第 4 章半导体分立器件

第4章半导体分立器件 4.1 概述半导体分立器件种类繁多，通常可分为半导体二极管、晶体三极管、功率整流器件和场效应晶体管等。半导体二极管又可分为普通二极管和特殊二极管两种。普通二极管包括整流二极管、稳压二极管、恒流二极管、开关二极管等。特殊二极管包括肖特基势垒管（SBD）、隧道二极管（TD）、位置显示管（PIN）、变容二极管、雪崩二极管等。

晶体三极管包括锗管和硅管。 功率整流器件主要包括晶闸管整流器（SCR）和硅堆等。场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两种。

4.2半导体分立器件的型号命名 中国半导体分立器件型号命名方法在国家标准《半导体分立器件型号命名方法》（GB249-89）中进行了规定。该标准于1990年4月1日开始实施，并取代了原国家标准（GB249-74）。

4.2.1 中国半导体器件的型号命名 第一部分：器件的电极数目，用阿拉伯数字表示，第二部分：材料和极性，用字母表示，第三部分：类别，用字母表示，第四部分：序号，用数字表示第五部分：规格号，用字母表示场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分。

半导体分立器件

4.2.2 日本半导体器件型号命名 日本晶体管型号按日本工业标准（JIS-C-7012）规定的半导体分立器件型号命名方法命名。其型号命名由五部分组成：第一部分：用数字表示器件有效电极数目或类型，第二部分：用S表示已在日本电子工业协会（JEIA）注册登记的半导体器件。

第三部分：用字母表示器件使用材料、极性和类型，第三部分：用字母表示器件使用材料、极性和类型，第四部分：用多位数字表示器件在日本电子工业协会（JEIA）的注册登记号，它不反映器件的任何特征，但登记号数越大，表示越是近期产品。第五部分：用字母A、B、C、D等表示这一器件是原型号产品的改进产品。

日本半导体分立器件型号命名，有时也采用简化方法。即将型号前两部分省略，如2SD746简化为D746，2SC502A简化为C502A等。但也有时除五部分外，还附加有后缀字母及符号，以便进一步说明该器件的特点。日本半导体分立器件型号命名，有时也采用简化方法。即将型号前两部分省略，如2SD746简化为D746，2SC502A简化为C502A等。但也有时除五部分外，还附加有后缀字母及符号，以便进一步说明该器件的特点。

4.2.3 美国半导体器件型号命名 美国电子工业协会（EIA）的半导体分立器件型号命名由五部分组成。第一部分：用符号表示器件的类别，第二部分：用数字表示PN结数目，第三部分：用字母N表示该器件已在美国电子工业协会（EIA）注册登记。第四部分：用多位数字表示该器件在美国电子工业协会（EIA）的登记号。第五部分：用字母A、B、C、D等表示同一型号器件的不同档别。

美国半导体器件型号的内容只能判断是二极管、三极管还是多个PN结器件，而无法判断其类型。同时，美国半导体分立器件还有不少是按厂家自己的型号命名方法进行命名，显得较乱。美国半导体器件型号的内容只能判断是二极管、三极管还是多个PN结器件，而无法判断其类型。同时，美国半导体分立器件还有不少是按厂家自己的型号命名方法进行命名，显得较乱。

4.3半导体二极管 4.3.1 二极管的概念 1．二极管的构成半导体二极管是由一个PN结、欧姆接触电极（欧姆接触电极不构成PN结作用）引出线和管壳三部分构成的。半导体二极管按照其结构可分为点接触型二极管、面接触型二极管和硅平面开关管三类。

（1）点接触型二极管 点接触型二极管是由管心、引线和玻璃管壳组成。管心是一根金属触须（半径约为 0.1mm的钨丝或金丝）压接在半导体晶体上，利用电形成工艺来获得PN结。点接触型二极管的主要特点是由于其PN结面积小，使得结电容很小，适用于在高频情况下工作，但不能通过很大的电流。故主要用于小电流整流或高频时的检波和混频等。砷化镓点接触型二极管比硅、锗二极管可以工作在更高的频率范围内（即微波范围内）。

（2）面接触型二极管 面接触型二极管也是由管心、引线和金属壳组成。管心是面接触的，PN结用合金法形成。面接触型二极管的特点是由于其PN结面积大，允许通过大的正向电流，但它的结电容也大，故只能工作在较低的频率情况下，主要适用于大功率整流。

硅平面开关管是一种较新的管 型。二氧化硅是绝缘体，它相当于一保护层，用于保护PN结不受外界沾污，使二极管漏电流小，工作稳定。平面管的结面积较大时，可以通过较大的电流，适用于大功率整流。结面积较小时，PN结电容小，适用于在脉冲数字电路中作开关管。 （3）硅平面开关管 + 二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 -

2．PN结的工作原理 （1）PN结的单向导电性当PN结加正向电压时，即外加电源电压的正极接P区，负极接N区。由于外加电源电压产生的电场正好和阻挡层内正负离子产生的电场方向相反，使得阻挡层内总的电场减弱，破坏了漂移和扩散的平衡，扩散作用占了优势。于是P区的多数载流子空穴穿过阻挡层扩散到N区，形成空穴电流。同时，N区的多数载流子电子也穿过阻挡层扩散到P区，形成电子电流。PN结的正向电流即为二者之和。故PN结正向导电时，其正向电阻很小，正向电流很大，并且正向电流随外加电压的增加而增加。

当PN结加反向电压时，由于外加电源电压在阻挡层中产生的电场与阻挡层原来的电场方向相同，使得阻挡层内总的电场增强，阻挡层变宽。外加反向电压破坏了原来阻挡层内扩散和漂移的平衡，使电场的漂移作用占了优势。因而，P区和N区中的多数载流子的扩散运动被阻止。由于本征激发，P区中的少数载流子电子一旦运动到PN结的边界处，在电场的作用下被拉到N区，形成电子电流。同样，N区的少数载流子空穴一旦运动到PN结的边界处，也被拉到P区，形成空穴电流。由于P区中的电子和N区中的空穴都是少数载流子，数量较小。故PN结的反向电流很小，所呈现的电阻很大。当PN结加反向电压时，由于外加电源电压在阻挡层中产生的电场与阻挡层原来的电场方向相同，使得阻挡层内总的电场增强，阻挡层变宽。外加反向电压破坏了原来阻挡层内扩散和漂移的平衡，使电场的漂移作用占了优势。因而，P区和N区中的多数载流子的扩散运动被阻止。由于本征激发，P区中的少数载流子电子一旦运动到PN结的边界处，在电场的作用下被拉到N区，形成电子电流。同样，N区的少数载流子空穴一旦运动到PN结的边界处，也被拉到P区，形成空穴电流。由于P区中的电子和N区中的空穴都是少数载流子，数量较小。故PN结的反向电流很小，所呈现的电阻很大。

N+ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 P 二极管正向导通

I e N+ - + P e 。。。。。。。。。。。。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。二极管正向导通

N+ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． I - + P e 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。二极管反向截止

（2）PN结的击穿 当PN结加反向电压时，如果反向电压超过一定的限度，反向电流会突然急剧增大，破坏了PN结的单向导电性，称为PN结的反向击穿。反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种。

4.3.2 二极管的主要参数 1．伏安特性曲线加到二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系曲线称为伏安特性曲线。 I 锗 (mA) 硅 U 硅锗 (μA)

由曲线可以看出： （1）当二极管两端的电压为零时，电流也为零，故特性曲线从座标原点开始。（2）当二极管加正向电压时，随着电压的增加，电流也逐渐增加。但在开始一段，电流增加很慢，表明二极管开始导电时正向电阻较大。当二极管两端的电压超过一定数值时（即死区电压），二极管的电阻变小，正向电流显著增加。通常硅管的死区电压为0.5~0.7V，锗管为0.1~0.3V。

（3）当二极管加反向电压时，最初，随着反向电压的逐渐增大，反向电流也逐渐增大。但当反向电压加到一定值后，反向电流成为常数。在同样温度条件下，硅的反向电流比锗的小。锗管是微安级，硅管是纳安级。（3）当二极管加反向电压时，最初，随着反向电压的逐渐增大，反向电流也逐渐增大。但当反向电压加到一定值后，反向电流成为常数。在同样温度条件下，硅的反向电流比锗的小。锗管是微安级，硅管是纳安级。（4）当反向电压加大到一定数值时，反向电流突然增大，二极管发生击穿。

（5）二极管加正向电压时导通，加反向电压时截止。这是二极管的主要特性——单向导电性。（5）二极管加正向电压时导通，加反向电压时截止。这是二极管的主要特性——单向导电性。（6）二极管是非线性元件，伏安特性曲线各点的直流电阻和交流电阻均不相等，加到两端的电压与流过的电流不符合欧姆定律。

2．最大整流电流 最大整流电流也称为额定整流电流，是二极管长期安全工作所允许通过的最大正向电流。它与PN结的面积和所用的材料有关。一般PN结面积大，额定整流电流大。

3．最大反向工作电压 最大反向工作电压反映了PN结的反向击穿特性，加到二极管两端的反向电压不允许超过最大反向工作电压。

4．工作频率 二极管的工作频率主要取决于PN结的势垒电容和扩散电容。

5．反向电流 二极管未击穿时，反向电流的数值，称为反向电流。反向电流越小，二极管的单向导电性越好。

6．直流电阻 二极管的直流电阻又称为静态电阻。它定义为二极管两端的直流电压与流过二极管的直流电流之比。由于二极管为非线性元件，它的直流电阻与工作点有关。用万用表欧姆档测得的正向或反向电阻是在一定工作点下的直流电阻。

7．交流电阻 二极管的交流电阻又称为动态电阻。它定义为二极管在一定工作点时，电压的变化量与电流的变化量之比。

8．势垒电容 势垒电容是由耗尽层引起的。耗尽层内只有不能移动的正负离子，相当于存储的电荷，耗尽层内缺少导电的载流子，电导率很低，相当于介质；耗尽层两侧的P区和N区电导率较高，相当于金属。当二极管加上正向电压时，耗尽层中的电荷量减少，耗尽层变窄，相当于放电；当二极管加上反向电压时，耗尽层中的电荷量增多，耗尽层变宽，相当于充电。这些现象都和电容器的作用类似，有时也称为势垒电容或阻挡层电容。

9．扩散电容 扩散电容是由于N区电子和P区空穴在相互扩散过程中积累所形成的。扩散电容和通过的电流成正比，当PN结正向导电时，它的数值较大；而当PN结反向截止时，扩散电容可以忽略。

4.3.3 特种半导体二极管 特种半导体二极管的种类很多，用途各异。主要有稳压二极管、快恢复二极管（FRD）、超快恢复二极管（SRD）、肖特极二极管（SBD）、变容二极管（VCD）、恒流二极管（CRD）、可调恒流二极管（VCRD）等。

1．稳压二极管 （1）稳压二极管的概念稳压二极管是利用二极管的反向击穿特性制成的。

（1）稳压二极管的概念 稳压二极管的外形同普通二极管一样，也有两个电极，正极和负极，其代表符号见图所示

（2）稳压二极管的伏安特性 稳压二极管的伏安特性曲线见图所示。 I UZ U A B

（2）稳压二极管的伏安特性 由曲线可看出，它和普通二极管的正向特性一样，但反向特性稍有区别。当反向电压增加到UZ后，反向电流急剧增加。此后，只要反向电压稍有增加，反向电流就增加很多。但稳压二极管的击穿是可逆的，当去掉外加电压后，击穿即可恢复。稳压二极管正常工作时，是在伏安特性的反向击穿区（即AB段）。利用这段电流在很大范围内变化，而电压基本恒定的特性来进行稳压。

（3）稳压二极管的主要参数 a．稳定电压UZ 稳定电压UZ是指稳压二极管反向击穿后的稳定工作电压值。 b．稳定电流IZ 稳定电流IZ是指工作电压等于稳定电压时的工作电流。

（4）稳压二极管的应用 a．基准电压源所示，为利用稳压二极管提供基准电压源的电路。交流电压经过变压器降压，桥式整流电路整流和电容器滤波后，得到直流电压U0，再经过电阻R和稳压管DZ组成的稳压电路接到负载上，便可得到一个比较稳定的电压。 UL U0 R C DZ RL

（4）稳压二极管的应用 b．保护电路如图为欠压保护电路。当电源电压超过击穿电压时，稳压二极管 DZ击穿导通，有足够的电流激励继电器触点闭合，信号加到负载上。当电源电压过低（即达不到稳压管的击穿电压）时，就没有电流流过继电器，负载与电源断开。 J DZ RL RS

如图为过高 压保护电路（直流）。正常状态下，电源电压低于稳压管的击穿电压，稳压管的反向电阻很大，对电源相当于开路。当电源电压超过稳压二极管的稳定电压时，稳压管击穿，静态电阻减小，电流增大，使得电压受到一定限制，嵌置在稳压二极管的稳定电压上。 RS RL DZ

（4）稳压二极管的应用 c．限幅电路如图稳压二极管用于脉冲调幅的基本电路及输入、输出波形。（a）、（b）、（c）为串联限幅器，（d）、（e）、（f）为并联限幅器。

串联限幅器的输出电压波形是输入电压波形中高于稳压二极管击穿电压的部分，它可以用来抑制干扰脉冲，提高电路的抗干扰能力。串联限幅器的输出电压波形是输入电压波形中高于稳压二极管击穿电压的部分，它可以用来抑制干扰脉冲，提高电路的抗干扰能力。并联限幅器的输出电压波形是输入电压波形中低于稳压二极管击穿电压的部分，它可以用来整形和稳定输出波形的幅值，还可以将输入的正弦波电压整形为方波电压。

2．恒流二极管 （1）恒流二极管的概念恒流二极管简称CRD，是一种能在宽广的电压范围内提供恒定电流的半导体器件。它是利用场效应原理制成的，实质上是栅源短路的结型场效应管。恒流二极管的符号见图所示。 + -

（2）恒流二极管的伏安特性 如图所示。正向可分为四个部分。在OA段电流随电压线性增加。在AB段电流随电压的增加变慢，OB段总称为起始区。在BC段电流基本上不随电压的变化而变化，称为饱和区或恒流区。在CD段电流随电压急剧增加，称为击穿区。反向时，电流随电压的绝对值的增大而增大，不呈现电流饱和现象，它是两个正向PN结与沟道电阻并联的结果。 D B C IH A Us Ub O E

（3）恒流二极管的主要参数 a．恒定电流IH 恒流二极管在恒流区时的电流值，称为恒定电流。 c．起始电压US 恒流二极管进入恒流区所需的最小电压称为起始电压。 d．击穿电压UB 击穿区的电压值。一般在20~100V范围内，按A、B、C、D等级分档。

（4）恒流二极管的应用 a．恒流源单个恒流二极管或多个恒流二极管的串并联都可以方便地作为恒流源，用于半导体器件、集成电路工作点的稳定。如图所示。如图所示为单个恒流二极管组成的恒流源，只要恒流二极管的端电压在US和UB之间变化，就能保证流过负载的电流恒定。 RL IH + -

如图为两个恒流二极管并联组成的恒流源，其目的是增大工作电流，即IH=IH1+IH2。但要求电压范围为：如图为两个恒流二极管并联组成的恒流源，其目的是增大工作电流，即IH=IH1+IH2。但要求电压范围为： US=max（US1,US2）UB=min（UB1,UB2）ZH=ZH1ZH2/（ZH1+ZH2） + IH1 - RL IH + IH2

如图为两个恒流二极管串联组成的恒流源，其目的是增大工作电压，即：如图为两个恒流二极管串联组成的恒流源，其目的是增大工作电压，即： US=US1+US2UB=UB1+UB2 但要求IH1=IH2 IH1 IH2 + -

b．恒流二极管用于波形变换 如图为两只恒流二极管构成的双向恒流产生矩形波电路。当输入正弦波正半周时，CRD1恒流，CRD2导通，稳压二极管处于反向状态，输出高电平。当输入正弦波负半周时，CRD1导通，CRD2恒流，稳压二极管处于正向，输出低电平。 CRD1 Dz CRD2

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