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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,第5章 半导体器件及应用,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。,本章要求:,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,掺杂性：往纯净的半
2、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）。,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)。,热敏性：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)。,总目录,上页,章目录,下页,返回,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,共价健,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,总目录,上页,章目录,下页,返回,价电子,空穴,自由电子,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
3、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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,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。,总目录
4、,上页,章目录,下页,返回,2. 杂质半导体,在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半导体。,（1）P型半导体,掺入三价元素,空穴,硼原子,接受一个电子变为负离子,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。,自由电子空穴对,总目录,上页,章目录,下页,返回,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,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。,掺入五价元素,自由电子是多数载流子， 空穴是少数载流子。,（2）N型半导体,自由电子空穴对,总目录,上页,章目录,下页,返回,综上所述，无论是P型还是N
5、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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,5.1.2 PN结,P 型半导体,N 型半导体,空穴,自由电子,负离子,正离子,自由电子,空穴,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。,
6、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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.PN结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,PN 结处于导通状态,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,总目录,上页,章目录,下页,返回,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,总目录,上页,章目录,下页,返回,PN 结变宽,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。,IR,P接负、N接正,PN 结处于截止状态。,PN结正向导通、反向截止的特性称
7、为其单向导电性,总目录,上页,章目录,下页,返回,3. PN结的结电容,PN结的结构类似平板电容器,相当于 导体,相当于 导体,相当于 介质,相当于 介质,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。,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,下页,总目录,上页,章目录,下页,返回,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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,硅Uth =0.5V,锗U
8、th =0.1V。,反向击穿 电压U(BR),管压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,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。,正向特性,反向特性,特点：非线性,死区电压,硅0.60.8V锗0.20.3V,5.2.2 二极管的伏安特性,总目录,上页,章目录,下页,返回,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,3. 最大反向电流IRM,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。,指二极管加最高反向工作电压时的反向电
9、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,总目录,上页,章目录,下页,返回,是指保证二极管具有单向导电作用的最高工作频率。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。,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
10、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。在所测得阻值较小的一次，与,5.2.4 二极管的检测,总目录,上页,章目录,下页,返回,黑表笔相接的一端为正极。同理，在所测得阻值较大的一次，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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,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
11、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。,2. 二极管好坏的识别,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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,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。,三相桥式整流电路,5.2.5 二极管在汽车电子电路中的应用,总目录,上页,章目录,下页,返回,设三相绕组
12、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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,在t4t5内，VD2、VD4导通，V1U1间电压加到负载上。,在t3t4内，VD2、VD6导通，V1W1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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,2. 保护电路,在电路中，VD4起保护作用。当励磁线圈断电时，所
13、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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,1. 稳压管,符号,伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用该特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,（1）稳压管的特性,5.2.6 特殊二极管及在汽车电子电路中的应用,总目录,上页,章目录,下页,返回,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 稳定电流是指稳压管的稳定电压所对应的电流值 最
14、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。,动态电阻,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,（2）主要参数,总目录,上页,章目录,下页,返回,稳压电路,汽车仪表电路的稳压电路,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。,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
15、子电路中的应用,总目录,上页,章目录,下页,返回,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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,2. 发光二极管,发光二极管的外形和符号,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
16、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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,汽车上的液面检测报警电路,报警灯,液位传感器,永久磁铁是浮子 舌簧管是静止的,在液位正常时，舌簧管触点断开，报警灯不发光。当液位低于规定值时，磁铁浮子下移到舌簧管中部，在磁场作用下触点闭合，报警灯电路接通而发光报警。,总目录,上页,章目录,下页,返回,3. 光电二极管,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。,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。,总目录,上页,章目录,下页,返回,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
