2.5　半导体器件

半导体器件是电子电路中的常用器件，它常用于整流、检波、开关、放大等电路中，常见的半导体器件有二极管、桥堆、晶体管、晶闸管和场效应管等。

2.5.1　半导体器件的命名

根据GB/T 249—1989规定，国产半导体器件的型号由以下五部分组成，如图2-37所示。

一些特殊半导体器件如场效应管、半导体特殊器件、复合管的型号命名，只有第三、第四、第五部分组成。其型号命名方法如表2-14所示。

常见的半导体分立器件的封装及引线如图2-38所示。目前，常见的器件封装多是塑料封装或金属封装，玻璃封装的二极管和陶瓷封装的晶体管。金属材料外壳封装的晶体管可靠性高、散热好并容易加装散热片，但造价比较高；塑料封装的晶体管造价低，应用广泛。

2.5.2　半导体二极管

1.半导体二极管的分类与电路符号

半导体二极管简称二极管，是由一个PN结加上引线及管壳组成。二极管具有单向导电性，其类型很多，按制作材料不同分为锗二极管和硅二极管；按制作的工艺不同分为点接触型二极管和面接触型二极管。点接触型二极管用于小电流的整流、检波、限幅、开关等电路中；面接触型二极管主要作整流用。按用途不同又可分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光敏二极管等。常用二极管的图形符号如图2-39所示。

2.二极管的主要参数

（1）直流电阻。二极管加上一定的正向电压时，就有一定的正向电流，因而二极管在正向导通时，可近似用正向电阻等效。

（2）额定电流。二极管的额定电流是指二极管长时间连续工作时，允许通过的最大正向平均电流。

（3）最高工作频率。最高工作频率是指二极管能正常工作的最高频率。选用二极管时，必须使它的工作频率低于最高工作频率。

（4）反向击穿电压。反向击穿电压指二极管在工作中能承受的最大反向电压，它是使二极管不致反向击穿的电压极限值。

3.二极管的简单检测与选用

（1）普通二极管的检测与选用

普通二极管指整流二极管、检波二极管、开关二极管等。其中，包括硅二极管和锗二极管，它们的测量方法大致相同（以指针式万用表测量为例）。

将万用表置于R×100挡或R×1k挡。黑表笔接二极管的正极，红表笔接二极管的负极，测量其电阻，然后交换表笔再测一次。如果两次测量值一次大一次小，则二极管正常，如图2-40所示。如果二极管正、反向阻值均很小，接近零，说明二极管内部击穿；反之如果正、反向阻值均极大，接近无穷大，说明该二极管内部已断路，以上两种情况均说明二极管已损坏，不能使用。普通二极管一般有玻璃封装和塑料封装2种，它们的外壳上均印有型号和标记。标记有箭头、色点、色环3种，箭头所指方向或靠近色环的一端为负（阴）极，有色点的一端为正（阳）极。如果遇到二极管的标记不清楚时，可用上述方法判别二极管的正负极性。两次测量中，万用表上显示阻值较小的为二极管的正向电阻，黑表笔接触的一端为二极管的正极，另一端为二极管的负极。

在选用二极管时首先确保所选二极管在使用时不能超过它的极限参数，即额定工作电流、反向工作电压、最高工作频率等，并留有一定的余量。此外，还应根据不同的技术要求，结合不同的材料所具有的特点做如下选择：

①当要求反向电压高、反向电流小、工作温度高于100℃时应选硅管。需要导通电流大时，选择面接触型硅管。

②要求压降低时选择锗管；工作频率高时，选择点接触型二极管（一般为锗管）。

（2）稳压二极管的检测与选用

稳压二极管是利用PN结反向击穿时所表现的稳压特性而制成的半导体器件。稳压二极管有塑料和金属外壳封装两种。一般二极管的外形与普通二极管（如2CW7）相似。有一种稳压二极管外形与小功率晶体管（2DW7、2CW231等）相似，其内部有两个反向串联的稳压二极管（见图2-41），自身具有温度补偿作用，常用在高精度的仪器或稳压电源中。

用万用表检测稳压二极管的方法如下：首先判断正、负极（与普通二极管判断方法相同），将万用表置于R×10k挡，黑表笔接稳压二极管的负极，红表笔接正极，若此时的反向阻值变小（与使用R×1k挡测出的值相比较）说明该管为稳压二极管。因为万用表的R×10k档内电池的电压一般都在9V以上，当被测稳压二极管的击穿电压低于该值时，可以被反向击穿，使其阻值大大减小。当被测稳压二极管的稳压值大于9V时，可利用图2-42所示电路进行检测。图中电源为0～30V连续可调直流稳压电源，限流电阻可用1.5kΩ，功率大于5W的电位器或可调电阻器，电压表为50V直流电压表（或用万用表直流50V电压挡）。电路接好后进行检测时，慢慢调整限流电阻器RP的阻值，使加在被测稳压管上的电压值逐渐升高，当升高到某一电压值时，继续调整RP，电压不再升高，此时电压表指示的电压值为稳压二极管的稳压值。如果在调整RP的过程中，电压表指示的电压值不稳定，说明被测二极管的质量不良。如果调整RP使电压已升高到电源输出电压，仍找不到稳压值，则说明被测稳压二极管的稳压值高于直流稳压电源的输出电压值或被测管根本不是稳压二极管。

使用稳压二极管的注意事项如下：

①任意数量的稳压二极管可以串联使用（串联稳压值为各管稳压值之和），但不能并联使用。

②工作过程中所用的稳压二极管的电流与功率不允许超过其极限值。

③在电路中的连接应使稳压二极管工作于反向击穿状态，即工作在稳压区。

④稳压二极管替换时，必须使替换上去的稳压二极管与原稳压二极管的稳压值相同，而最大允许工作电流则要相等或更大。

2.5.3　半导体晶体管

半导体晶体管，简称晶体管，是一种电流控制电流的半导体器件。它最基本的作用是放大，即把微弱的电信号转换成幅度较大的电信号。此外，还可作为无触点开关。它结构牢固、寿命长、体积小、耗电低，被广泛应用于各种电子设备中。

1.晶体管的分类、符号、外形及引脚排列

晶体管的种类很多，按所用的半导体材料分为硅管和锗管；按结构分为NPN管和PNP管；按用途又可分为低频管、中频管、高频管、超高频管、大功率管、中功率管、小功率管和开关管等；按封装方式分为玻璃壳封装、金属壳封装、塑料壳封装等。晶体管的电路图形符号如图2-43所示。

锗晶体管的增益大，频率特性好，适用于低电压电路；硅晶体管（多为NPN型）反向漏电流小，耐压高，温度漂移小，能在较高的温度下工作和承受较大的功率损耗。在电子设备中常用的小功率（功率在1W以下）硅管和锗管有金属外壳封装和塑料外壳封装两种，见图2-38（b）。金属外壳封装管壳上一般都有定位销，将管底朝上从定位销起按顺时针方向3个电极依次为e、b、c。若管壳上无定位销，只要将3个电极所在的半圆置于上方，按顺时针方向3个电极依次为e、b、c。塑料外壳封装的NPN管，面对侧平面将3个电极置于下方，从左到右3个电极依次为e、b、c，见图2-38（b）。

大功率晶体管外形一般分为F型和G型两种。F型管从外形上只能看到两个电极（e、b）在管底，底座为c；G型管的3个电极一般在管壳的顶部。大功率F型和G型晶体管的外形如图2-44所示。

2.晶体管的主要参数

晶体管参数：一类是应用参数，表明晶体管在一般工作时的各种参数，主要包括电流放大系数、截止频率、极间反向电流、输入/输出电阻等；另一类是极限参数，表明晶体管的安全使用范围，主要包括击穿电压、集电极最大允许电流、集电极最大耗散功率等。

3.晶体管的检测

在此重点讲述检测和判断中小型晶体管（以指针式万用表为例）。

（1）晶体管管型和电极判断

①晶体管管型和基极的判断。判断晶体管是PNP型还是NPN型可将万用表置于R×100挡或R×1k挡把黑表笔接某一引脚，红表笔分别接另外两引脚，测量两个电阻，如测得的阻值均较小，则黑表笔所接引脚为晶体管的基极b，该管为NPN型，若出现高阻，则该管为PNP型。

②晶体管发射极和集电极的判断。判定基极后可以进一步判断集电极和发射极。如果所测得的是PNP管，先将红、黑表笔分别接在除基极以外的其余两个引脚上，用拇指和食指把基极和红表笔接的那个引脚一起捏住（注意两引脚不能短接），记录万用表测量值；然后对换万用表两表笔，重复操作，记录万用表测量值。比较两次测量结果，阻值小的那一次黑表笔所接的引脚是发射极e，红表笔所接的引脚是集电极c。若是NPN管，同样，电阻小的一次黑表笔所接的引脚是集电极c，红表笔所接引脚是发射极。

（2）晶体管放大倍数的检测

以NPN型晶体管为例，将置于R×100或R×1k挡。按图2-45所示电路连接，先将万用表黑表笔接被测管的集电极c，红表笔接发射极e（若测PNP型晶体管则交换黑、红表笔），然后将电阻器R（50～100kΩ）接入电路，（测锗管时电阻R可在1～20kΩ之间选用）测量时先断开SA，不接电阻R（让b极悬空），万用表指针应向右偏转（偏转很小，如图2-45中万用表指针实线所示），然后闭合SA，接上电阻R或用手指捏住集电极和基极（注意，C、B间不能短接）此时万用表指针偏转的角度越大，说明被测管的直流放大倍数越大。如果接上R以后指针向右偏转角度不大或者停留在原位不动，表明晶体管的放大能力很差或者已经损坏。上述方法的优点是简单易行，缺点是只能比较被测管的相对大小，而不能测出的具体数值。

（3）判别高频管与低频管

高频管的截止频率大于3MHz，而低频管的截止频率则小于3MHz。一般情况下，二者是不能互换使用的。其判别方法是（以NPN型晶体管为例），将万用表置于R×1k挡，黑表笔接晶体管的发射极e，红表笔接基极b。此时阻值一般均在几十万欧，甚至更高。接着将万用表置于R×10k高阻挡，红、黑表笔接法不变，重新测量一次发射极、基极间的阻值。若所测阻值与第一次测得的阻值变化不大，可基本断定被测管为低频管；若阻值变化较大，超过万用表满量程的1/3，可基本判定被测管为高频管。

4.晶体管的选用原则

晶体管正常工作需要满足一定的条件，若超过允许条件范围则可能使晶体管不能正常工作，甚至会遭到永久性损坏。因而，选用时应考虑以下各因素：

（1）选用的晶体管，切勿使工作时的电压、电流、功率超过手册中规定的极限值，并根据设计原则选取一定的余量，以免烧坏晶体管。

（2）对于大功率晶体管，特别是外延型高频晶体管，在使用中的二次击穿往往使功率晶体管损坏。为了防止二次击穿，必须降低晶体管的使用功率和电压。

（3）选择晶体管的频率，应符合设计电路中的工作频率范围。

（4）根据设计电路的特殊要求，如稳定性、可靠性、穿透电流、放大倍数等，均应进行合理选择。

5.晶体管的使用注意事项

（1）加到晶体管3个电极的电压极性必须正确。PNP型晶体管的发射极对其他两电极是正电位，而NPN管则应是负电位。

（2）晶体管引出线弯曲处离管壳的距离不得小于2mm。

（3）晶体管的基本参数相同可以替换，性能高的可以代换性能低的。通常锗、硅管不能互换。

（4）晶体管安装时应避免靠近发热元器件并保证管壳散热良好。大功率晶体管应加散热器，散热器应垂直安装，以利于空气自然对流。

2.5.4　场效应管与晶闸管

场效应管（FET），又称单极型晶体管，它属于电压控制型半导体器件。其特点是输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象，受温度和辐射影响小，因此被广泛用于高灵敏和低噪声电路、数字电路、通信设备及大规模集成电路中。

1.场效应管的分类与符号

场效应管按结构可分为结型（JEET）和绝缘栅型（又称金属氧化物半导体场效应管MOSFET，简称MOS管）两大类。它们都有3个电极，即源极（s）、栅极（g）与漏极（d），结型是利用导电沟道之间耗尽区的宽窄来控制电流；绝缘栅型是利用感应电荷的多少来控制导电沟道的宽窄从而控制电流大小的。按导电方式来分，场效应管又可分为耗尽型和增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型也有增强型。它们的类型符号和结构如图2-46所示。

2.场效应管的主要参数

（1）跨导gm是反映场效应管放大能力的参数。

（2）饱和漏极电流IDSS（耗尽型管）在UGS=0的条件下，场效应管的漏极电流。

（3）夹断电压UP（耗尽型管）是指当UDS为某固定值时，使ID≈0时，栅极上所加的最小电压UGS即为夹断电压UP。

（4）开启电压UT（增强型管）在UDS为某一固定数值的条件下，使沟道可以将漏-源极连接起来的最小的UGS即为开启电压。

（5）直流输入电阻RGS是指漏源极间短路的条件下，栅源极间加一定电压（如10V）时，栅源电压与栅极电流之比。结型为107Ω数量级，绝缘栅型可达到1010Ω以上。

除上述参数之外，还有漏源击穿电压UDS、最大耗散功率PDM、最高工作频率fM和噪声系数NF等参数，均可在手册上查得。

3.场效应管的检测

场效应管有结型和绝缘栅型两种，其外形与晶体管相似，也有3个电极，即源极s（对应晶体管的e极）、栅极g（对应于晶体管的b极）和漏极d（对应于晶体管的c极），但二者的控制特性截然不同。

（1）结型场效应管的检测

①判别电极及沟道类型。由图2-46可知，在结型场效应管的栅极g与源极s、栅极g与漏极之间各有一个PN结，栅极对源极和漏极呈对称结构。根据这一特点可很准确地判定出栅极，进而将源极s和漏极d确定。具体测试时将万用表置于R×100Ω挡，用黑表笔任接一电极，然后用红表笔分别接触另外两个引脚。若两次测得阻值基本相等，均比较小（几百欧至1000Ω），说明所测的是结型场效应管的正向电阻，此时黑表笔所接的是栅极g，并且被测管为N沟道的结型场效应管。如果两次测得的阻值都很大，则说明均为结型场效应管的反向电阻，黑表笔所接的也是栅极g，但被测管不是N沟道类型，而是P沟道类型。由于结型场效应管的源极和漏极在结构上具有对称性，所以一般可以互换使用，通常两个电极不必再进一步进行区分，当用万用表测量源极s和漏极d之间的电阻时，正反向电阻均相同，正常时为几千欧左右。

对于已知引脚排列的结型场效应管，根据上述规律，基本可以判明结型场效应管的好坏。

②检测结型场效应管的放大能力。以N沟道结型场效管为例，测试电路如图2-47（a）所示，将万用表置于直流10V挡，红、黑表笔分别接漏极和源极。测试时，调节RP，万用表指示的电压值应按下述规律变化：RP向上调，万用表指示电压值升高；RP向下调，万用表指示电压值降低。这种变化说明场效应管有放大能力。在调节RP的过程中，万用表指示的电压值变化越大，说明场效应管的放大能力越强。如在调节RP时，万用表指示变化不明显或根本无变化，说明场效应管放大能力很小或已经失去放大能力。

③检测夹断电压UP（以N沟道结型场效应管为例）。将万用表置于R×10kΩ挡，先将黑表笔接电解电容器的正极，红表笔接电解电容器的负极，对电容器充电8～10s后移开表笔；再将万用表置于直流50V挡，迅速测出电解电容器上的电压，并记录下此值；然后，按照图2-47（b）所示进行测试；将万用表拨回至R×10kΩ挡，黑表笔接漏极d，红表笔接源极s，这时指针应向右旋转，指示基本为满量程；将已充好电的电解电容器正极接源极s，用电解电容器负极去接触栅极g，这时指针应向左转，一般指针退回至10～200kΩ时，电解电容器上所充的电压值即为结型场效应管的夹断电压UP。测试过程中应注意，如果电容器上所充的电压太高，会使结型场效应管完全夹断，万用表指针可能退回至无穷大。遇到这种情况，可用直流电压10V挡将电解电容器适当进行放电，直到使电解电容器接至栅极g和源极s后测出的阻值在10～200kΩ范围内为止。

（2）MOS场效应管的检测

MOS场效应管实际上是一种绝缘栅型场效应管，目前常用的多为双栅型场效应管，如图2-48所示。这种场效应管有两个串联的沟道，两个栅极都能控制沟道电流的大小。靠近源极s的栅极g1是信号栅，靠近漏极d的栅极g2是控制栅。

MOS场效应管与结型场效应管的不同之处是栅极与源极、漏极绝缘，输入电流几乎为零，输入电阻极高，一般在1012Ω以上。突出特点是工作频率高、增益高、噪声小、动态范围宽、抗信号过载能力强、抗干扰性能好，广泛应用于电器设备中的高频电路中。

①判定引脚。目前MOS场效应管的引脚位置排列顺序基本相同，从其底部看，按逆时针方向依次是d、s、g1、g2，所以，只要用万用表电阻挡测出漏极d和源极s两脚，就可以将各引脚确定。检测时将万用表置R×100Ω挡，用红、黑表笔依次轮换测量各引脚间的电阻值，只有s和d两极间的电阻值在几十欧至几千欧之间，其余各电极间的阻值均为无穷大。这样找到s和d极以后，再交换表笔测量这两个电极间的阻值，其中在测得阻值较大的一次测量中，黑表笔所接的为d极，红表笔所接的为s极。知道d和s极以后，g1和g2极便可根据排列规律加以确定。

②检测好坏。测量源极s和漏极d间电阻。将万用表置于R×10Ω或R×100Ω挡，测量源极s和漏极d之间的电阻值，正常时，一般在几十欧到几千欧之间，不同型号的MOS场效应管略有差异。当黑表笔接d，红表笔接s时，电阻值要比红表笔接d，黑表笔接s时所测得的电阻值大些。这两个电极之间的电阻若大于正常值或者为无穷大，说明MOS场效应管存在内部接触不良或内部断极。若接近于零，则说明内部已被击穿。

测量其余各引脚间的电阻。将万用表置于R×10kΩ挡，两表笔不分正负，测量栅极g1和g2之间、栅极与源极之间、栅极与漏极之间的电阻值。正常时，这些电阻值均应为无穷大。若阻值不是无穷大，则证明被测场效应管已经损坏。注意，这种方法对于内部电极开路性故障是无法判断的，只能采用替换法或下述估测放大能力的方法加以检测鉴定。

③估测放大能力。将万用表置于R×100Ω挡，红表笔接s极，黑表笔接d极，此时阻值应较大。在g1和g2极上各引出一根导线，导线的外皮越薄效果越明显。用手捏住两导线，即相当于把人体感应电场加到了g1和g2上。这时万用表指针应向右摆动，摆幅越大，说明被测管的放大能力越强；若指针摆动很小，则说明被告测管放大能力很弱；若指针根本不摆动，则说明被测管已经失去了放大能力。

④MOS场效应管的保存方法。对于绝缘栅场效应管（MOS管）来说，由于其输入电阻很大（109～1015Ω），栅源极之间的感应电荷不易泄放，使得少量感应电荷产生很高的感应电压，极易使MOS管击穿。因而MOS管在保存时，应把它的3个电极短接在一起。取用时，不要拿它的引脚，而要拿它的外壳。使用时，要在它的栅源极之间接入一个电阻器或一个稳压二极管，以降低感应电压的大小。在焊接、测试场效应管时应该采取防静电措施，即将场效应管的3个电极短接，且电烙铁、测试仪器的外壳必需接地，焊接时也可将电烙铁烧热后断开电源用余热进行焊接。

（3）功率型绝缘栅场效应管的检测

功率型场效应管又称VMOS场效应管，它不仅具有输入阻抗高、驱动电流小的优点，而且还具有耐压高（最高耐压达1200V）、工作电流大（1.5～100A），输入功率大（1～250W），跨导线性好、开关速度快等优点。

①判定栅极g。将万用表置于R×1kΩ挡，分别测量3个引脚之间的电阻，如果测得某引脚与其余两引脚间的电阻值均为无穷大，且对换表笔测量时阻值仍为无穷大，则此引脚是栅极g。因为栅极g与其余两引脚是绝缘的。但要注意，此种测量法仅对管内无保护二极管VMOS管适用。

②判定源极s和漏极d。将万用表置于R×1kΩ挡，先用一表笔将被测VMOS管的3个电极短接一下，然后交换表笔测两次电阻，如果被测管是好的，必然会测得阻值为一大一小。其中，阻值较大的一次测量中，黑表笔所接的为漏极d，红表笔所接的是源极s，被测VMOS管为N沟道管。如果被测为P沟道管，则所测阻值的大小规律正好相反。

③好坏的判断。将万用表置于R×1k档，测量RGD和RGS电阻值，无论黑表笔接法如何，所测阻值均应为无穷大。如果这两个阻值不为无穷大，则说明栅极g与另外两个电极间有漏电现象，这样的VMOS管是不能使用的。

注意：以上测量方法适用于内部无保护二极管的VMOS管。

4.晶闸管

晶闸管，主要分为单向晶闸管和双向晶闸管两种，主要工作在开关状态，具有承受高电压、大电流的优点，常用于大电流场合下的开关控制，是实现无触点弱电控制强电的首选器件，在可控整流、可控逆变、可控开关、变频、电动机调速等方面应用广泛。由于晶闸管最初应用于可控整流方面，所以又称可控硅整流元器件，简称可控硅（SCR）。

（1）单向晶闸管

单向晶闸管广泛应用于可控整流、交流调压、逆变和开关电源电路中，其结构、图形符号、外形如图2-49所示。它有3个电极，分别为阳极（a）、阴极（k）和控制极（g），控制极又称门极或栅极。它是一种PNPN四层半导体器件，有3个PN结，其中控制极是从P型硅层上引出，供触发晶闸管用。晶闸管一旦导通，即使撤掉正向触发信号，仍能维持导通状态。只有阳极a和阴极k之间的电压小于导通电压或加反向电压时，单向晶闸管才会从导通变为截止。因此，单向晶闸管是一种导通时间可以控制的、具有单向导电性能的直流控制器件，常用于整流、开关、变频等自动控制电路中。

（2）双向晶闸管

双向晶闸管是在单向晶闸管的基础上发展而成的新型器件。单向晶闸管实质上属于直流控制器件，只能正向控制时导通，反向时阻断。而双向晶闸管则是一种理想的交流控制器件。其结构、图形符号和外形如图2-50所示。

双向晶闸管属于一种NPNPN五层器件，也有3个电极，分别为第一电极t1、第二电极t2和控制极g，但t1和t2则不再固定划分阳极或阴极，而统称为主端子。双向晶闸管的突出特点是可以双向导通且具有4种触发状态。它不仅能代替两只反极性并联的单向晶闸管，而且仅需一个触发电路，是一种理想的交流开关器件。广泛用于交流开关、交流调压、交流调速、灯具调光，以及固态继电器和固态接触器等电路中。

（3）晶闸管极性及其好坏的判别

①单向晶闸管极性及其好坏判别。用万用表R×1kΩ挡任意测量其两极，若出现指针发生较大摆动，则表示黑表笔接触的是控制极g，红表笔接触的是阴极k，另一个引脚就是阳极a。

判断其好坏时，首先用R×1kΩ挡测量a、k极正向电阻（一般为无穷大）而k、g极则具有二极管特性。其次，再用R×1Ω挡测量晶闸管能否维持导通，黑表笔接a极。红表笔接k极，此时指针应指向无穷大，当黑表笔同时接触a、g极时，指针即发生偏转，则该晶闸管为好管。

②双向晶闸管极性及其好坏判别。双向晶闸管t2（第二阳极）极与g、t1（第一阳极）两极正反向电阻都为无穷大，且g极与t1极正反向电阻都较小，并基本相同，利用这一点可以判断出t2极。判断g极与t1极时，可以先设一极为g极，红表笔接t1极。黑表笔接t2极，读出黑表笔触发一下g极后该晶闸管维持导通时的电阻值R1（黑表笔始终接触t2极）。再设另一极为g极，重复上述操作，该晶闸管维持导通的阻值为R2，比较R1与R2的大小，在阻值较小的那次测量中，黑表笔所接的是t1，红表笔所接的则为g极。双向晶闸管极性的判别过程就是其好坏的判断过程，若有必要还要检测其能否反向触发（用红表笔触发）且维持导通。

测量大功率晶闸管时（一般指10A以上），由于触发电流要求过大维持导通压降过高，万用表R×1Ω挡已不能提供足够的电压和电流，必须在红表笔端串入1个1.5V电池才能使晶闸管有足够的触发电流和导通压降。