汽车电工电子技术基础第6章半导体器件及其应用

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1、目 录,前言 第一章 直流电路 第二章 电磁现象及其应用 第三章 正弦交流电路 第四章 电工测量及安全用电 第五章 电动机与发电机 第六章 半导体器件及应用 第七章 汽车常用电子电路 第八章 数字电路基础 参考文献,第6章 半导体器件及其应用,6.1 半导体基础知识 6.2 二极管 6.3 汽车上常用的二极管 6.4 光电器件 6.5 晶体管 6.6 半导体管的开关特性 6.7 晶闸管,6.1 半导体基础知识,6.1.1 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

2、）。,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)。,6.1.2 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,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

3、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。,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。,6.1.3 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

4、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,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,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

5、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。,6.1.4 PN结及其单向导电性,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。,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）,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。,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,PN 结

6、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,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。,6.2 二极管,6.2.1 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,二极管的结构示意图,用于集成电路

7、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。,硅Uth =0.5V,锗Uth =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,6.2.2 二极管的伏安特性,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，

8、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,6.2.3 主要参数,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。

9、,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。在所测得阻值较小的一次，与,6.2.4 二极管的简单测试,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。,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

10、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。,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,6.3 汽车上常用的二极管,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

11、在电路中可起稳压作用。,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,（1）稳压管的特性,6.3.2 稳压管,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,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

12、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的应用,6.4 光电器件,6.4.1 发光二极管（LED）,发光二极管（LED，Light-Emitting Diode )是由半导体砷、磷、镓及其化合物制成的一种电子器件, 可见光发光二极管可用于数字、字符显示器件，或电子仪器、仪表指示器等。这类二极管具有亮度强、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、寿命长等特点。在汽车上用LED作指示灯、报警灯、组合仪表显示、故障代

13、码显示等。 红外线发光二极管可用于光电耦合器、红外线遥控装置等。 激光发光二极管可用于小功率光电设备中，如计算机上的光盘驱动器、激光打印机中的打印头等。,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。,6.4.2 光敏（电）二极管,光敏（电）二极管是一种能够实现光电转换的二极管，利用半导体的光敏特性制造而成。,图6-19 光敏（电）二极管的结构 1玻璃透镜 2管芯 3管壳 4陶瓷管座 5引线,利用这一特性可以将许多光电二极管组

14、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。,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。,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

15、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。,6.4.3 光敏三极管,6.4.4 光耦合器,光耦合器是一种把发光管与光敏管封装在一起的光电器件。它用输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，照射光敏二极管或光敏三极管而产生光电流，转换成电信号，然后送给负载，这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用,图6-25 光传感器 a）三极管型 b）达林顿型 c）槽型光电传感器,6.5 三极管,6.5.1 结

16、构与类型,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型,PNP型,总目录,上页,章目录,下页,返回,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,6.5.2 晶体三极管的电流分配和放大作用,1晶体三极管的工作电压 欲使三极管起放大作用，除了其本身结构外，还需要一个外部条件，即必须在发射结加正向电压，在集电结加反向电压,图6-28 三极管的接法 a)NPN型 b) PNP型,2晶体三极管的电流分配,图6-29 三极管电流放大实验电路,三极管的电流分配关系是：发射极电流等于集电极电流和基极电流之和,由于IbIc，可忽略，即,3晶体三极管的放大特性 当基极电流Ib有个很小的变化Ib时，会引起集电极电流Ic的很大变化Ic。三极管的这种以“小变化的基极电流Ib控制大变化的集电极电流Ic