性曲线、符号与典型实物如图5.10所示。 （a）伏安特性曲线 （b）符号（c）典型实物图5.10 稳压管伏安特性曲线、符号与典型实物从特性曲线可以看到，稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样；反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压达到一定数值以后，反向电流突然上升， 而且电流在一定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的，只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致引起热击穿而损坏稳压管。2）稳压管的主要参数稳压二极管的主要参数有： (1)稳定电压UZ稳定电压实际上就是稳压二极管的击穿电压。通常是指管子电流为规定值时，管子的两端的电压值，不同型号管子有不同的稳定电压值，以适应各种不同的使用要求。即使同一型号管子，由于工艺分散性也不尽相同，使用时要挑选。(2)稳定电流IZ它通常是指稳压二极管工作于击穿区的最小工作电流，在使用时工作电流应大于此值，这样才能具有较好的稳压作用。 (3) 额定功耗PZ它是由管子温度所限定的参数，与PN结的材料、结构及工艺有关。为保证管子不致因过热而损坏，使用中不允许超过此值。3）稳压二极管的应用稳压二极管用来构成的稳压电路，如图5.11所示。UI是不稳定的可变直流电压，希望得到稳定的电压UO，故在两者之间加稳压电路。它由限流电阻R和稳压管VDZ构成，RL是负载电阻。图5.11 稳压管稳压电路4.发光二极管发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED(Light Emitting Diode)。发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN结组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同。常见的LED有红、绿、黄等颜色。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力。由于发光二极管体积小、可靠性高、耗电省、寿命长，被广泛用于信号指示等电路中。发光二极管通常有以下几种：(1)普通发光二极管普通发光二极管工作在正偏状态。检测发光二极管，一般用万用表R×10k()挡，方法和普通二极管一样，一般正向电阻15k左右，反向电阻为无穷大。 (2)红外线发光二极管 红外线发光二极管工作在正偏状态。用万用表R×1k()挡检测，若正向阻值在30k左右，反向为无穷大，则表明正常，否则红外线发光二极管性能变差或损坏。 (3)激光二极管 根据内部构造和原理，判断激光二极管好坏的方法是通过测试激光二极管的正、反向电阻来确定好坏。若正向电阻为2030k，反向电阻为无穷大，说明正常，否则，要么激光二极管老化，要么损坏。1）发光二极管的伏安特性发光二极管的伏安特性、符号与典型实物如图5.12所示。它和普通二极管的伏安特性相似，只是在开启电压和正向特性的上升速率上略有差异。当所施加正向电压UF未达到开启电压时，正向电流几乎为零，但电压一旦超过开启电压时，电流急剧上升。发光二极管的开启电压通常称做正向电压，它取决于制作材料的禁带宽度。例如GaAsP红色LED约为1.7V，而GaP绿色的LED则约为2.3V。LED的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件长时间稳定而可靠的工作，安全使用电压选择在5 V以下。（a）伏安特性 （b）符号（c）典型实物图5.12 发光二极管的伏安特性曲线、符号与典型实物2)发光二极管的应用(1)电源通断指示发光二极管作为电源通断指示电路，如图5.13所示，通常称为指示灯，在实际应用中给人提供很大的方便。发光二极管的供电电源既可以是直流的也可以是交流的，但必须注意的是，发光二极管是一种电流控制器件，应用中只要保证发光二极管的正向工作电流在所规定的范围之内，它就可以正常发光。具体的工作电流可查阅有关资料。图5.13 发光二极管作为电源通断指示电路(2)电平表目前，在音响设备中大量使用LED电平表。它是利用多只发光管指示输出信号电平的，即发光的LED数目不同，则表示输出电平的变化。电路如图5.14所示。由5只发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时，全不发光。输入信号电平增大时，首先LED1亮，再增大LED2亮。图5.14电平表电路(3)数码管数码管是电子技术中应用的主要显示器件，其就是用发光二极管经过一定的排列组成的，如图5.15(a)所示。这是最常用的七段数码显示。要使它显示09的一系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可。七段数码显示有共阳极如图5.15(b)和共阴极如图5.15(c)之分。数码的典型实物如图5.15(d)所示。数码管的驱动方式有直流驱动和脉冲驱动两种，应用中可任意选择。数码管应用十分广泛，可以说，凡是需要指示或读数的场合，都可采用数码管显示。(a) 二极管的排列） （b）共阳极 (c) 共阴极(d)典型实物图5.15数码管5.变容二极管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。变容二极管是利用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。变容二极管有玻璃外壳封装（玻封）、塑料封装（塑封）、金属外壳封装（金封）和无引线表面封装等多种封装形式如图5.16所示。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。变容二极管的电路图形符号如图5.17所示。 图5.16 变容二极管(a) 新符号 (b)旧符号图5.17 变容二极管的电路图形符号6.光电二极管光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。光电二极管的符号、特性曲线与典型实物如图5.18所示。光电二极管的主要特点是，它的反向电流与照度成正比，其灵敏度的典型值为0.1mA/lx数量级。(a)符号 (b)等效电路 (c)特性曲线(d)典型实物图5.18 光电二极管光电二极管的种类很多，多应用在红外遥控电路中。为减少可见光的干扰，常采用黑色树脂封装，可滤掉700nm波长以下的光线。光电二极管对长方形的管子，往往做出标记角，指示受光面的方向。一般情况下管脚长的为正极。光电二极管的管芯主要用硅材料制作。光电二极管常用英文缩写PD表示。7.恒流二极管恒流二极管（简称CRD）是用来稳定电流的二极管，它可以在较宽的电压变化范围内提供恒定不变的电流。其外形和电路图形符号如图5.19所示。 (a) 恒流二极管外形 (b) 恒流二极管电路符号图5.19恒流二极管恒流二极管主要应用各种放大电路（如音频功放电路）、振荡电路及稳压电源电路，在电路中作为恒流源或恒流偏置元件。恒流二极管的应用电路如图5.20所示。常用的恒流二极管有2DH系列。图5.20 恒流二极管的应用电路8.补偿二极管补偿二极管是一种具有良好的温度特性和稳压特性的半导体二极管，广泛应用于各种半导体收音机、音响系统和通信设备中作温度补偿及电源降压补偿。常用的补偿二极管有2CB系列等，2CB系列补偿二极管采用环氧树脂陶瓷圆片状封装的外形和应用电路图如图5.21所示。补偿二极管2CB系列的主要参数如表5.6所示。 (a) 外形 (b)应用电路图图5.21 补偿二极管9.双基极二极管双基极二极管又称单结晶体管，是具有一个PN结的三端负阻器件。如图5.22所示，双基极二极管由一个PN结和一个N型硅片构成，在硅片的两端分别引出两个基极B1和B2，在PN结的P型半导体上引出的电极为发射极E。基极B1和基极B2之间的N型区域可以等效为一个纯电阻，即基区电阻RBB。该电阻的阻值随着发射极电流的变化而改变。(a)内部结构 (b)等效电路图5.22 双基极二极管双基极二极管广泛应用于各种振荡器、定时器和控制器电路中。双基极二极管的典型实物与电路图形符号如图5.23所示，其应用电路如图5.24所示。常用的双基极二极管有BT31系列、BT32系列和BT33系列。(a) 典型实物 (b) 电路图形符号图5.23 双基极二极管的典型实物与电路图形符号图5.24 双基极二极管的应用电路10.磁敏二极管磁敏二极管是一种磁电转换半导体器件，可以在较弱的磁场作用下，产生较高的输出电压，并随磁场方向的变化同步输出变化的正、负电压。磁敏二极管应用于磁场检测、电流测量、无触点开关及无电刷直流电动机的自动控制等方面。其电路图形符号如图5.25所示。图5.25 磁敏二极管电路图形符号常用的磁敏二极管有2DCM系列和2ACM系列。11.精密二极管精密二极管（简称PD）是一种具有稳定电压和稳定电流功能的高精度二极管，它工作温度适应范围较宽、线性好、稳定性非常高，主要应用于各种电子电路中，作为恒流源或恒压源。精密二极管的电路图形符号和文字符号与普通二极管相同。精密二极管的外形如图5.26所示。图5.26 精密二极管的外形常用的精密二极管有HW系列（单管）、SHW系列（对管）和THW系列（带温控器）等。12.隧道二极管隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半导体二极管，其优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。隧道二极管的文字符号与普通二极管相同，电路图形符号与典型实物如图5.27所示。 （a）新图形符号 （b）旧图形符号 （c）典型实物图5.27 隧道二极管电路图形符号与典型实物13.开关二极管开关二极管的作用是利用其单向导电特性使其成为一个较理想的电子开关。开关二极管除能满足普通二极管和性能指标要求外，还具有良好的高频开关特性（反向恢复时间较短），被广泛应用于家电电脑、电视机、通信设备、家用音响、影碟机、仪器仪表、控制电路及各类高频电路中。开关二极管的封装形式有塑料封装和表面封装等，典型实物如图5.28所示图5.28 开关二极管的典型实物开关二极管的应用电路如图5.29所示。图5.29 开关二极管的应用电路开关二极管分为普通开关二极管、高速开关二极管、超高速开关二极管、低功耗开关二极管、高反压开关二极管、硅电压开关二极管等多种。其中硅电压开关二极管是一种新型半导体器件，有单向电压开关二极管和双向电压开关二极管之分，主要应用于触发器、过压保护电路、脉冲发生器及高压输出、延时、电子开关等电路。单向电压开关二极管也称转折二极管，邮PNPN四层结构的硅半导体材料组成，其正向为负阻开关特性（指当外加电压升高到正向转折电压值时，开关二极管由截止状态变为导通状态，即由高阻转为低阻），反向为稳定特性。是单向电压开关二极管的外形图和电路图形符号如图5.30所示。图5.30 单向电压开关二极管的外形图和电路图形符号双向电压二极管由NPNPN五层结构的硅半导体材料组成，其正向和反向均具有相同的负阻开关特性。双向电压开关二极管的外形图和电路图形符号如图5.31所示。(a)外形图 (b) 电路图形符号图5.31 双向电压开关二极管14.肖特基二极管肖特基（Schottky）二极管也称肖特基势垒二极管（简称SBD），它是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别，它的内部是由阳极金属（用钼或铝等材料制成的阻挡层）、二氧化硅（SiO2）电场消除材料、N-外延层（砷材料）、N型硅基片、N+阴极层及阴极金属等构成如图5.32所示。在N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。图5.32肖特基二极管结构肖特基二极管分为有引线和表面安装（贴片式）两种封装形式。采用有引线式封装的肖特基二极管通常作为高频大电流整流二极管、续流二极管或保护二极管使用。它有单管式和对管（双二极管）式两种封装形式，如图5.33所示。图5.33 有引线式封装的肖特基二极管肖特基对管又有共阴（两管的负极相连）、共阳（两管的正极相连）和串联（一只二极管的正极接另一只二极管的负极）三种管脚引出方式，如图5.34所示。图5.34 肖特基对管脚引出方式采用表面封装的肖特基二极管有单管型、双管型和三管型等多种封装形式，有A19种管脚引出方式，如图5.35和图5.36。图5.35 表面封装的肖特基二极管的外形图5.36表面封装的肖特基对管脚引出方式15.阻尼二极管阻尼二极管类似于高频、高压整流二极管，其特点是具有较低有电压降和较高的工作频率，且能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流。阻尼二极管主要用在电视机中，作为阻尼二极管、升压整流二极管或大电流开关二极管使用。阻尼二极管的外形如图5.37所示。图5.37 阻尼二极管的外形16.变阻二极管变阻二极管是利用PN结之间等效电阻可变的原理制成的半导体器件，主要用在101000MHZ高频电路或开关电源等电路中作可调衰减器，起限幅、保护等作用。变阻二极管的等效电阻，随加在二极管两端的正向偏置电压的大小变化而改变。当二极管两端的正向偏压增高时，二极管的正向电流将增大，其等效内阻将减小；当二极管两端的正向偏压降压时，二极管的正向电流也随之减小，其等效内阻将增大。当二极管的外加偏置电压固定时，二极管的等效电阻会保持稳定。变阻二极管一般采用轴向塑料封装，外形如图5.38所示。其应用电路如图5.39所示。图5.38 变阻二极管的外形图5.39 变阻二极管应用电路常见的用于高频电路中的高频变阻二极管有1SV121和1SV99等型号，其正向偏置电流在010mA变化时，其等效内阻则在83k之间变化。用于彩色电视机开关电源中的变阻二极管有SV-02SV-08等型号，等效内阻均较大，通常在几十千欧姆至几百千欧姆之间。5.4 晶体二极管的测量5.4.1普通二极管的检测普通二极管（包括检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管）是由一个PN结构成的半导体器件，具有单向导电特性。通过用万用表检测其正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。1.极性的判别 将机械万用表置于R×100档或R×1k档，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，有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。如图5.40所示。(a)电阻小 (b)电阻大三极管 金属封装三极管 TO-92小塑封三极管图6.2 三极管的外形结构图6.3三极管的电路符号（e）图6.12 复合三极管复合管的电流放大系数近似等于两个管子电流放大系数的乘积。同时复合管具有穿透电流大的缺点。2.光电三极管光电三极管也称光敏三极管，其等效电路和电路符号如图6.13（a）、（b）所示，典型实物如图6.12（c）所示。(a)等效电路 (b)电路符号（c）典型实物图6.13 光电三极管3.光电耦合器光电耦合器是将发光二极管和光敏元件（光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等）组装在一起而形成的二端口器件，其电路符号如图6.14（a）所示，典型实物如图6.14（b）所示。它的工作原理是以光信号作为媒体将输入的电信号传送给外加负载，实现了电光电的传递与转换。光电耦合器主要用作高压开关、信号隔离器、电平匹配等电路中，起信号的传输和隔离作用。（a）电路符号（b）典型实物图6.14 光电耦合器场效应管 图7.1 场效应管的外形（d）典型实物 图7.2 结型场效应管(d) 典型实物 图7.6 增强型MOS管