《汽车电工电子技术基础》-项目六

任务6.1PN结在本征半导体内，自由电子和空穴是成对出现的，自由电子带负电，空穴带正电，二者所带电量相等、符号相反。自由电子和空穴都是载运电荷的粒子，称为载流子。自由电子和空穴在电场力的作用下产生定向运动，载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动。本征半导体内的电流就是由这样两种载流子的漂移运动形成的。半导体内空穴电流也是电子定向运动产生的，但空穴电流与自由电子运动时所形成的电流不同，空穴电流是由处于共价键上的价电子不断填补空位形成的，如图6一2所示。共价键上的电子在电场力的作用下逆电场方向不断填补空位，相当于空穴沿电场方向运动形成空穴电流，这就是空穴电流与自由电子流的区别。上一页下一页返回任务6.1PN结所以在本征半导体内参与导电的粒子有两种—自由电子和空穴。在本征半导体内，脱离共价键的电子成为自由电子后也可能填补某个空穴，使离子恢复电中性，这个过程称为复合。一般情况下本征半导体内的载流子数目有限，为增强它的导电性，可以在本征半导体内掺杂，以提高导电能力。向硅(或锗)单晶体内注入少量杂质元素后可使它的导电性能提高。本征半导体注入的五价原子越多半导体内的自由电子数也就越多，导电性能得到改善。掺入五价杂质的半导体，其自由电子的数目要比空穴数目多出许多，载流子中自由电子占多数，空穴占少数。上一页下一页返回任务6.1PN结这种多数载流子是自由电子的掺杂半导体称为N型半导体，用图6-3(b)所示符号表示，符号的意思是，每注入一个五价的砷原子就会出现一个带正电的离子和一个自由电子。因此，N型半导体从总体上看仍然是电中性的。为增强本征半导体的导电性，也可以向它注入三价元素的铝(或硼)。注入的铝原子取代了某些硅原子的位置，如图6-4(a)所示，每注入一个铝原子就会出现一个空穴，当邻近的价电子填补这个空穴后，使得注入的杂质原子成为带负电的离子，同时出现一个空穴。本征半导体掺入三价元素的杂质后，多数载流子是空穴。上一页下一页返回任务6.1PN结自由电子是少数、多数载流子是空穴的半导体称为P型半导体，P型半导体的符号如图6-4(b)所示，符号的意思是每注入一个三价铝原子后就会出现一个带负电的离子和一个空穴。同样P型半导体从总体看仍然是电中性的。活动6.1.2PN结及其单向导电性将P型半导体与N型半导体通过物理、化学的方法有机地结为一体后，在两种半导体的交界处就形成了PN结。PN结具有非线性电阻的特性，可以制成整流元件，并且是构成多种半导体器件的基础。PN结的形成与特性如下:当P型半导体和N型半导体共处一体后，在它们的交界处两边电子、空穴的浓度不同:N区多电子，P区多空穴，因此N型区内的电子要向P型区扩散，P型区内的空穴要向N型区扩散。上一页下一页返回任务6.1PN结扩散首先是从交界面处开始的，N型区内的电子扩散到P型区后与空穴复合，N型区减少了电子，因此在N型区的一侧出现了带正电的粒子层，这层带正电子就是处于N型半导体共价键上失去一个自由电子的原子，它们是不能移动的正离子。同样，交界面P型区一侧要出现带负电的粒子层，随着电子、空穴的扩散，交界面两侧带电层逐渐增厚形成一个空间电荷区，如图6-5所示，N型区带正电，P型区带负电。内电场的出现使载流子电场力的作用下要产生漂移运动，内电场使得P型区内的电子返回N型区。上一页下一页返回任务6.1PN结当空间带电区域比较薄时内电场较弱，载流子的扩散运动强于漂移运动，但随着扩散的进行，空间电荷区的厚度增加，内电场加强，使扩散运动减弱，漂移运动加强，最后将导致载流子的扩散运动与漂移运动达到动态平衡，即从N型区扩散到P型区的电子数目与从P型区漂移到N型区的空穴数相等，通过交界面的净载流子数目为零，这时空间电荷区的宽度不再增加。空间电荷区内已不存在载流子，因而又称这个空间为耗尽层。在半导体内部出现的空间电荷区产生的内电场阻止多数载流子继续扩散，称这个带电区域为阻挡层或PN结。PN结具有单向导电性。上一页返回任务6.2晶体二极管活动6.2.1晶体二极管的结构、符号、类型及伏安特性1.晶体二极管的结构、符号晶体二极管的核心部分是一个PN结。在PN结两端加电极引线和管壳后就制成了一个晶体二极管。二极管的结构和符号如图6一6所示。2.晶体二极管的类型(1)按结构分类半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管是将一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)熔接后做出相应的电极引线，再外加管壳密封而成。下一页返回任务6.2晶体二极管其结构如图6一6(a)所示。点接触型二极管的极间电容很小，不能承受高的反向电压和大的电流，往往用来作小电流整流、高频检波及开关管。面接触型二极管的结构如图6一6(b)所示。这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。图6-6(c)为集成电路中的平面型二极管的结构图，图6一6(d)为二极管的电路符号。(2)按用途分类二极管按用途分为:晶体二极管、双向触发二极管、高频变阻二极管、变容二极管、发光二极管、肖特基二极管。上一页下一页返回任务6.2晶体二极管3.二极管的伏安特性由半导体物理的理论得出半导体二极管的电流与电压之间有如下的关系:根据式(6一1)作出的半导体二极管正向伏安特性曲线如图6-7曲线①所示。但实测出的二极管伏安特性曲线如图6-7曲线②所示。即二极管正向导电时，必须克服一定的17值电压(又称死区电压)后，才开始导电。正向电压17值很小时，二极管的正向电流也是很小的。二极管的阑值电压是由PN结之外的N型区和P型区半导体本身的电阻(又称体电阻)引起的。上一页下一页返回任务6.2晶体二极管锗二极管的阑值电压为(0.1~0.2)v，硅二极管的阂值电压为0.5v左右。二极管在反向接法下，若则，因此反向二极管的反向电流在一定的环境温度下和一定的反向电压数值内儿乎不随反向电压的变化而变化，但在实际使用中，当反向电压达到一定大小后，电场力增大到有可能将共价键上的电子拉出，使少数载流子数目大大增加从而使反向电流迅速增大，反向电压过高也会造成电子运动速度增大，高速运动的电子与原子核外层电子碰撞后产生出新的电子一空穴对，并引起连锁反应而使载流子数目大大增加，反向电流迅速增大。上述情况都是反向电压超过一定大小后发生的，这种造成反向电流迅速增加的现象称为电击穿。上一页下一页返回任务6.2晶体二极管产生电击穿的反向电压值称为二极管的击穿电压UBR。二极管工作时若无特殊的保护措施，出现电击穿后将造成PN结损坏，使二极管丧失单向导电的作用。为防止二极管出现电击穿，允许施加于二极管的最高反向工作电压为击穿电压值的二分之一。活动6.2.2晶体二极管的单向导电性1.二极管的正向接法如果将电源的高电位接在二极管的P型区电极，低电位接在N型区电极，如图6一8(a)所示，这种接法称为二极管的正向接法。

2.二极管的反向接法上一页下一页返回任务6.2晶体二极管半导体二极管在正向接法下，外电场的方向与PN结内电场方向相反，在正向电压作用下将使空间电荷区变薄，内电场减弱，这就使多数载流子的扩散运动强于漂移运动，多数载流子能不断地越过交界面，这些载流子在正向电压的作用下形成二极管的正向电流。半导体二极管加入正向电压后内电场被削弱，因此管子的正向电压UF较低，为1V左右(大电流二极管超过1V，小电流二极管低于1V，正向接法时二极管电流较大，因此管子在正向导电时表现出的电阻较小。如果将电源的高电位接在二极管N型区电极，低电位接在P型区电极，如图6一8(b)所示，这种接法称为二极管的反向接法。上一页下一页返回任务6.2晶体二极管二极管加反向电压后，空间电荷区会增宽，内电场增强，多数载流子的扩散运动不能进行，这时只有P型区和N型区内的少数载流子在电场力的作用下产生漂移运动。因此反向接法下的二极管电流极小，这个电流称为二极管的反向电流。此反向电流由少数载流子的漂移运动产生，在半导体内少数载流子的数目受环境温度影响，当环境温度一定时，少数载流子的数目基本上也维持一定，因此在一定的温度下，二极管反向电流在一定的反向电压范围内不随反向电压的改变而发生变化，故称二极管的反向电流为反向饱和电流IS。活动6.2.3二极管的识别与检测1.识别方法上一页下一页返回任务6.2晶体二极管二极管的识别很简单，小功率二极管的N极(负极)，大多采用一种色圈标出来。有些二极管也用二极管专用符号标志为“P””N”来确定二极管极性。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。

2.测试注意事项用数字式万用表测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测试得到的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反，如图6-9所示。(1)故障检测二极管的故障主要表现在开路、短路和输出不稳定。上一页下一页返回任务6.2晶体二极管在这3种故障中，前一种故障表现为电源电压升高;后两种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。用万用表测量小功率二极管时，应将万用表的旋转开关放到欧姆Rx100或Rx1K挡，测量汽车交流发电机的硅整流二极管即大功率二极管时，应用Rxl挡。选好挡位后测量二极管的正方向电阻值。一般二极管的正向电阻为几十到几百欧，反向电阻为几百欧到几百千欧。二极管的正反向电阻相差越大，说明二极管的单向导电性越好。1)若，表示二极管已坏。2)若，表示二极管已被击穿，两电极已短路。3)若，表示二极管内部断路。上一页下一页返回任务6.2晶体二极管

(2)二极管正、负电极的判别1)观察外壳上的符号标记。通常在二极管的外壳上标有二极管的符号，带有三角形箭头的一端为正极，另一端为负极。2)观察外壳上的色点。在点接触二极管的外壳上，通常标有极性色点(白色或红色)。一般标有色点的一端即为正极。还有的二极管上标有色环，带色环的一端则为负极。3)以阻值较小的一次测量为准，黑表笔所接的一端为正极，红表笔所接的一端则为负极。上一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路活动6.3.1单相整流电路常用的整流电路有单相半波、单相全波整流电路，单相桥式整流电路及汽车上可用到的交流发电机整流器电路。

1.单相半波整流电路单相半波整流电路如图6-10所示，电路中只使用一只二极管。电路中的变压器用来将电源电压变换到整流负载工作所需要的电压值。单相半波整流电路的工作原理如下:交流电压u2作用在二极管D与负载RL串联的电路上，在交流电压u2正向电压时，二极管导通。下一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路如果忽略二极管正向导通电压，uo与交流电压u2的正半波相等，即正半周的电压全部作用在负载上;当交流电压u2变成负半周时，二极管工作在反向电压下，二极管不导电，电路中没有电流，负载RL上没有电压，交流电压u2的负半周全部作用在二极管上。如果交流电压V，则u2负载电压uo和二极管上的电压uD的波形如图6-11所示。如果将二极管D视为一个理想元件，即正向导通时管压降为零、反向时电阻为无穷大，根据图6-11可以求得单相半波整流电路的整流输出电压uo的平均值UoAV为上一页下一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路单相半波整流电路中作用在二极管上的最大反向电压URM等于被整流的交流电压u2的最大值，即2.单相桥式整流电路单相桥式整流电路是小功率整流电路中应用最广的一种电路，电路如图6一12所示。上一页下一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路单相桥式整流电路工作时，电源电压u2整流输出电压uo及二极管和上的电压波形如图6一13所示。单相桥式整流电路整流输出电压uo的平均值UoAV为单相桥式整流电路整流输出电压的平均值比单相半波电路提高了一倍，输出电压脉动减小并改善了变压器的工作条件。因此单相桥式整流电路应用得很广泛。上一页下一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路单相桥式整流电路的负载在整个周期内都有电流通过，但是每只二极管都是半周导电，所以通过每只二极管的电流平均值只是负载中电流平均值的一半，即各管的电流平均值活动6.3.2汽车交流发电机整流器电路大功率的直流电能多数通过三相整流电路获得。使用较多的是三相桥式电路，如图6一14所示。三相桥式整流电路由6只二极管组成，由于二极管只能在正向电压下导电，所以在某个时刻三相整流电路中哪些二极管导电，哪些不导电只要比较一下每个二极管的阳极与阴极之间的电位差是为正还是为负就可以确定。上一页下一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路作用在整流电路中的三相电源的波形如图6-15所示。在三相桥式整流电路中，整流输出电压uo分别由三相电源的三个线电压轮流供电，输出电压的瞬时值始终与电源线电压相等，在一个周期内每只二极管导电时间都是1/3周期。三相桥式整流电路输出电压u的波形图如图6-16所示，在一个周期内各二极管导电时间及次序如图所标注。三相桥式整流电路输出电压的平均值上一页下一页返回任务6.3汽车交流发电机整流器电路三相桥式整流电路整流输出电压的平均值UoAV等于被整流的三相交流线电压UL的1.35倍(或相电压UP的2.34倍)，整流输出电压提高了，而且输出电压的脉动减小了(见图6一16)。三相桥式整流电路中每只二极管导电时间为1/3电源电压周期，所以通过二极管的电流平均值等于负载电流平均值的1/3。每只不导电的二极管承受的最大反向电压URBE等于线电压的最大值上一页返回任务6.4滤波、稳压电路活动6.4.1滤波电路1.电容滤波电路图6一17(a)所示为电容滤波电路，滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。(1)滤波原理当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当uC>u2时，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。上一页下一页返回任务6.4滤波、稳压电路当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降;下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降;放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。(2)RL,C对充放电的影响电容充电时间常数为rDC，因为二极管的rD很小，所以充电时间常数小，充电速度快;RLC为放电时间常数，因为RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取决于放电时间常数。电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图6一18所示。上一页下一页返回任务6.4滤波、稳压电路

2.电感滤波电路在大电流的情况下，由于负载电阻RL很小。若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大，在此情况下应采用电感滤波。如图6一19所示，由于电感线圈的电感量要足够大，所以一般需要采用有铁芯线圈。当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。上一页下一页返回任务6.4滤波、稳