《半导体器件及应用》ppt课件

1、第第5章章 半导体器件及运用半导体器件及运用5.1 半导体根底知识半导体根底知识5.2 二极管二极管5.3 三极管三极管5.4 三极管根本放大电路三极管根本放大电路5.5 其他半导体器件其他半导体器件5.6 集成运算放大器集成运算放大器本章要求本章要求: : 了解半导体的导电特性，了解半导体的导电特性，PNPN结的概念及特性；结的概念及特性； 掌握二极管的单导游电性、检测方法及在汽掌握二极管的单导游电性、检测方法及在汽车电子电路中的典型运用；车电子电路中的典型运用；掌握三极管的伏安特性及管脚的识别，了解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其构成的各类放大

2、电路的特点及在汽车中的运用；运用；了解其他特种半导体器件的特点及在汽车中了解其他特种半导体器件的特点及在汽车中的运用。掌握集成运放电路的分析方法，了的运用。掌握集成运放电路的分析方法，了解其在汽车中运用。解其在汽车中运用。第第5章章 半导体器件及运用半导体器件及运用5.1 半导体根底知识半导体根底知识5.1.1 半导体半导体半导体：介于导体和绝缘体之间的物质。如半导体：介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒等。硅、锗、硒等。热敏性：当环境温度升高时，导电才干显著热敏性：当环境温度升高时，导电才干显著加强加强(可做成可做成 温度敏感元件，如热敏电阻温度敏感元件，如热敏电阻)。光敏性：当遭到光照

3、时，导电才干明显变化光敏性：当遭到光照时，导电才干明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三二极管、光敏三 极管等极管等)。掺杂性：往纯真的半导体中掺入某些杂质，掺杂性：往纯真的半导体中掺入某些杂质，导电才干明显改导电才干明显改 变变(可做成各种不同用途的可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、半导体器件，如二极管、 三极管和晶闸管三极管和晶闸管等。等。+4+4+4+41、本征半导体、本征半导体完全纯真的、具有晶体构造的半导体，称为本征半导体。本征硅的晶体构造图本征硅的晶体构造图共价健价电子本征硅的构造平面图本征硅的构造平面图共有价电子

4、所构成的束缚作用称为共价键价电子+4+4+4+4空穴自在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，成为自在电子(带负电)，同时共价键中留下一个空位， 称为空穴(带正电)。这一景象称为本征激发。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子挪动过来 填补，而在该原子中出现一个空穴。如此继续下去，构成了 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在电子和空穴都称为载流子。本征半导体中有两种载流子自在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。留意：在常温下，本征

5、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。在本征半导体中掺入微量的有用杂质构成的半导在本征半导体中掺入微量的有用杂质构成的半导体。体。2、杂质半导体、杂质半导体(1)P型半导体 掺入三价元素 空穴是多数载流子，自在电子是少数载流子。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。+4+4+4+34硼原子硼原子空穴空穴接受一个接受一个 电子变为电子变为 负离子负离子多余多余 电子电子磷原子磷原子失去一个失去一个 电子变为电子变为 正离子正离子自在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。2N型半导体掺入五价元素自在电子是多数载流

6、子， 空穴是少数载流子。自在电子空穴对自在电子空穴对+4+4+4+54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呵斥的，虽然杂质含量微乎其微，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要素。由于杂质半导体具有良好的导电性，在实践中常用来生 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，推进了电子技术的开展。内电场内电场5.1.2 PN结结P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体空穴空穴自在电子自在

7、电子负离子负离子正离子正离子 + + PN结结自在电子自在电子空穴空穴在杂质半导体P和N的结合面附近存在着的特殊薄层称为 PN结。 在PN结中空穴和自在电子都根本上耗尽了，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结加正向电压结加正向电压(正向偏置正向偏置)P接正、接正、N接负接负PN 结处于导通形状结处于导通形状PN 结变窄结变窄内电场内电场外电场外电场IFPN +内电场被内电场被 减弱，多子减弱，多子 的分散加强，的分散加强， 构成较大的构成较大的 分散电流。分散电流。2、 PN结加反向电压反向偏置结加反向电压反向偏置内电场被加内电场被加 强，少子的强，少子的漂漂

8、 移加强，移加强，由于由于 少子数少子数量很少，量很少， 构构成很小的反成很小的反 向电流。向电流。P接负、接负、N接正接正PN 结处于截止形状。结处于截止形状。PN 结变宽结变宽内电场内电场外电场外电场+ +IRPN + + + PN结正导游通、反向截止的特性称为其单导游电性结正导游通、反向截止的特性称为其单导游电性3、PN结的结电容结的结电容 PN结的构造类似平板电容器结电容数值很小，在结的构造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，不用思索其影响，但在高低频电路中，相当于开路，不用思索其影响，但在高频电路中，容抗很小，对频电路中，容抗很小，对PN结的电流有影响，必需结的电

9、流有影响，必需加以思索。加以思索。相当于相当于 导体导体相当于相当于 导体导体相当于相当于 介质介质相当于相当于 介质介质相当于相当于 存存储电荷储电荷P型半导体型半导体 + PN结结N型半导体型半导体5.2 二极管二极管5.2.1 构造和分构造和分类类二极管的构造表示图二极管的构造表示图PN正极正极负极负极外壳外壳PN结结分类分类构造构造1点接触型、面接触型、平面型2硅管和锗管3普通管和特殊管负极负极正极正极符号符号VD负极引线负极引线正极引线正极引线二氧化硅维护层二氧化硅维护层P 型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝正极引线正极引线N N型锗片型锗片负极引线负极引线外

10、壳外壳( a) 点接触型点接触型二极管的构造表示图二极管的构造表示图 用于集成电路制造工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。铝合金小球铝合金小球N N型硅型硅金锑合金金锑合金 底座底座负极引线负极引线( b) 面接触型面接触型正极引线正极引线PN结结硅硅Uth =0.5V,锗锗Uth =0.1V。特点：非线性特点：非线性管压降管压降外加电压大于反向击穿电外加电压大于反向击穿电 压二极管被击穿，失去单压二极管被击穿，失去单向向 导电性。导电性。正向特性正向特性死区电压死区电压PN+5.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性反向击穿反向击穿 电压电压U(BR)NU+IP反向特性

11、反向特性 外加电压大于死区电压二外加电压大于死区电压二极管才干导通。极管才干导通。硅硅0.60.8V 锗锗0.20.3V1. 最大整流电流最大整流电流 IFM 二极管长期运用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期运用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。2. 最高反向任务电压最高反向任务电压URM 保证二极管不被击穿而制定的最高反向电压，普保证二极管不被击穿而制定的最高反向电压，普通是二极管反向击穿电压通是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二的一半或三分之二。二极管击穿后单导游极管击穿后单导游 电性被破坏，甚至过热而烧坏。电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 最大反向电流最大反向

12、电流IRM 指二极管加最高反向任务电压时的反向电流值。指二极管加最高反向任务电压时的反向电流值。反向电流值越小，管子的单导游电性能越好。其值随反向电流值越小，管子的单导游电性能越好。其值随着温度的上着温度的上 升而显著添加，因此温度会影响二极管升而显著添加，因此温度会影响二极管的性能。的性能。4. 最高任务频率最高任务频率fM5.2.3 主要参数主要参数是指保证二极管具有单导游电作用的最高任务频率。当任务频率过高时，二极管的单导游电性能就会变差，甚至失去 单导游电性。点接触型锗管其最高任务频率可达几百兆赫，而面接触型硅整流管，其最高任务频率只需三千赫。5.2.4 二极管的检测1. 二极管极性的

13、识别(1)普通情况下，可经过管壳上的标志确定。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)无标志的二极管，可经过万用表来判别正负极。正负极确实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，如下图。 上述检测运用的是指针式万用表，实践上也可运用数字万用表。假设用数字万用表，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，

14、与黑表笔相接的是二极管正极。 利用万用表还可以判别二极管的好坏。假设测得的正、反 向电阻值均很小，阐明二极管内部短路；假设正、反向电阻值 均很大，阐明二极管内部开路，这两种情况下，二极管就不能运用了。 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展检测。 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. 二极管好坏的识别二极管好坏的识别1. 整流电路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 最高相衔接的正极管导通。负极管的导通条件是:在某一瞬间，与三相绕组中电位 最低相衔接的负极管导通。5.2.5 二

15、极管在汽车电子电路中的运用二极管在汽车电子电路中的运用三相桥式三相桥式 整流电路整流电路设三相绕组输出的电设三相绕组输出的电压压 为三相对称电压，为三相对称电压，波形波形 如下图。如下图。为便于分析，现将一为便于分析，现将一个个 周期等分成周期等分成6个小区个小区间间 加以阐明。加以阐明。在在t1t2内，内，VD1、VD5导通，导通，U1V1 间电压加到负载上。间电压加到负载上。在在t2t3内，内，VD1、VD6导通，导通，U1W1 间电压加到负载上。间电压加到负载上。 在t3t4内，VD2、VD6导通，V1W1间电压加到负载上。 在t4t5内，VD2、VD4导通，V1U1间电压加到负载上。

16、按照正极管VD1VD2VD3、负极管VD5VD6VD4的顺序轮番导通，在负载端便得到一个较平稳的直流电压。电压波形如下图。2. 维护电路维护电路 在电路中，VD4起维护作用。当励磁线圈断电时，所产生的感应电动势经过VD4释放，防止了反电动势叠加在电源 电压上对VT2、VT3的电压冲击，保证了它们的平安。符号符号 伏安特性伏安特性稳压管正常任务时稳压管正常任务时加加 反向电压反向电压运用时要加限流电阻运用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后， 电流变化很大，但其两电流变化很大，但其两 端电压变化很小，利用端电压变化很小，利用 该特性，稳压管在电路该特性，稳压管在电路 中可起稳压作用。

17、中可起稳压作用。UIOUZIZIZM UZ IZ1、稳压管、稳压管5.2.6 特殊二极管及在汽车电子电路中的运用特殊二极管及在汽车电子电路中的运用1稳压管的特性2主要参数主要参数稳定电压稳定电压UZ 稳压管正常任务稳压管正常任务(反向击穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。稳定电流稳定电流IZ 、最大稳定电流、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稳定电流是指稳压管反向击穿后允许流过的 最大电流值。运用时要加限流电阻。最大电流值。运用时要加限流电阻。zZzUr =I动态

18、电阻动态电阻 rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压电路稳压电路 由稳压管和限流电阻由稳压管和限流电阻串联组成。其中稳压管串联组成。其中稳压管与负载电路并联，以便与负载电路并联，以便发扬稳压作用。发扬稳压作用。汽车仪表电路的稳压电路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，压管的反向电压略有增大，根据反向击穿特性可知，其反向电流大大添加。这将引起限流电阻的电流和其反向电流大大添加。这将引起限流电阻的电流和电压添加，假设电阻电压添加，假设电阻 选择适宜，

19、那么其电压的增量选择适宜，那么其电压的增量将抵消掉蓄电池电压的增量，使仪表上的电压根本将抵消掉蓄电池电压的增量，使仪表上的电压根本不变。相反，当蓄电池电压减小时，限流电阻上的不变。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根本不变。电压减小，保证了仪表上的电压根本不变。3稳压管在汽车电子电路中的运用稳压管在汽车电子电路中的运用限幅电路限幅电路 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。其任务原理是：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，防止了瞬间高压损坏电压调理器。 有正向电流流过时，发

20、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，它的电特性与普通二 极管类似，但正向电压较普通 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、反响快、光度强、寿命长等优点，在汽车电路中得到广泛运用。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、发光二极管发光二极管的外形和符号发光二极管的外形和符号 3、光电二极管、光电二极管 反向电流的数值随着光照的加强而上升。无光照反向电流的数值随着光照的加强而上升。无光照时，反时，反 向电流很小；有光照时，反向电流急剧添加，向电流很小；有光照时，反向电流急剧添加，且光照的越且光照

21、的越 强，反向电流越大。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，利用这一特性可以将许多光电二极管组成光电板，作为电作为电 源运用，称为太阳能电池。另外，光电二极源运用，称为太阳能电池。另外，光电二极管在汽车上作为管在汽车上作为 光信号检测元件得到了广泛的运用。光信号检测元件得到了广泛的运用。汽车空调用日照强度传感器等效电路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，它经过光电 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 对这种变化进展检测，并根 据电流的变化情况控制执行 机构调理排风口的

22、风量和温度，到达调理车内温度的目的。汽车光电式点火信号发生器原理图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。5.3 三极管三极管5.3.1 构造与符构造与符号号N P N基极基极发射极发射极集电极集电极BECBECP N P基极基极发射极发射极集电极集电极符号：符号：BIB

23、ECIEICNPN型型BECIBIEICPNP型型基区：最薄，基区：最薄， 掺杂浓度最掺杂浓度最低低发射区：掺发射区：掺 杂浓度最高杂浓度最高发射结发射结集电结集电结B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极构造特点：构造特点：集电区：集电区： 面积最大面积最大5.3.2 电流分配与放大原理电流分配与放大原理1. 1.三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件实验线路实验线路发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏UBBmAARBIBUCC+mAIERPVTIC结论结论: :2.各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用1电流关系电流关系 IE = I

24、B + IC2 IC IB ，IC IE 3 IC IB 把基极电流的微小变化可以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。 本质: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。IB(mA)00.020.040.060.080.10IC(mA)0.0010.701.502.303.103.95IE(mA) u u+ u 时，时，uo = uo = +Uo(sat)+Uo(sat)u+ u u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ u 时，时， uo = Uo(sat) 不存在不存在 “虚短景象虚短景象b)i+= i 0,仍存在仍存在“虚断景象虚断景

25、象电压传输特电压传输特性性非线性区非线性区uou+ u+Uo(sat)OUo(sat)5.6.2 根本运算电根本运算电路路 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进展比例、加法 和减法、积分和微分、指数和对数、乘法和除法等运 算。 在进展运算时，输出量都能反映输入量的某种运算结 果，因此运算放大器任务在线性区。在分析电路时线 性区的两个特点是电路的分析根据。 本节主要分析比例、加减运算电路。(1) 反相比例运算电路反相比例运算电路电路组成电路组成以后如不加阐明，输入、以后如不加阐明，输入、 输出的另一端均为地输出的另一端均为地()。因要求静态时因要求静态时

26、u+、 u 对对地地 电阻一样。电阻一样。任务原理任务原理由于由于 u=u+= 0， 称反相输入端称反相输入端“虚虚 反反相输入的重要特点相输入的重要特点由于由于 i = 0所以所以 ii = ii + i- =if ifiiii+u+oRf+uiR2R1+1.比例运算电路比例运算电路平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / Rfi-11u -ui =R-0ffu -ui =Rf0i1Ru = -uR例：电路如以下图所示，知例：电路如以下图所示，知 ui=-1V ，Rf = 20 k，R1 =2k。求：。求：uo=?+uoRf+uiR2R1+解：解：20( 1)210V f0i1Ru =uR因虚断

27、，所以因虚断，所以u+ =ui 任务原理任务原理+uoRf+uiR2R1+ 电路组成电路组成因虚短，所以因虚短，所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地因要求静态时因要求静态时u+、u-对地对地电阻一样，所以平衡电阻电阻一样，所以平衡电阻R2=R1/Rf假设假设R1=或或R1 =、Rf =0， 那么那么uo=ui，成为电压跟随，成为电压跟随器。器。(2)同相比例运算电路同相比例运算电路1-01fRu =uR + R(1)f 0i1Ru =+uR例：电路如上一页所示，知例：电路如上一页所示，知 ui=1V，Rf = 20k，R1 =2 k，最大输出电压，最大输出电压UOPP=12

28、V。求：。求：uo并判别并判别运放的任务区间。运放的任务区间。例：电路如以下图所示，求：uo=？。解：解：解：解：因 uo u 时，时， uo = +Uo (sat) u+ u 时，时， uo = Uo (sat) i+= i 0电压传输特电压传输特性性Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOuoui+门限电平门限电平Uth：输出跳变所对应的输入电压。：输出跳变所对应的输入电压。 门限电平门限电平Uth=0 由于输入由于输入ui每次过零时输出都跳变，因此称为过零每次过零时输出都跳变，因此称为过零比较器。比较器。ui0时，时，uo = Uo (sat) ui =0时，时，uo发生跳变发生跳变1.

29、过零电压比较器过零电压比较器假设稳压管假设稳压管VZ截止，那么截止，那么运放任务在开环形状，其运放任务在开环形状，其输出为输出为Uo(sat)，所以双，所以双 向稳压管中总有一个工向稳压管中总有一个工 作作在稳压形状，一个工在稳压形状，一个工 作在作在正导游通形状，正导游通形状， 因此因此uo= (UZ+UD) UZ稳定电压；稳定电压； UD正导游通压降。正导游通压降。利用电压比较器利用电压比较器 将正弦波变为方将正弦波变为方波波输出带限幅的输出带限幅的 过零电压比较过零电压比较器器tuo+Uo(sat)OUo(sat)tOui2.恣意电压比较器恣意电压比较器uiUR时，时，uo = Uo (

30、sat) ui =UR时，时，uo发生跳变发生跳变输出电压输出电压 uo 发生跃变时的输入电压叫门限电平，发生跃变时的输入电压叫门限电平， 所以恣意电压比较器的门限电平所以恣意电压比较器的门限电平Uth=UR参考电压参考电压URuouiR2+R1Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR电压传输特性电压传输特性 因只需一个门限电压，因只需一个门限电压，故又称单限电压比较器故又称单限电压比较器单限电压比较器：单限电压比较器：当当 ui 一方向变化时，一方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。电压传输特电压传输特性性Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2+R1uitOUR+Uo (sat)OuotUo (sat)t1t2电路引入正反响，运放任务于非线性区电路引入正反响，运放任务于非线性区3.滞回电压比较器滞回电压比较器Rfuoui+R1R2当 uo = + Uo(sat)，当 uo = Uo(sat)， 假设ui UR , 那么uo Uo(sat)假设ui UR，那么uo Uo(sat)假设ui UR ,那么 Uo(sat)假设ui UR，那么u Uo(sat)Uo(sat)uiuoO