第五章_半导体器件基础培训课件

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1、第五章第五章 半导体器件半导体器件学习目标 1了解各种形式的二极管 2了解二极管的基本特性 3掌握二极管的单向导电性 4掌握二极管在汽车发电机中的整流应用 5了解二极管的续流作用 6了解稳压二极管和发光二极管在汽车上的应用学习要求 应知：二极管的概念和基本特性；二极管的整流、续流、限幅作用；稳压 二极管、发光二极管的基本工作原理。 应会：判别二极管的正、负极；用万用表检测二极管的好坏；分析二极管在汽车交流发电机中的整流电路；稳压二极管、发光二极管基本应用电路的接法。第一节第一节 二极管二极管一、什么是半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体，半导体是 在某种条件下导电，而在别的条件下

2、不导电的材料。半导体包括二 极管、三极管、晶闸管等。制造半导体最常用的材料是硅晶体和锗 晶体。晶体是具有确定的原子结构的材料，纯的晶体不能用来制作 半导体，需要在这两种晶体中掺杂极小比例的其他元素。硅晶体和 锗晶体都是四价元素，掺人杂质后，导电性能就会发生明显变化。 根据掺杂元素的不同，可以把半导体分为P型半导体和N型半导体。 在晶体中掺入微量的五价磷元素，产生多余的自由电子充当导电载 流子，掺人磷元素杂质的半导体叫做N型半导体；在晶体中掺人微 量 的三价硼元素，因为缺少电子产生空穴，这些空穴充当导电的载流 子，掺人硼元素杂质的半导体叫做P型半导体。按一定次序将N型半导体和P型半导体结合在一起

3、，便能制造出 用于汽车电压调节和电子控制器等电子装置的电子器件。提示：观看硅晶体和锗晶体彩色图片，晶体结构图片。二、什么是二极管 当N型半导体和P型半导体结合在一起，得到的PN结就是二极管 (图5-1)。二极管按制造材料可分为硅二极管、锗二极管。二极管可以看作电流的单向止回阀，它只允许电流以一个方向 流动，即从二极管的正极流向负极。这就是二极管的单向导电性。 操作：观看各种形式的二极管(实物)。用指针式万用表检测二 极管的单向导电性(图5-2)。将万用表拨到R1K挡。用红表笔接二 极管的负极，黑表笔接二极管的正极，所测得的阻值较小；反过 来，用红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，所测得

4、的 阻值较大。这是因为，指针式万用表的红表笔与内部电源负极相 连，黑袁笔与内部电源正极相连，当正电压加到二极管正极，负电 压加到二极管负极，便有电流流过，二极管表现出的阻值很小；反之二极管则没有电流流过，表现出的阻值 很大。操作规范：用万用表检测二极管时不能用R1挡和R10K挡，R1挡电流太大，可能烧坏二极管；R10K挡电压太高，可能击穿二极管。讨论：用数字万用表检测二极管单向导电性的表笔连接方法与指针式万用表相同吗?提示：用上述方法可以判别二极管的极性。进一步：简单了解二极管的特性。1二极管的伏安特性流过二极管的电流随着加在二极管上的电压变化而变化的性质 称为二极管的伏安特性。如图5-3所示

5、为二极管伏安特性曲线。(1)正向特性从图上可看出，当在二极管上加上的 正向电压小于某一数值Uth时，正向电流很 小，几乎为零，二极管呈现出较大的电阻 ，这段区域称为“死区”。Uth叫做死区电 压或门槛电压。硅管Uth=0.5V，锗管 Uth=0.1 V。当正向电压超过Uth后，正向电 流按指数曲线规律增长，二极管处于导通 状态。硅管的导通压降为0.7 V，锗管的导 通压降为0.3V。(2)反向特性当二极管被加上反向电压时，流过二极管的电流很小，称为反 向饱和电流Is，硅管Is为小于0.1A，锗管Is为几十微安。(3)反向击穿特性当反向电压增加到某个数值UR时，流过二极管的反向电流将急 剧增大，

6、这种现象叫反向击穿。UR叫反向击穿电压。使用二极管 时，应避免反向电压超过击穿电压，以防止二极管损坏。2二极管的主要参数 (1)最大电流IF最大电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电 流。实际使用时的工作电流应小于IF，如果超过此值，将引起PN结 过热而烧坏。 (2)最高反向电压URM 最高反向电压是指二极管工作时两端所允许加的最大反向电 压。通常URM 约为反向击穿电压UR的一半，以保证二极管安全工 作，防止击穿。 三、二极管在汽车上的应用 利用二极管的单向导电性，可以组成整流、续流、限幅及检波 等电路应用到汽车电路中。 1二极管的整流电路将交流电变成直流电的过程叫做整流。在汽车

7、交流发电机中， 就是利用二极管组成的整流板将发电机发出的三相交流电整流为直 流电。为了适应汽车发电机的需要，专门制作了用于汽车的整流二 极管。如图5-4所示。正极管的外壳为负极，引出极为正极。在负极搭铁的硅整流 发电机中，三个正极管的外壳压 装在散热板的三个座孔内，共同 组成发电机的正极，由一个与发 电机后端盖绝缘的整流板固定螺 栓通至机壳外，作为发电机的火 线接线柱“B”。负极管的外壳为正极，引出极为负极，在管壳底上一般标有黑色标记。三个负极管的外壳压装在后端盖的三个孔内，和发电机外 壳一起成为发电机的负极。三个正极管和三个负极管构成的整流电路称为三相桥式整流电 路，将发电机的交流电变为12

8、V 的直流电。整流电路如图5-5 所 示。重点：三相桥式整流工作原理。在电路中，三个正极管的正极 引出线分别与三相绕组的首端相连。在某一瞬间，只有与电位最高 的一相绕组相连的正极管导通。同样，三个负极管的引出线也分别 同三相绕组的首端相连。在某一瞬间，只有与电位最低的一相绕组 相连的负极管导通。其整流过程如下：在t=0 时，UU1=0，UV1 为负值，UW1 为正值，则二极管VD3、 VD5 获得正向电压而导通。电流从 W1相出发，经 VD3、用电设备 VD5回到V1 相构成回路。因为二极管内阻很小，所以此时 W1、V1 之间的电压都加在负载上。在t1t2 时间内，U1相电压最高，Vl相电压最

9、低，所以 VDl 、 VD5处于正向电压下而导通，U1、Vl之间的电压加在负载上。在t1t2 时间内，U1相电压最高，Vl相电压最低，所以 VDl 、 VD5处于正向电压下而导通，U1、Vl之间的电压加在负载上。在 t2t3 时间内，U1 相电压最高，W1 相电压最低，所以 VDl、VD6 处于正向电压下而导通，U1、Wl之间的电压加在负载上 。在t3t4 时间内，VD2、VD6导通，V1、W1之间的电压加在负 载上。这样反复循环，6只二极管轮流导通，在负载端便得到一个较平 稳的直流电压。电压波形如图5-5(d)所示。 重要提示：汽车交流发电机故障经常是整流二极管的损坏引起的。 讨论：如果汽车

10、交流发电机的整流板中有二极管损坏会出现什么现象? 提示：除交流发电机三相桥式整流电路外，在汽车电路中还有其他形式的整流电路。 2、二极管的续流电路一个通电的线圈，当突然断电时，就 会在线圈中产生一个反向电动势，如果这 个反向电动势叠加在电路中的其他电子元 件上(一般为三极管)，就会引起元件的损 坏。为了避免这种现象的出现，一般都在 线圈旁边并联一个二极管来吸收反向电动 势，这种电路就是二极管的续流电路(如图 5-6 所示)。在这种电路中，二极管起到了 对其他电子元件的保护作用，所以也称为 保护二极管。操作规范：与线圈并联的二极管一定是负极接高电位，正极接低 电位。在汽车用电子调压器中，起开关作

11、用的三极管根据发电机输出 电压的高低控制交流发电机励磁绕组的通断，以达到稳定输出电压 的目的。在图5-7 所示电子调压器电路中，点画线框内就是二极管 续流电路。在该调压器电路中，三极管VT2 和VT3 联合起到开关作 用控制发电机励磁线圈的通断。当三极管断开励磁绕组时，励磁绕 组中就会产生一个较高的反向电动势，这个电动势如果叠加在电源电压上将对VT2 和VT3 造成很大冲击，甚至将三极 管烧毁。当并联上 保护二极管VD3 后 ，这个反向电动势 经过VD3被励磁线圈自己吸收，避免 了对三极管的冲击 。提示：二极管的续流电路在汽车电子电路中随处可见，一般在 继电器、线圈等旁边都并联有保护二极管。保

12、护二极管有些装在器 件外部，有些装在器件内部，线圈的旁边。二极管的限幅电路是利用二极管在导通后正向压降为0.7V的特 性，使得二极管两端的电压维持在0.7V，达到限制电压幅度的作 用；二极管的检波电路主要应用在汽车音响电路中。二极管的这两 种应用将在以后结合具体电路进行分析。四、特殊二极管及其在汽车上的应用除了普通二极管外，还有专供特殊用途的二极管，如稳压管、 发光二极管和光电二极管等。1、稳压管稳压管是一种经过特殊工艺制造成的二极管，它与电阻配合使 用，具有稳定电压的功能。普通二 极管加上反向电压不导通，可是 当反向电压达到一定程度(大于UR) 时二极管会反向击穿，普通二极管 就会烧毁。但是

13、经过特殊工艺制造 的稳压管就能够耐得住反向电流。 稳压管的外形与普通二极管区别不 大，它的符号和伏安特性如图5-8 所示。稳压管设计成能工作在击穿区(BC 段)，当反向电压达到UZ时， 大电流反向流过稳压管，阻止电压继续升高。这种特性使稳压管成 为调节电压的电子器件。操作：用可调直流稳压电源验证二极管的稳压作用。如图5- 9(a) 所示，限流电阻的阻值为500，负载电阻阻值为3K ，稳压管的 稳压值为5.3V，调整稳压电源的电压输出值从412V逐步变化，对 应一个输出值，用万用表测量负载电阻两端电压，观察电压变化。操作规范：稳压管在正常工作时必须与一个电阻串联，这个电 阻提供了稳压管的稳定工作

14、电流。这个电阻的阻值根据稳压管的参 数而有一个取值范围。操作规范：稳压管在工作时一定是正极接低电位，负极接高电 位。在汽车电路中由于各个电器总成或元件工作电流比较大，使汽车电源系统的电压会出现波动。在汽车的仪表电路和一部分电子控制电路中，一些需要精确电 压值的地方经常利用稳压管来获取所需电压。如图5-9(b)所示，是 利用稳压管为汽车仪表提供稳定电源的电路，图中的稳压管与电阻 串联而与仪表并联。如果仪表电压必须限定在7V，便可使用额定电 压为7V 的稳压管。汽车电源电压一部分降落在电阻上，7V 电压降 落在稳压管上。即使电源电压发生变化，也只是引起不同大小的电 流流过电阻和稳压管，改变降落在电

15、阻上的电压，而稳压管始终维 持7V电压不变。提示：稳压管达到反向导通的电压也称为齐纳(Zener)电压， 所 以稳压管也被称为齐纳二极管。操作规范：稳压管虽然能够稳压，但是它毕竟是二极管，所能 通过的电流有限，它一般只应用在低电压、小电流的工作场合，对 一些高电压或大电流的工作场合不能选用稳压管稳压。 2、发光二极管 发光二极管(简称LED)是采用砷(As)、镓(Ga)、磷(P)合成的二极 管，内部基本单元仍是一个PN 结。 当外加正向电压时，向外发光，其 亮度随流过的电流增大而提高，发 光的颜色和构成PN结的材料有关， 通常有红、黄、绿、蓝和紫等颜色， 还有发出不可见的红外线的发光二 极管。

16、发光二极管的外形及符号如 图5-10 所示。操作规范：使用发光二极管时，一定要串联一个限流电阻。发 光二极管理想正向工作电流一般为10mA，正向导通压降一般为2V。 在汽车上如果直接将发光二极管接在电源上，应该串联的限流电阻 的阻值为操作：用一个1K 电阻与一个发光二极管串联，并连接到蓄 电 池上，观察发光二极管。在汽车电路中发光二极管随处可见，主要应用在仪表板上作为 指示信号灯或报警信号灯。比如液体液面过低，制动蹄片过薄，制 动灯、尾灯、前照灯等烧坏，这时相应的发光二极管就会被接通发 光，发出报警指示。讨论：看看发光二极管在日常生活中有什么应用?如图5-11所示为浮子舌簧管开关式液位传感器应用电路。如图5-11(a)所示，这种传感器是由树脂软管制成的轴和沿轴 上 下移动的环状浮子组成的。圆管状轴内装有易磁化的强磁性材料制 成的触点(舌簧管)，浮子内嵌有永久磁铁。当液位低于规定值时， 舌簧管与浮子的位置关系如图5-11(b)中虚线浮子位置所示。当永 久 磁铁接近舌簧管时，磁力线从舌簧管中通过，舌簧管的触点闭合， 报