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1、2018/9/5,1,课件制作：中山职业技术学院汽车教研室,2018/9/5,2,项目五 半导体器件的认识与分析,知识目标,能力目标,理解半导体概念 掌握N型半导体和P型半导体构成方式 了解PN结形成过程 掌握PN结单向导电性 掌握二极管基本结构和符号表示方法 了解二极管特性和主要参数 掌握二极管主要应用方式 掌握二极管整流电路 了解二极管在汽车上的运用 了解晶体管特性和主要参数,掌握二极管的检测方法 会用万用表检测二极管 能解释N型半导体和P型半导体的构成 能解释PN结单向导电性 能画出二极管符号，标注极性 能看懂二极管特性曲线和主要参数 能说出二极管几种主要应用方式 能解释二极管整流电路工
2、作原理 能解释晶体管电路放大原理 能看懂晶体管主要参数,2018/9/5,3,任务导入,项目任务:,直流稳压电源的制作与调试,图5-1 直流稳压电源电路图,2018/9/5,4,任务要求： 1、输出电压U0 =818V ，连续可调; 2、最大输出电流IL=500mA； 3、工作温度2540； 4、电网电压波动10，电路正常工作。,2018/9/5,5,电路装配工艺要求: 1、工艺流程完成工作任务时要遵循的工艺流程为： 1）熟悉工艺要求 2）准备工作 3）绘制装备草图 4）核对元器件数量、规格、型号 5）元器件检测 6）元器件的预加工 7）电路装配、焊接 8）调试。,2018/9/5,6,2、工
3、艺要求 1）电路板装配工艺要求 （1）电子元器件的标记和色码部位应朝上，色环电阻的色环标志顺序方向一致；电阻、二极管均采用水平安装方式，高度为元器件体离版面4mm左右。 （2）电容、晶体管必须采用垂直安装方式，高度为底部离版面37mm。 （3）元器件间的距离不能小于2 mm，引线间距离要大于3 mm。 （4）所有焊点均采用直角焊，焊接完成后剪去多余引脚，留头在焊接上0.51 mm，且不能损伤焊接面。 （5）保证焊接可靠，无漏焊、短路现象。,2018/9/5,7,2）总装加工工艺要求 （1）电源变压器用螺钉固定在电路板的元器件面，一次绕组的引出线向外，二次绕组的引出线向内。 （2）电源线从电路板
4、焊接面穿孔后，要在元器件面打结，再与变压器一次绕组引出线焊接并完成绝缘恢复，变压器二次绕组引出线插入安装孔后焊接。,项目任务元器件数量及规格,1、所需设备仪器 （1）示波器。 （2）万用表。 （3）常用电子组装工具一套(电烙铁、尖嘴钳等)。,2018/9/5,8,2、项目任务需要的元器件数量及规格如表所示,表 元器件明细表,2018/9/5,9,任务分析,直流稳压电源工作原理分析,直流稳压电源电路如图5-1所示，,2018/9/5,10,电路的各组成部分及工作原理如下：,1、降压电路图中T为降压变压器，将交流220V电压变为交流15V电压，使交流电压值与电路工作值接近，供给整流电路。 2、整流
5、电路图中VD1 VD4为整流二极管,构成单相桥式整流电路,利用二极管的单向导电性,实现全波整流。 3、滤波电路图中电容C1为滤波电容。整流后得脉动直流电虽其方向不变，但大小仍随时间变化，利用滤波电路，可滤除脉动直流电压中的交流成分，使输出电压比较平滑。,2018/9/5,11,4.稳压电路图中电容C1右侧的电路为稳压电路，采用串联式稳压电路，当输入电压Ui提高或负载变化时，电路能使输出电压稳定.,其稳压过程如下：,2018/9/5,12,一、半导体基础知识,知识准备,问答互动,自然界中的物质按其导电能力的强弱，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。 导电能力特别强的物质，称为导体； 导电能力非常
6、差或者几乎不导电的物质，称为绝缘体； 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体,在自然界中，所有物质按其导电能力的强弱，可以分为几类？各自有什么特点？,2018/9/5,13,1、本征半导体纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。 目前最常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）。 本征半导体的特点： 本征半导体本身不带电：硅和锗都是四价元素，原子之间以共价键的形式结合，在没有外界因素影响时，最外层的电子被束缚在共价键内， 自由移动的电子，所以不导电。 本征半导体存在本征激发问题：当外界因素发生变化，如光照或温度变化，共价键中的少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱
7、出来，成为自由电子。与此同时，失去价电子的硅（或锗）原子，在该共价键上留下了相同数量的空位，这个空位称为空穴，这种现象称为本征激发。,2018/9/5,14,本征半导体中存在电子空穴对：在本征半导体中，自由电子与空穴总是成对出现，称其为自由电子空穴对。自由电子带负电荷，空穴带正电荷。由于他们都是携带电荷的粒子，因此称为载流子。 本征半导体中存在载流子复合现象：在本征半导体中，如果自由电子和空穴相遇，则两种载流子一起消失，这个过程称为复合过程。,2018/9/5,15,2、N型半导体和P型半导体在本征半导体中，如果掺入某些微量有用元素，就形成杂质半导体，杂质半导体有P型半导体 N型半导体两种。
8、（1）P型（空穴型）半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的三价元素硼。这种半导体主要靠空穴导电，所以称为空穴型半导体，简称为P型半导体。三价的硼原子接受一个价电子进入共价键后都带上一个负电荷，因此P型半导体呈电中性。 （2） N型（电子型）半导体 如果在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的五价元素磷。这种半导体主要靠自由电子导电，所以被称为电子型半导体，或称为N型半导体。五价的磷原子失去一个价电子后都带上一个正电荷，因此N型半导体呈电中性。,2018/9/5,16,3、PN结的特性,（1） PN结的形成过程： 当P型和N型半导体结合在一起后，两侧半导体之间载流子浓度存在着明显的差异，P区空穴多
9、、自由电子少；N区自由电子多、空穴少。交界面两侧同类型载流子因浓度差而产生扩散运动，随着扩散的进行，交界面留下不能移动的正负杂质离子，由此形成空间电荷区，从而产生内电场。 内电场形成后，一方面其电场力会阻碍多数载流子的扩散运动，另一方面，其电场力将推动少数载流子产生漂移运动。 扩散运动和漂移运动是互相联系，又互相矛盾的。当漂移运动和扩散运动处于动态平衡状态时，空间电荷区不再发生变化，形成了具有一定宽度的空间电荷区，称为PN结。PN结又称为“阻挡层”或“耗尽层”。,2018/9/5,17,（2）PN结的特性1） 外加正向电压（PN结正向偏置）。,P区接电源正极，N区接电源负极，称为正向偏置。此时
10、在外电场作用下，内电场被消弱，耗尽层变窄，载流子的扩散大于漂移，多数载流子的扩散电流能顺利地通过PN结形成回路的正向电流，正向电流较大，PN结的正向电阻很小，PN结为正向导通状态。,2018/9/5,18,在图5-2b中，P去接电源负极，N区接电源正极，称为反向偏置。此时在外电场的作用下，内电场增强，耗尽层变宽，载流子的扩散难以进行，造成漂移大于扩散，多数载流子受阻，两区的少数载流子在内电场作用下漂移过PN结形成反向电流IR0,由于在室温下，少数载流子的浓度很低， 所以反向电流极小，PN结的反向电阻很大，PN结为反向截止状态。,2）外加反向电压（PN结反向偏置）,2018/9/5,19,二、半
11、导体二极管,1.二极管的结构及特性（1）二极管的结构和符号,a）结构示意图 b）符号 图5-3 二极管的结构和符号,2018/9/5,20,（2）二极管类型 从工艺上分，有点接触型和面接触型； 从材料上分，有硅二极管和锗二极管； 从用途上分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。,（3）二极管的伏安特性,其中：IS称为PN结的反向饱和电流； UT称为温度的电压当量，常温下26mV；,由式（5-1）可见： 当U=0时，I=0； 当PN结正偏，且UUT时，I随U按指数规律增大； 当PN结正偏时，则IIS时，其大小与外电压U无关。,=0；,2018/9/5,21,实际二极管的伏
12、安特性曲线如图所示,通常将特性曲线分为三个部分： 正向特性 反向特性 反向击穿特性。,图5-4 二极管的伏安特性曲线,2018/9/5,22, 正向特性 当外加正向电压小于某一数值（称为死区电压）时，二极管正向电流很小，几乎为零，该段称为死区。 通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。 当外加正向电压超过死区电压之后，随外加电压的增加正向电流按指数规律明显增大，当二极管完全导通后，正向电压基本维持不变，称为二极管正向导通压降。 硅管的正向导通电压为0.60.7，通常取0.7V； 锗管的正向导通电压为0.20.3，通常取0.3。,2018/9/5,23, 反
13、向特性当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，扩散运动基本停止，只有少数载流子的漂移运动，形成极小的反向电流，称为反向饱和电流，这时二极管反向截止。但反向电流对温度的变化非常敏感，温度升高，反向电流明显增大，通常温度每升高10，其反向电流约增加一倍。 反向击穿特性当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。,2018/9/5,24,2.二极管的主要参数（1）最大整流电流IF IF是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，用IF表示。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏
14、。,（2）最高反向工作电压URM URM是指允许加在二极管两端的反向电压最大值。 通常URM为反向击穿电压的1/21/3，以确保二极管安全工作。,除上述参数外，二极管的参数还有结电容、正向压降等，实际应用时，可查阅半导体器件手册。,2018/9/5,25,、特殊二极管（）稳压二极管稳压二极管是用特殊工艺制造的面接触型硅二极管，它与电阻配合，在电路中能起到稳压作用。,符号,）稳压管的符号和伏安特性,2018/9/5,26,稳压二极管的伏安特性曲线及符号如图5-5所示。从特性曲线可以看出，稳压管正向偏压时，其特性与普通二极管相似；但反向击穿时，特性曲线很陡。稳压管通常工作在反向击穿区，反向击穿后，
15、反向电流在很大范围内变化时，稳压管两端电压变化很小，因此具有稳压性能。,图5-5 稳压二极管的伏安特性曲线,2018/9/5,27,）稳压管的主要参数,稳压电压UDZ当稳压管通过规定的测试电流时，管子两端的电压。由于制造工艺的原因，同一型号的管子稳定电压有一定的分散性。目前常见的稳压管稳压值分布在几伏至几百伏。,稳压电流IDZ稳压管正常工作时的参考电流值。稳压管的工作电流越大，稳压效果越好。实际应用时只要工作电流不超过最大工作电流IDZmax，均可正常工作。,动态电阻RDZ,稳压管端电压与电流变化量之比为动态电阻，即,=,动态电阻RDZ越小，稳压效果越好。,2018/9/5,28,（2）发光二
16、极管 发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED(Light Emitting Diode)。,1）符号 如图5-6所示。,2）基本结构：有一个PN结，采用砷化镓、磷化镓等化合物半导体材料制造而成，它的伏安特性与普通二极管的伏安特性相似，但由于材料特性，其正向导通电压较大，为12V，当管子正向导通时会发光。3）发光二极管由于工作电压低、工作电流小，且体积小、可靠性高、耗电低、寿命长，所以被广泛用于信号指示灯电路中。,2018/9/5,29,（3）光敏二极管 光敏二极管又叫光电二极管，它是一种将光信号转换为电信号的器件。 1)光敏二极管的符号,2）光敏二极管的伏安特性 光敏二极管工作在反向偏置状态下。 无光照射时，与普通二极管一样，反向电流很小，被称为暗电流。 当有光照射时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称其为光电流。,光敏二极管基本结构也是一个PN结，但管壳上有一个窗口，使光线可以照射到PN结上。,图5-7 光敏二极管的符号,
