汽车电工与电子技术 课件 项目5、6 常用半导体器件、放大电路

项目5常用半导体器件5.1二极管整流电路功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压。5.1.1半导体基础知识半导体的导电特性(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。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）。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

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子1．本征半导体

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，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）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理

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：自由电子作定向运动

电子电流；价电子递补空穴空穴电流。注意：

本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

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。自由电子和空穴都称为载流子。

2．杂质半导体

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。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+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

在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

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。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。3．PN结（1）半导体内部载流子的运动载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动。漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的定向运动。

（2）PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区（3）PN结特性

PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负外电场I

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

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－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽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。I

P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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

PN结正向导通，反向截止，只允许一个方向的电流通过，这就是PN结的单向导电性。（3）PN结特性5.1.2二极管1．二极管的基本结构2．二极管的伏安特性硅管0.5V锗管0.2V反向击穿电压UBR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。正向特性反向特性硅管0.6~0.7V锗管0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。3．二极管的主要参数最大整流电流：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。最高反向工作电压：指允许加在二极管两端的最高反向电压。反向电流：在室温下，二极管加反向电压未击穿时的反向电流值。最高工作频率：指保证二极管具有单向导电作用的最高工作频率。4．特殊半导体二极管（1）稳压管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。使用时要加限流电阻稳压管的主要参数

稳定电压UZ

动态电阻

稳定电流IZ、最大稳定电流IZmaxrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。（2）发光二极管半导体发光二极管是一种由磷砷化镓等半导体材料制成的将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED。发光二极管的工作电压在2V以下，其工作电流在几毫安至十几毫安。4.1.3整流电路（1）电路工作原理u2正半周，Va>Vb，二极管D导通；u2负半周，Va<Vb，二极管D截止。1．单相半波整流电路图4.11(a)单相半波整流电路（2）单相半波整流电路的性能指标①输出电压平均值②整流管平均整流电流③整流管承受的最大反向电压（1）电路工作原理2．单相桥式整流电路u2正半周，二极管D1、D3导通，D2、D4截止。u2负半周，二极管D2、D4导通，D1、D3截止。

单相桥式整流电路的工作波形图（2）单相桥式整流电路的性能指标①输出电压平均值②整流管平均整流电流③整流管承受的最大反向电压3．三相桥式整流电路图4.15三相桥式整流电路及电压波形在同一瞬间，只有与电位最低的一相绕组相连的负极管导通，同样，只有与电位最高的一相绕组相连的正极管导通，同时导通的两个管子将发电机的电压加在负载两端。5.1.4滤波电路交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联（或将电感与负载RL串联）。1．电容滤波电路

输出电压的脉动程度与放电时间常数有关。近似估算取：

Uo

=1.2U（

桥式）

Uo

=1.0U（半波）

电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。2．电感滤波电路

Uo

=0.9U（

桥式）

Uo

=0.45U（半波）

电感滤波适用于负载较小、输出电流较大的场合。3．LC滤波电器4．π型滤波电器4.1.5硅稳压管稳压电路RL(IO)IR

UO

基本不变IR

(IRR)基本不变

UO

(UZ

)

IZ

设UI一定，负载RL变化5.1.5硅稳压管稳压电路设负载RL一定，UI变化UI

UZ

UO

基本不变IRR

IZ

IR

5.3技能训练5.3.1二极管特性测试5.3.2直流稳压电源实验TheEnd!放大电路了解晶体管的结构和主要参数的意义及晶体管的伏安特性。掌握晶体管的检测方法。能正确描述晶体管的基本放大电路的组成、工作原理和性能指标的意义。掌握晶体管组成的开关电路的工作原理。了解集成运算放大器基本概念。学习目标能正确描述集成运算放大器的线性和非线性电路。熟悉晶体管和集成运算放大器在汽车中的应用。5.1晶体管5.1.1晶体管1．晶体管简介发射极箭头方向就是发射极正向电流的方向。

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2．电流分配与放大原理IC要比IB大得多。IB的小变化引起IC的大变化。基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

三极管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏

PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

3．晶体管的特性曲线（1）输入特性曲线正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE0.6~0.7VPNP型锗管UBE0.2~0.3V（2）输出特性曲线放大区当发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置时，晶体管工作于放大状态。

IC只受

IB

的控制。截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。当发射结处于反向偏置、集电结处于反向偏置时，晶体管工作于截止状态。当UCE

UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。饱和区4．晶体管的主要参数直流电流放大系数交流电流放大系数通常中小功率晶体管的

在20～200之间，大功率晶体管的

在10～50之间。（1）电流放大系数，

（2）集电结反向饱和电流ICBO

A+–ECICBO越小越好。ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度

ICBO

（3）集电极-发射极反向电流ICEO

AICEOIB=0+–ICEO受温度的影响大。温度

ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。（4）集电极最大允许电流ICM（6）集-射极反向击穿电压U(BR)CEO（5）集电极最大允许耗散功耗PCMICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区ICUCEO5.1.2复合管5.1.2复合管5.2晶体管基本应用5.2.1放大器的概述输出信号的功率大于输入信号的功率。输出信号的波形与输入信号的波形相同。1．对放大器的要求2．对输入信号的要求3．对输出信号的要求（1）要有足够的放大倍数。（2）要具有一定宽度的通频带。（3）非线性失真要小。（4）工作要稳定。基本放大电路的分类：三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理射极输出器5.2.2晶体管基本放大电路组成晶体管V--放大元件,iC=iB。直流电源VCC

--为电路提供能量。并保证发射结正偏、集电结反偏。集电极电阻Rc--将变化的电流转变为变化的电压。5.2.2晶体管基本放大电路组成基极电阻Rb--提供大小适当的基极电流，使放大电路能够不失真地放大。耦合电容C1、C2--隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法当ui=0时，由于电源的存在，IB

0，则IC

0。这时各直流量叫做静态工作点。(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)IBQICQUBEQUCEQui=0IC

0IB

0RB+UCCRCC1C2VT++实现放大的条件1、晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2、正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3、输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4、输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。5.2.3晶体管基本放大电路的分析1．静态分析估算法或图5.15静态工作点选择不合适引起的失真波形Q过高：饱和失真Q过低：截止失真解：2．动态分析图5.16动态分析各点波形uCuiuoC2iC（mA）iB（A）RB+UCCRCC1VTRL++微变等效电路法

微变等效电路：把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。线性化的条件：晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。（1）晶体管的微变等效电路晶体管的输入回路（b、e之间）可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。（1）晶体管的微变等效电路晶体管的输出回路（c、e之间）可用一受控电流源

ic=ib等效代替，即由

来确定ic和ib之间的关系。（1）晶体管的微变等效电路ibicicbceib

ibube+-uce+-ube+-uce+-rbebec（2）放大电路的微变等效电路对交流而言，直流电源、电容C可看作短路。（2）放大电路的微变等效电路（3）性能指标分析电压放大倍数（带负载）（未带负载）（3）性能指标分析输入电阻ri一般情况下，希望输入电阻愈大愈好。（3）性能指标分析输出电阻ro一般情况下，希望输出电阻愈小愈好。A、三极管的微变等效电路。当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。iBuBE

uBE

iB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。rbe的量级从几百欧到几千欧。微变等效电路法NubeibPN体电阻rbb阻(100~300)结电阻CEBrbeibubebe考察输出回路所以：iCuCE近似平行输出端相当于一个受ib控制的电流源。输出端还要并联一个大电阻rce。c

ibe

iC

uCErce的含义c

iberce

ibcrbebeib三极管的微变等效电路

ieib

icbceVTB、放大电路的微变等效电路uiRB+UCCRCC1C2RLuoVT

ibcrbebibeRBRCRLuiuoC、电压放大倍数的计算：

ibcrbebibeRBRCRLuiuobeLurRA¢b-=D、输入电阻的计算：

ibcrbebibeRBRCRLuiuoiiri5.2.4射极输出器1．射极输出器简介特点：电压放大倍数近似等于1；输入电阻大；输出电阻小。

（1）用作输入级

（2）用作输出级

（3）用作中间隔离级2．射极输出器的应用5.2.5功率放大器1．功率放大器简介

（1）输出功率大

（2）效率高

（3）失真小2．互补对称功率放大器（OCL电路）图5.22OCL电路及工作原理5.2.6多级放大电路1．多级放大电路简介2．耦合方式（1）直接耦合2．耦合方式（2）阻容耦合2．耦合方式（3）变压器耦合2．耦合