半导体基础知识42半导体二极管

应知：半导体导电特性，PN结结构及形成过程。

二极管结构、单向导电性及在汽车上的应用。

三极管结构、工作状态及放大、开关电路在汽车上的应用。

场效应管的的结构、工作原理。基本放大电路的组成及各元件的作用。集成运算放大器构成、特点及其应用。

晶闸管结构、工作原理及在汽车中的应用。

第4章常用半导体器件与应用第一页，共67页。第一页，共67页。应会：

二极管、三极管的检测与识别。基本放大电路的分析方法。集成运算放大器的分析方法。第4章常用半导体器件与应用第二页，共67页。第二页，共67页。汽车电子汽车电子电源发动机控制行驶装置报警与安全装置舒适性仪表娱乐通讯导航影院、汽车电话、业余电台….点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁….安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊….空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表….第三页，共67页。第三页，共67页。4.1半导体基础知识

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强。半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。第四页，共67页。第四页，共67页。4.1.1本征半导体——完全纯净的半导体4.1半导体基础知识

最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)Si+4Ge+4硅原子和锗原子的简化模型图天然硅和锗不能制成半导体器件的。必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。第五页，共67页。第五页，共67页。4.1.1本征半导体4.1半导体基础知识本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4晶格结构共价键结构第六页，共67页。第六页，共67页。4.1半导体基础知识＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。自用电子和空穴统称为载流子。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此原子的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。＋＋第七页，共67页。第七页，共67页。4.1半导体基础知识＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4具有空穴的原子吸引相邻原子的价电子来填补空穴，使失去电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。在电场力的作用下，形成空穴电流和电子电流。第八页，共67页。第八页，共67页。4.1半导体基础知识＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4载流子的产生和复合总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。载流子数目会维持一定。温度升高，平衡被破坏。第九页，共67页。第九页，共67页。注：(1)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大；(2)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。第十页，共67页。第十页，共67页。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P4.1.2.杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。1.N型半导体掺入五价元素

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。

N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。多余电子在常温下即可变为自由电子4.1半导体基础知识第十一页，共67页。第十一页，共67页。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+2.P型半导体掺入三价元素空穴

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。

P型半导体中空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。4.1半导体基础知识第十二页，共67页。第十二页，共67页。1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba思考题第十三页，共67页。第十三页，共67页。1.PN结的形成在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变浓度差多子的扩散运动少子的漂移运动4.1半导体基础知识4.1.3PN结第十四页，共67页。第十四页，共67页。2.PN结的单向导电性1）正向偏置（正偏）第十五页，共67页。第十五页，共67页。2）反向偏置（反偏）2.PN结的单向导电性第十六页，共67页。第十六页，共67页。2.PN结的单向导电性

(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内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流，即正向电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–4.1半导体基础知识第十七页，共67页。第十七页，共67页。外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+(2)PN结加反向电压（反向偏置）4.1半导体基础知识第十八页，共67页。第十八页，共67页。PN结变宽外电场内电场加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的漂移电流，即反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－(2)PN结加反向电压（反向偏置）4.1半导体基础知识第十九页，共67页。第十九页，共67页。PN结的单向导电性1）正向偏置（正偏）第二十页，共67页。第二十页，共67页。2）反向偏置（反偏）第二十一页，共67页。第二十一页，共67页。综上：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。导通时，PN结加正向电压需大于内电场电压。第二十二页，共67页。第二十二页，共67页。巩固练习：P型半导体和N型半导体的多数载流子分别是?答：P型半导体的多数载流子是空穴，N型半导体的多数载流子是自由电子。PN结特性？答：单向导电性：正向导通，反向截止。PN结导通条件？答：PN结加正向电压且大于内电场电压。第二十三页，共67页。第二十三页，共67页。4.2.1二极管的结构与符号4.2半导体二极管将PN结封装并引出两根电极就形成了二极管。有金属封装、塑料封装、玻璃封装等。P区引出的线称为阳极，用“+”表示。从N区引出的线称阴极，用“－”表示。符号

第二十四页，共67页。第二十四页，共67页。硅高频检波管整流二极管稳压管发光二极管第二十五页，共67页。第二十五页，共67页。4.2.2二极管的伏安特性4.2半导体二极管伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系，即。二极管的伏安特性是非线性的，二极管是非线性元件。由二极管的伏安特性可以看出其具有单向导电性。第二十六页，共67页。第二十六页，共67页。二极管的伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降

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：非线性硅管：0.6~0.7V锗管：0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向漏电流很小——截止二极管具有单向导电性第二十七页，共67页。第二十七页，共67页。4.2.3二极管的主要参数4.2半导体二极管二极管的参数是表征二极管的性能及其适用范围的重要数据，是选择、使用二极管的主要依据。1.最大整流电流IOM指二极管长期工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流，使用时不能超过最大整流电流，否则会使二极管迅速损坏。2.最大反向工作电压URM指二极管不被击穿所允许的最大反向电压，一般取击穿电压的1/3~2/3作为最大反向电压URM。3.最大反向电流IRM指二极管加最大反向电压时的反向电流。反向电流越小，二极管的单向导电性越好。第二十八页，共67页。第二十八页，共67页。二极管的伏安特性反向击穿电压U(BR)导通压降

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–+反向漏电流很小——截止二极管具有单向导电性硅管0.5V锗管0.1V硅管：0.6~0.7V锗管：0.2~0.3V第二十九页，共67页。第二十九页，共67页。4.2.4、晶体二极管的简易判别

依据：二极管的单向导电性，即正向电阻小，反向电阻大。

工具：指针式万用表或数字式万用表。1.指针式万用表判别方法:小功率管用万用表的R×100或

R×1k挡来测量二极管的正反向电阻。大功率管用R×1、R×10挡测。不能用R×10k挡测。4.2半导体二极管第三十页，共67页。第三十页，共67页。4.2.4、晶体二极管的简易判别正向电阻小反向电阻大4.2半导体二极管第三十一页，共67页。第三十一页，共67页。

一般二极管的正向电阻为几十到几千欧，反向电阻为几百千欧或更高，二极管的正反向电阻差别越大，就表明二极管的单向导电特性越好。若R正≈R反，表示二极管已坏；若R正≈R反≈

0，则表明管子已被？，两电极？；若R正≈R反→∞，则说明管子内部已？都不能使用。4.2半导体二极管(1)好坏的判别4.2.4、晶体二极管的简易判别1.指针式万用表判别方法:第三十二页，共67页。第三十二页，共67页。

2.极性的判别用表笔分别与二极管的两极相接，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二极管的阳极(？)，另一极为阴极。4.2.4、晶体二极管的简易判别1.指针式万用表判别方法:4.2半导体二极管第三十三页，共67页。第三十三页，共67页。其它方法:一般有白圈一端为负极。4.2半导体二极管对于发光二极管可根据管脚的长度来区分极性，较长的管脚为正极。第三十四页，共67页。第三十四页，共67页。4.2半导体二极管2．使用数字万用表判别原理：将数字式万用表拔到“二极管测试”挡，当二极管的正、负极分别与数字万用表红、黑表笔相接时，二极管正向导通，万用表指示正向导通电压值（硅管0.45~0.7V，锗管0.1~0.3V）。反接时二极管截止，万用表显示固定电压2.8V或溢出符号“1”或“OL”。4.2.4、晶体二极管的简易判别第三十五页，共67页。第三十五页，共67页。4.2.4二极管的简易判别4.2半导体二极管1．使用数字万用表判别UT58C型数字万用表检测示例二极管正向测量(b)二极管反向测量第三十六页，共67页。第三十六页，共67页。*半导体二极管的型号命名方法国家标准对半导体二极管的命名如下:2

A

P

1*

第二位：AN型锗管BP型锗管

CN型硅管DP型硅管第三位：P普通管W稳压管K开关管Z整流管U光电器件用字母表示材料用字母表示器件的类别用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格二极管日产：1N4001~4007型第三十七页，共67页。第三十七页，共67页。小结与作业P131~132——4.3、4.61.本征半导体2.杂质半导体——P型和N型。3.PN结的形成和单向导电性。4.二极管的伏安特性及单向导电性。5.二极管的判别与命名方法。第三十八页，共67页。第三十八页，共67页。复习提问1.N型半导体和P型半导体？N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴。P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。2.二极管（PN结）特性？单向导电性，即正偏时导通，反偏时截止。3.二极管的伏安特性？第三十九页，共67页。第三十九页，共67页。二极管的伏安特性反向击穿电压U(BR)导通压降

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–+反向漏电流很小——截止二极管具有单向导电性硅管0.5V锗管0.1V硅管：0.6~0.7V锗管：0.2~0.3V第四十页，共67页。第四十页，共67页。

一般二极管的正向电阻为几十到几千欧，反向电阻为几百千欧或更高，二极管的正反向电阻差别越大，就表明二极管的单向导电特性越好。若R正≈R反，表示二极管已坏；若R正≈R反≈

0，则表明管子已被？，两电极？；若R正≈R反→∞，则说明管子内部已？都不能使用。(1)好坏的判别4.晶体二极管的简易判别方法使用指针式万用表判别第四十一页，共67页。第四十一页，共67页。(2)极性的判别用表笔分别与二极管的两极相接，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二极管的阳极(？)，另一极为阴极。第四十二页，共67页。第四十二页，共67页。使用数字万用表判别将数字式万用表拔到“二极管测试”挡，当二极管的正、负极分别与数字万用表红、黑表笔相接时，二极管正向导通，万用表指示正向导通电压值（硅管0.45~0.7V，锗管0.1~0.3V）。反接时二极管截止，万用表显示固定电压2.8V或溢出符号“1”或“OL”。第四十三页，共67页。第四十三页，共67页。4.2.5二极管的主要应用及特殊二极管分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视为“短路”，截止时视为“开路”。UD=0UD=∞正向导通时相当一个闭合的开关+－+－+－VD+－VD+－+－VDPN+－反向截止时相当一个打开的开关+－VDPN1.二极管的开关作用一、主要作用第四十四页，共67页。第四十四页，共67页。2.整流作用RLuiuouiuott

利用二极管的单向导电性将交流电压变为单向脉动直流电压，称为整流。

在正半周时，二极管导通（理想二极管相当于短路），在负半周时，二极管截止（理想二极管相当于开路）。整流电路输出波形输入波形第四十五页，共67页。第四十五页，共67页。第四十六页，共67页。第四十六页，共67页。汽车整流电路

在汽车交流发电机中，用二极管组成的整流板将发电机发出的三相交流电整流为直流电。第四十七页，共67页。第四十七页，共67页。3.检波作用

收音机从载波信号中检出音频信号的过程称为检波。RLCuiuot输入波形输出波形检波电路第四十八页，共67页。第四十八页，共67页。4.限幅作用限制输出电压的幅度USuiUmOUSuoORuiuo当Ui<US时,管截止,U0＝Ui当Ui>US时,管导通,U0＝USUS限幅电路第四十九页，共67页。第四十九页，共67页。5.钳位与隔离作用

已知电路如图所示，VDA和VDB为硅二极管，正向压降为0.7V，若UA=3V，UB=0，求输出的电压UF：。解：VDB优先导通，所以

UF=0.7V此时VDA截止，UA对UF无影响，VDA起隔离作用，VDB起钳位作用。钳位与隔离作用若UF=UA=3V呢？第五十页，共67页。第五十页，共67页。6.续流作用什么是续流电路：一个通电的线圈，当突然断电时，就会在线圈中产生一个反向电动势，如果这个反向电动势叠加在电路中的其他电子元件上(一般为三极管)，就会引起元件的损坏。为了避免这种现象的出现，一般都在线圈旁边并联一个二极管吸收反向电动势。续流电路的作用：保护其他电子元件。+12VVD起开关作用电子元件线圈第五十一页，共67页。第五十一页，共67页。I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)

0.40.8－12－8－4U(V)VDZ正向特性与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ1.稳压二极管1)稳压二极管的伏安特性实物图图形符号及文字符号稳压管正常工作时加反向电压。稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用二、特殊二极管第五十二页，共67页。第五十二页，共67页。2)稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ（稳压值）

稳压管正常反向击穿状态下的管子两端电压。(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM稳定电流IZ指工作电压等于稳定电压时的反向电流最大稳定电流IZM指稳压管允许通过的最大反向电流，使用时限制IZ不能超过IZM。否则管会因发热而损坏。第五十三页，共67页。第五十三页，共67页。+US－VDZ使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正负极的判别VDZ+－(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路UZ(3)稳压管应接入限流电阻(5)电源电压应高于稳压二极管的稳压值(6)稳压管一般都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。(4)稳压管应与负载并联第五十四页，共67页。第五十四页，共67页。二极管稳压电路uoiZDZRiLiuiRL常见稳压二极管有国产的2CW系列、2DW系列和进口的1N700系列、1N900系列等。第五十五页，共67页。第五十五页，共67页。3）稳压二极管的应用在汽车电路中由于各个电器或元件工作电流比较大，使汽车电源系统的电压会出现波动。在汽车的仪表电路和一部分电子控制电路中，一些需要精确电压值的地方经常利用稳压管来获取所需电压。简化汽车仪表稳压电路第五十六页，共67页。第五十六页，共67页。

1)发光二极管（简称LED）

：是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。实物图符号VD2.发光二极管和光敏二极管发光二极管一般用镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物构成。目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光。结构第五十七页，共67页。第五十七页，共67页。

1)发光二极管（LED）

：发光二极管常用作电子设备电源指示灯、遥控器、光电耦合器中的发光元件、数字仪表和音响设备中的显示器等。汽车仪表板上指