第5章 半导体器件及应用

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1、,第5章 半导体器件及应用,5.1 半导体基础知识 5.2 二极管 5.3 三极管 5.4 三极管基本放大电路 5.5 其他半导体器件 5.6 集成运算放大器,1,本章要求: 理解半导体的导电特性，PN结的概念及特性； 掌握二极管的单向导电性、检测方法及在汽车电子电路中的典型应用； 掌握三极管的伏安特性及管脚的识别，了解其构成的各类放大电路的特点及在汽车中的应用； 了解其他特种半导体器件的特点及在汽车中的应用。掌握集成运放电路的分析方法，了解其在汽车中应用。,2,第5章 半导体器件及应用,5.1 半导体基础知识,5.1.1 半导体 半导体：介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒等。 热敏性：

2、当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成 温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三 极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改 变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、 三极管和晶闸管等）。,3,1、本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,本征硅的晶体结构图,本征硅的结构平面图,共有价电子所形成的束缚作用称为共价键,4,共价键中的少量价电子在温 度升高或受光照后，会获得足 够的动能，将挣脱原子核的束 缚，成为自由电子(带负电)，同时共价键中留下一个空位， 称为

3、空穴(带正电)。这一现象称为本征激发。,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子移动过来 填补，而在该原子中出现一个空穴。如此继续下去，形成了 空穴运动。,5,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电 流：电子电流和空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 本征半导体中有两种载流子（自由电子和空穴）同时参与导电，这是本征半导体区别于金属导体的一个重要特性，此 特性称为它的导电机理。 注意： 在常温下，本征半导体中载流子很少，其导电性能很差。 为了提高其导电性能，通常将其制成杂质半导体。,6,在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半导体。,2、杂质半导体,(1)P型半导体 掺入三价元素

4、 空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。 空穴导电成为这种半导体的 主要导电方式，也称为空穴 型半导体。,7,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子型半导 体。,（2）N型半导体 掺入五价元素自由电子是多数载流子， 空穴是少数载流子。,8,综上所述，无论是P型还是N型半导体，其中多数载流子都是掺入杂质造成的，尽管杂质含量微乎其微，却能使其 导电性能大大改善。而它们的少数载流子，都是由于热激发产生的。虽然少子浓度很低，但对温度非常敏感，其浓 度随温度的升高而增大，因此温度是影响半导体性能的一个重要因素。 由于杂质半导体具有良好的导电性，在实际中常用来生 成PN结。 PN结具有单一型

5、半导体(P型或N型)所不具备的新特性，利用此特性制造出了各种半导体器件，推动了电子技术的发展。,9,内电场,5.1.2 PN结,P 型半导体,N 型半导体,PN结,10,在杂质半导体P和N的结合面附近存在着的特殊薄层称为 PN结。 在PN结中空穴和自由电子都基本上耗尽了，故PN结又称为耗尽层，耗尽层中有一个内电场，方向如上图所示。,1、PN结加正向电压(正向偏置),内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。,11,2、 PN结加反向电压（反向偏置）,内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。,PN 结处于截止状态。,12,PN结正向导通、反向

6、截止的特性称为其单向导电性,3、PN结的结电容,PN结的结构类似平板电容器结电容数值很小，在低频电路中，相当于开路，不用考虑其影响，但在高频电路中，容抗很小，对PN结的电流有影响，必须加以考虑。,P型半导体,PN结,N型半导体,13,5.2 二极管,5.2.1 结构和分类,分类,结构,（1）点接触型、面接触型、平面型 （2）硅管和锗管 （3）普通管和特殊管,14,二极管的结构示意图,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,15,硅Uth =0.5V, 锗Uth =0.1V。,特点：非线性,外加电压大于反向击穿电 压二极管被击穿，失去单向 导电性。,5.2.2

7、二极管的伏安特性,16,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,硅0.60.8V 锗0.20.3V,1. 最大整流电流 IFM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压URM 保证二极管不被击穿而制定的最高反向电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导 电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 最大反向电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流值。反向电流值越小，管子的单向导电性能越好。其值随着温度的上 升而显著增加，因此温度会影响二极管的性能。 4. 最高工作频率fM,5.2.3 主要参数,17,是指保证二极管具有单向导电作用

8、的最高工作频率。当工作频率过高时，二极管的单向导电性能就会变差，甚至失去 单向导电性。点接触型锗管其最高工作频率可达几百兆赫，而面接触型硅整流管，其最高工作频率只有三千赫。 5.2.4 二极管的检测 1. 二极管极性的识别 (1)一般情况下，可通过管壳上的标记确定。有色环的二 极管，色环所在的一端为负极；带色点的二极管，色点所在 的一端为正极。 (2)无标记的二极管，可通过万用表来判断正负极。 正负极的确定是利用了二极管正向电阻小、反向电阻大的 特点。将万用表拨到R1k档，用表笔分别接触二极管的两极，测出两个电阻值。在所测得阻值较小,18,的一次。与黑表笔相接的一端为正极。同理，在所测得阻值较

9、大的一次， 与黑表笔相接的一端为负极，如图所示。,上述检测使用的是指针式万用表，实际上也可使用数字万用表。如果用数字万用表，表笔情况正好相反，即在所测得阻 值较小的一次，与黑表笔相接的一端为二极管负极。同理，在所测得电阻值较大的一次，与黑表笔相接的是二极管正极。,19,利用万用表还可以判断二极管的好坏。如果测得的正、反 向电阻值均很小，说明二极管内部短路；若正、反向电阻值 均很大，说明二极管内部开路，这两种情况下，二极管就不能使用了。 以上是普通二极管的检测方法，汽车交流发电机上的整流 二极管就可以按照上述方法进行检测。 操作：用万用表检测汽车交流发电机整流板上的正极管、负极管。,2. 二极管

10、好坏的识别,20,1. 整流电路,由三只正极管和三只负极管组成。 正极管的导通条件是:在某一瞬间，与三相绕组中电位 最高相连接的正极管导通。 负极管的导通条件是:在某一瞬间，与三相绕组中电位 最低相连接的负极管导通。,5.2.5 二极管在汽车电子电路中的应用,21,三相桥式 整流电路,设三相绕组输出的电压 为三相对称电压，波形 如图所示。 为便于分析，现将一个 周期等分成6个小区间 加以说明。,在t1t2内，VD1、VD5导通，U1V1 间电压加到负载上。 在t2t3内，VD1、VD6导通，U1W1 间电压加到负载上。,22,在t3t4内，VD2、VD6导通，V1W1间电压加到负载上。 在t4

11、t5内，VD2、VD4导通，V1U1间电压加到负载上。 按照正极管VD1VD2VD3、负极管VD5VD6VD4的顺序轮流导通，在负载端便得到一个较平稳的直流电压。电压波形如图所示。,23,2. 保护电路,在电路中，VD4起保护作用。当励磁线圈断电时，所产生的感应电动势通过VD4释放，避免了反电动势叠加在电源 电压上对VT2、VT3的电压冲击，保证了它们的安全。,24,符号,伏安特性,1、稳压管,5.2.6 特殊二极管及在汽车电子电路中的应用,25,（1）稳压管的特性,（2）主要参数 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。 稳定电流IZ 、最大稳定电流 IZM 稳定电流是指稳

12、压管的稳定电压所对应的电流值 最大稳定电流是指稳压管反向击穿后允许流过的 最大电流值。使用时要加限流电阻。,26,动态电阻,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,稳压电路 由稳压管和限流电阻串联组成。其中稳压管与负载电路并联，以便发挥稳压作用。,汽车仪表电路的稳压电路,稳压电路的稳压原理是：当蓄电池电压上升时，稳压管的反向电压略有增大，根据反向击穿特性可知，其反向电流大大增加。这将引起限流电阻的电流和电压增加，若电阻 选择合适，则其电压的增量将抵消掉蓄电池电压的增量，使仪表上的电压基本不变。相反，当蓄电池电压减小时，限流电阻上的电压减小，保证了仪表上的电压基本不变。,（3）稳压管在汽车电子电路中

13、的应用,27,限幅电路,在图中，稳压管VZ2为限幅二极管，在电路中起限制电压幅度的作用。其工作原理是：当电路开关S接通时，在电压调 节器两端会产生瞬间高压，稳压管反向击穿导通，将电压 限制在一定范围内，避免了瞬间高压损坏电压调节器。,28,有正向电流流过时，发 出一定波长范围的光，目 前的发 光管可以发出从红 外到可见波 段的光，它的 电特性与一般二 极管类似， 但正向电压较一般 二极管 高为1.53V，电流较小 为 几 十几mA 发光二极管具有体积小、反应快、光度强、寿命长等优点，在汽车电路中得到广泛应用。如安装在汽车组合仪表盘上 各种指示灯、报警灯都是发光二极管组成的。,2、发光二极管,2

14、9,发光二极管的外形和符号,3、光电二极管,反向电流的数值随着光照的增强而上升。无光照时，反 向电流很小；有光照时，反向电流急剧增加，且光照的越 强，反向电流越大。 利用这一特性可以将许多光电二极管组成光电板，作为电 源使用，称为太阳能电池。另外，光电二极管在汽车上作为 光信号检测元件得到了广泛的应用。,30,汽车空调用日照强度传感器等效电路,日照强度传感器在空调自动控制系统中是一个日照 强度检测元件，它通过光电 二极管检测日光照射量的变 化，并把这种变化转换成电 流值输出。车内空调计算机 对这种变化进行检测，并根 据电流的变化情况控制执行 机构调节排风口的风量和温度，达到调节车内温度的目的。

15、,31,汽车光电式点火信号发生器原理图,主要由发光二极管、光电二极管和遮光转子组成。发光二极 管通入电流后产生光源，光电二极管受光后产生电压，遮光 转子有与气缸数相对应的缺口，光源照射到光电二极管的光 线受转动的遮光转子控制。 当遮光转子随分电器轴转动时，遮光转子缺口周期性地通 过光线，使光电二极管周期性受光，光电二极管便产生了与 曲轴位置相对应的电压脉冲，即点火触发信号。,32,5.3 三极管,5.3.1 结构与符号,符号：,33,结构特点：,34,5.3.2 电流分配与放大原理,1.三极管放大的外部条件,实验线路,35,发射结正偏、集电结反偏,结论:,2.各电极电流关系及电流放大作用,1）

16、电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ，IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特 性称为三极管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化， 是CCCS器件。,36,5.3.3 三极管的特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，反映了晶体管的性 能，是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,测量三极管特性的实验线路,输入回路,输出回路,37,共发射极电路,正常工作时发射结电压： 硅管 UBE0.60.7V 锗管 UBE 0.2 0.3V,硅Uth =0.5V, 锗Uth =0.1V。,1.输入特性,38,(1) 放大区 在放大区有IC=IB，也称为线性区。 在放大区有恒流特性。 在放大区，发射结正偏、集电结反偏，三极管工作于放大状态。,输出特性曲线通常分三个工作区：,2.输出特性,