汽车电路-第5章-半导体器件及应用

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：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改

2、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 +4 +4 +4 +4价电子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 +4 +4 +4 +4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

3、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。 总目录上页章目录下页返回2. 杂质半导

4、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 +4 +4+4 +4空穴+3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 +4 +4 +4 +4+5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型半导体，其中多数载流子都是掺入杂质造成

5、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PN结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

6、尽层中有一个内电场，方向如上图所示。 内电场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 外电场IF PN 结处于导通状态内电场PN+ 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）外电场内电场PN+ 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）外电场 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。内电场PN+PN结正向导通、反向截止的特性称为其单向导电性总目录上页章目录下页返回3

7、. 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相当于存储电荷结电容数值很小，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。 P 型半导体+PN结N 型半导体5.2 二极管5.2.1 结构和分类负极正极符号VDPN正极负极外壳PN结二极管的结构示意图分类结构（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负极引线正极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅( c ) 平面型金属触丝正极引线N型锗片负极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅正极引线PN结金锑合

8、金底座负极引线( b ) 面接触型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UI死区电压PN+PN+硅0.60.8V锗0.20.3V5.2.2 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URM3. 最大反向电流IRM保证二极管不被击穿

9、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fM5.2.3 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

10、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

11、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

12、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

13、路在电路中，VD4起保护作用。当励磁线圈断电时，所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。UIOUZIZIZM 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

14、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）稳压管在汽车电子电路中的应

15、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。如安装在汽车组合仪表盘上各种指示灯、报警灯都是发光

16、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

17、 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。 总目录上页章目录下页返回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

18、电压脉冲，即点火触发信号。 5.3 三极管5.3.1 结构与符号NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN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BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大总目录上页章目录下页返回5.3.2 电流分配与放大原理ICUBBmAARBIBUCC+mAIERPVT发射结正偏、集电结反偏实验线路1.三极管放大的外部条件总目录上页章目录下页返回IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.

19、701.502.303.103.95 u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = +Uo (sat) u+ u 时， uo = Uo (sat) i+= i 0总目录上页章目录下页返回电压传输特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOuoui+门限电平Uth：输出跳变所对应的输入电压。 ui0 时，uo = Uo (sat) ui =0 时，uo发生跳变门限电平Uth=0因为输入ui每次过零时输出都跳变，因此称为过零比较器。 1.过零电压比较器总目录上页章目录下页返回 假设稳压管VZ截止，则运放工作在开环状态，其输出为Uo(

20、sat)，所以双向稳压管中总有一个工作在稳压状态，一个工作在正向导通状态，因此uo= (UZ+UD) UZ稳定电压； UD正向导通压降。利用电压比较器将正弦波变为方波tuiOtuo+Uo(sat)Uo(sat)O输出带限幅的过零电压比较器总目录上页章目录下页返回2.任意电压比较器 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR uiUR 时，uo = Uo (sat) ui =UR 时，uo发生跳变输出电压 uo 发生跃变时的输入电压叫门限电平，所以任意电压比较器的门限电平Uth=UR 参考电压URuouiR2+R1因只有一个门限电压，故又称单限电压比较器 电压传输特性总目录上页章目录下页返回uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。电压传输特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURURuouiR2+R1t1t2总目录上页章目录下页返回电路引入正反馈，运放工作于非线性区3.滞回电压比较器Rfuoui+R1R2当 uo = + Uo(sat)， 则 当 uo = Uo(sat)， 则电压传输特性uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)总目录上页章目录下页返回回差电压： uiuo