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1、项目4 半导体二极管的检测与识别,项目要求:通过对一个功率放大器的实际解剖，要求学生会识别半导体二极管（以下称二极管）的种类，熟悉各种二极管的名称，了解不同类型的二极管的作用，掌握用万用表检测二极管的方法。,知识要求:（1）掌握二极管的种类、作用与标识方法。（2）掌握各种二极管的主要参数。,能力要求:（1）能用目视法判断、识别常见二极管的种类，能正确说出各种二极管的名称。（2）对二极管上标识的型号能正确识读，了解该二极管的作用和用途。（3）会用万用表对各种二极管进行正确测量，并对其质量做出评价,学习方法:该项目通过对实际功率放大器进行现场拆卸，对电路板上的各种二极管进行认识；通过对各种类型的新
2、二极管进行认识，进而学习二极管指标的标注方法；使用万用表对各种二极管进行在线测量和离线测量，达到能判别二极管质量好坏的目的。特别是需要准备一些已经确认损坏的各种类型的二极管，对这些已经损坏的二极管进行外观识别和指标测量。,项目实施方法与步骤【项目实施目标】（1）熟悉各种二极管的类型和形状。（2）熟悉各种二极管的规格和用途。（3）掌握用万用表检测二极管的方法。,【项目实施器材】（1）电子产品：功率放大器若干台，两人配备一台。（2）各种类型、不同规格的新二极管若干。（3）各种类型、不同规格的已经损坏的二极管若干（可到电子产品维修部寻找）。（4）每两个人配备指针式万用表和数字式万用表各一只。【项目实
3、施步骤】（1）拆卸功率放大器外壳，观看其内部结构，认识各种类型的二极管，识读二极管上的各种数字和其他标志。（2）用万用表对电路板上的二极管进行在线检测。（3）用万用表对与电路板上型号和规格相同的新二极管进行离线检测，并分析比较在线检测与离线检测的结果。（4）完成在项目实训报告中要求的操作，将操作结果填入相应的表格中。,常用半导体器件 半导体基础知识,将所有的物质按照导电性能进行分类，可以分为导体、绝缘体和半导体三类。,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称
4、为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,半导体是制作晶体二极管、晶体三极管、场效应管和集成电路的材料。导电机理不同于其它物质的特点：掺杂性、热敏性和光敏性 半导体的电阻率随着温度的升高而下降，即温度升高，半导体的导电能力增强。半导体的导电能力受掺入杂质的影响显著，即在半导体材料中掺入微量杂质（特定的元素），电阻率下降，导电能力增强。半导体的导电能力随着光照强度的增强而增强。,常用的半导体材料有硅（元素符号为Si）和锗（元素符号为Ge）两种。纯净的半导体称为本征半导体。因为半导体的原子结构是晶体结构，所以又称为半导体晶体。用半导体材料做成的二极管、三极管又称为晶体二极管、晶体三极管。,
5、本征半导体,本征半导体的结构特点,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示原子核内质子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体
6、。,自由电子,空穴,束缚电子,本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现,同时又不断的复合）,几个名词,半导体硅元素和锗元素的单个原子都是4
7、价元素，其原子结构为相对稳定的共价健结构。所以在室温下有少数的价电子可以从原子的热运动中获得能量，挣脱共价健的束缚，成为带负电荷的自由电子；在原来的位置上留下一个带正电荷的空位，这个空位称为空穴。在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的称为电子空穴对。,在外加电压的作用下，电子和空穴都参与导电，所以电子和空穴都称为载流子。两种载流子所带的电量相等、极性相反，对外不显电性。自由电子与空穴相遇时也会中和，称为复合。常温下本征半导体导电能力差，要提高它的导电能力，必须掺入微量的杂质（特定元素），这就是杂质半导体。,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导
8、体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,杂质半导体,N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体
9、中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,P 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的,半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的符号,总结,本征半导体中受激产生的电子很少。N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的
10、主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,比较,PN结,将N型半导体与P型半导体采用特殊的工艺结合在一起时，在其交界处会形成一种特殊的阻挡层，这就是PN结。PN结具有很重要的特性单向导电性。实际电路中，PN结上总要加上一定的电压，外加电压的极性不同，导电性能差异很大。,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区，也称耗尽层。,P型半导体,N 型半导体,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型
11、区,电位V,V0,注意1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N 区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,PN结的单向导电性,(2)加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定
12、的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,P型半导体,N 型半导体,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,注意1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N 区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成
13、正向电流I F,PN结的单向导电性,(2)加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结的单向导电性,PN结加正向电压导通,图1-1 PN结的单向导电性,将PN结按照图1-1（a）所示接上电源称为加正向电压，加正向电压时阻挡层（PN结）变窄，电阻变小，电流增大，称为PN结处于导通状态。,PN结的单向导电性,将PN结按照图1-1（b）所示接上电源称为加反向电压，加反向电
14、压时阻挡层（PN结）变宽，电阻变大，电流减小，称为PN结处于截止状态。,综上所述，当PN结加正向电压时会导通，加反向电压时会截止，这就是PN结的单向导电性。,PN结加反向电压截止,综上所述，当PN结加正向电压时会导通，加反向电压时会截止，这就是PN结的单向导电性。P接高电位、N接低电位，PN结正偏导通P接低电位、N接高电位，PN结反向截止,PN结小结,晶体二极管图,晶体二极管的结构,用外壳把一个PN结封装起来，从P区和N区各引出一个电极，就组成一个晶体二极管，简称二极管，用VD表示。示意图如图1-2（a）所示。图（b）是晶体二极管的电路符号。,图1-2 晶体二极管,点接触型,面接触型,晶体二极
15、管的分类,晶体二极管种类很多 按照制造材料的不同分为硅二极管和锗二极管。按照用途分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照制造工艺分类有点接触型、面接触型、平面型等。,2.2.1 二极管的结构、类型及符号将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-11a所示。二极管的外形如图2-1b所示。,二极管的结构示意图 二极管的结构有三种，点接触型、面接触型、平面型，如图2-12所示。,点接触型,面接触型,平面型,2二极管的特性,伏安特性：二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定，这两者之间的关系称为二极管的伏安
16、特性。硅二极管的伏安特性曲线如图所示。,特性曲线,1.1半导体二极管,二极管两端的电压u（单位为伏）与电流i（单位为安）之间的变化规律称为晶体二极管的伏安特性。通常用曲线来表示二极管的伏安特性，这条曲线称为伏安特性曲线。伏安特性曲线可以通过实验的方法得到，测试电路如下图1-3所示。,图1-3 晶体二极管伏安特性测试,正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。,死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，如 OA 段，通常把这个范围称为死区。,死区电压：,导通电压：,结论：正偏时电阻小，具有非线性。,（1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）,1
17、.1半导体二极管,反向击穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。,反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。,（2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）,普通二极管不允许出现此种状态。,结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。,二极管属于非线性器件,1.1半导体二极管,3半导体二极管的主要参数,（1）最大整流电流 IF：,二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。,二极管正常使用时允许加的最高反向电压。,使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值，否则可能损坏二极管。,（2）最高
18、反向工作电压 VRM,使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。,1.1半导体二极管,二极管特性曲线测试,用图1-3（a）测试二极管的正向特性曲线 用图1-4（b）测试二极管的反向特性曲线 电阻R为限流电阻，为防止因电路中的电流过大损坏二极管而设计。改变可调电阻RW的大小，可以得到不同的输入电压，每给定一个电压值读出相应的电流值，把若干个这样的测试结果用描点连线的方法作在同一个u-i平面上,就可以得到如图1-4所示的晶体二极管的伏安特性曲线。,图1-4 晶体二极管伏安特性曲线,晶体二极管特性曲线,曲线分析,正向特性只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压数值称为“门限电压”
19、或“死区电压”用UT表示。对于硅管UT为0.60.8伏；对于锗管UT为0.20.3伏。一般情况下，从曲线近似直线部分作切线，切线与横坐标的交点即为UT。随着电压u的增加，电流i按照指数的规律增加，当电流较大时，电流随着电压的增加几乎直线上升。不论硅管还是锗管，即使工作在最大允许电流，管子两端的电压降一般也不会超过1.5伏，这是晶体二极管的特殊结构所决定的。,反向特性 反向电流很小。而且相同温度下，硅管比锗管的反向电流更小。反向击穿之前，反向电流基本不随反向电压的变化而变化，所以这个电流称为反向饱和电流。用IS表示。反向饱和电流随着温度的上升而按照指数的规律增长。,反向击穿特性 当反向电压超过某
20、一数值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为击穿现象。对应于电流突变的这一点的电压称为反向击穿电压，用UB表示。,可见二极管特性是单向导电性。,阴极,阳极接高电位、阴极接低电位，二极管正偏导通阳极低电位、阴极高电位，二极管反向截止,虚拟实验演示,晶体二极管的主要参数,最大整流电流IF 允许流过二极管的平均电流的最大值。正常工作时二极管的电流ID应该小于IF。最高反向工作电压UR 允许加在二极管上反向电压的最大值。一般情况下取UR为UB（反向击穿电压）的一半。最高工作频率fM 指二极管工作频率的上限值。主要由PN结的电容决定。外加信号的频率超过二极管的最高工作频率时，二极管的单向导电性能将不能很好
21、的体现。,特殊二极管 1.稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,2.光电二极管,光电子系统的突出优点：抗干扰能力强，可大量传输信息，且传输功耗小，工作可靠，而光信号与电信号之间的接口需要由一些特殊的光电子器件来完成。,如：光敏二极管、发光二极管,光敏二极管,光敏二极管与普通PN结二极管类似，但在其PN结处，有玻璃窗口能接收外部的光照，PN结在反向偏置下工作，它的反向电流随光照强度增加而上升。主要特点：反向电流与照度成正比。无光照时，反向电流很小，称其为暗电流；有光照时，反向电流很大，称其为光电流。,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出
22、从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,项目相关知识 半导体器件是近60年来发展起来的新型电子器件，具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长、工作可靠等一系列优点，应用十分广泛。常用二极管的外型和封装形式如图4.1所示。,图4.1 常用二极管的外型和封装形式,图4.1 常用二极管的外型和封装形式（续）,知识1 国产二极管型号命名法,知识2 二极管的类型与用途,二极管的外包装材料有塑料、玻璃和金属3种。按照二极管的结构材料可分为硅和锗两种；按制作与识别可分为点接触型和面接触型；按用途可分为整流二极管、稳压二极管、检波二极管、开关二极管、双向二极管、变容二极管、阻尼二极管、高压硅堆和敏感类二
23、极管（光敏、温敏、压敏、磁敏等）。1整流二极管 整流二极管主要用于把交流电变换成脉动的直流电。整流二极管的结构为面接触型，其结电容较大，因此，工作频率范围较窄（3kHz以内）。常用的型号有2CZ型、2DZ型等，还有用于高压和高频整流电路的高压整流堆，如2CGL型、DH26型、2CL51型等。选择整流二极管时主要考虑其最大整流电流、最高反向工作电压是否满足要求。常用的硅桥（硅整流组合管）为QL型。,知识3 二极管的检测,1用万用表测试普通二极管的方法 普通二极管外壳上均印有型号和标记。标记方法有箭头、色点、色环3种，箭头所指方向或靠近色环的一端为二极管的负极，有色点的一端为正极。若型号和标记脱落
24、时，可用万用表的欧姆挡进行判别。主要原理是根据二极管的单向导电性，其反向电阻远远大于正向电阻。具体过程如下。（1）判别极性 将万用表选在“R100”挡或“R1k”挡，两表笔分别接二极管的两个电极。若测出的电阻值较小（硅管为几百到几千欧姆，锗管为1001k），说明是正向导通，此时黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的则是负极；若测出的电阻值较大（几十到几百千欧姆），为反向截止，此时红表笔接的是二极管的正极，黑表笔接的是负极。,（2）检查好坏 通过测量正、反向电阻可判断二极管的好坏。一般小功率硅二极管正向电阻为几千欧姆到几兆欧姆，锗管约为1001k。（3）判别硅、锗管 若不知被测的二极管是硅管还是锗
25、管，可根据硅、锗管的导通压降不同的原理来判别。将二极管接在电路中，当其导通时，用万用表测其正向压降,硅管一般为0.60.7V,锗管为0.10.3V。也可以用数字表直接测量二极管的正向压降，马上判断出该二极管的材料。,2用万用表测试稳压管的方法（1）极性的判别 与普通二极管的判别方法相同。（2）检查好坏 将万用表置于“R10k”挡，黑表笔接稳压管的“”极，红笔接稳压管的“+”，若此时的反向电阻很小（与使用“R1k”挡时的测试值相比校），说明该稳压管正常。因为万用表“R10k”挡的内部电压都在9V以上，可达到被测稳压管的击穿电压，使其阻值大大减小。3用万用表测试双向二极管的方法（1）将万用表置于“
26、R1k”挡或“R10k”挡，测量双向二极管的正反向电阻。因为双向二极管的转折电压值均在20V以上，所以测量一个正常的双向二极管的正、反向电阻的阻值都应是无穷大。,（2）外加电源测量法。给双向二极管外加一个能高于双向二极管转折电压的电源，一般小管子50V就够了。测量时，将万用表的电流挡串接在电路中，逐渐增加电源电压，当电流表的指针有较明显摆动时，就说明该双向二极管导通了，此时的电压就可认为是双向二极管的转折电压。然后再改变电源的极性，可测出双向二极管另一方向的转折电压。两次转折电压值的差，即为转折电压偏差值UB，双向二极管的转折电压偏差值UB越小越好。,技能与技巧,稳压管与普通二极管的区分方法常
27、用稳压管的外形与普通小功率整流二极管的外形基本相似。当其壳体上的型号标记清楚时，可根据型号加以鉴别。当其型号标志脱落时，可使用万用表电阻挡准确地将稳压管与普通整流二极管区分开来。具体方法是：首先将万用表置于“R1k”挡，按前述方法把被测管的正、负电极判断出来。然后将万用表置于“R10k”挡上，黑表笔接被测管的负极，红表笔接被测管的正极，若此时测得的反向电阻值比用“R1k”挡测量的反向电阻小很多，说明被测管为稳压管；反之，如果测得的反向电阻值仍很大，说明该管为整流二极管或检波二极管。这种判别方法的道理是，万用表“R1k”挡内部使用的电池电压为1.5V，一般不会将被测管反向击穿，使测得的电阻值比较
28、大。而用“R10k”挡测量时，万用表内部电池的电压一般都在9V以上，当被测管为稳压管，且稳压值低于电池电压值时，即被反向击穿，使测得的电阻值大为减小。但如果被测管是一般整流或检波二极管时，则无论用“R1k”挡测量还是用“R10k”挡测量，所得阻值将不会相差很悬殊。注意，当被测稳压管的稳压值高于万用表“R10k”挡的电压值时，用这种方法是无法进行区分和鉴别的。,实用资料,1N系列硅整流二极管和2CW系列稳压管的主要参数 11N系列硅整流二极管是近年来被广泛使用的电子元件，其参数如表4.5所示。,表4.5 1N系列硅整流二极管的主要参数,项目小结,1二极管最常用的主要技术指标有两个：最大正向额定电流和反向耐压。2检测二极管最常用的方法是用万用表测量PN结的正反向电阻，根据测量结果可以判断二极管的好坏。,课后练习,1二极管有何用途？2二极管主要有哪些性能参数？3如何用万用表来判断二极管的好坏和极性？,
