半导体器件课件

半導體器件第一節基本概念

本節主要介紹的內容有：

●半導體的概念

●什麼是二極體

●二極體的檢測與焊接

●二極體在汽車上的應用

●特殊二極體及其在汽車上的應用自然界中，物質的種類繁多，性質各異。根據物質導電性能不同，可將物質分為三類。一類是導體，即是導電性能良好的物質，如銀、金、銅、鐵等。另一類是幾乎不能導電的物體，叫做絕緣體，如塑膠、陶瓷、玻璃、橡膠等。還有一類物質，它的導電能力介於導體和絕緣體之間，這樣一類物質叫半導體，如矽、鍺、砷化鎵及一些金屬氧化物等。一、半導體的概念一塊P型半導體和一塊N型半導體有機地結合在一起，形成一個PN結，用兩金屬導體將這塊半導體分別引出，用絕緣物質封裝起來便構成一個二極體（如圖2-1-1）。二極體按製造材料可分為矽二極體、鍺二極體。二極體可以看作電流的單向止回閥，它只允許電流以一個方向流動，即從二極體的正極流向負極，這就是二極體的單向導電性。二、什麼是二極體流過二極體的電流隨著加在二極體上的電壓變化而變化的性質稱為二極體的伏安特性。如圖2-1-2所示為二極體伏安特性曲線。（1）正向特性（2）反向特性（3）反向擊穿特性1．二極體的伏安特性（1）最大電流IF

最大電流是指二極體長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。實際使用時的工作電流應小於IF，如果超過此值，將引起PN結過熱而燒壞。 （2）最高反向電壓URM

最高反向電壓是指二極體工作時兩端所允許加的最大反向電壓。通常URM約為反向擊穿電壓UR的一半，以保證二極體安全工作，防止擊穿。2．二極體的主要參數一般情況下，二極體都有一定的標注，塑膠封裝二極體有標記環的一側是負極；國產二極體帶色點的一端為正極。無標記的二極體，如果要檢測二極體的好壞，可以用萬用表電阻擋來判斷二極體的正、負極和好壞。根據二極體正向電阻小、反向電阻大的特點，將萬用表撥到R×1k擋（不能用R×1和R×10k擋，R×1擋電流太大，可能燒壞二極體；R×10k電壓太高，可能擊穿二極體）。用表筆分別與二極體的兩極相接，測出兩個電阻值。在所測得阻值較小的一次，與黑表筆相接的一端為二極體正極。同理，在所測得電阻值較大的一次，與黑表筆相接的是二極體負極，如2-1-3所示。三、二極體的檢測與焊接1．二極體的極性判斷與好壞檢測如果測得的正、反向電阻值均很小，說明二極體內部短路；若正、反向電阻值均很大，說明二極體內部開路，這兩種情況下，二極體就不能使用了。以上是普通二極體的檢測方法，汽車交流發電機上的整流二極體就可以按照上述方法進行檢測。二極體的焊接與電子元件焊接類似，但要求焊接時間短。要有協助散熱措施等（如吹風）。2．二極體的焊接四、二極體在汽車上的應用1．二極體的整流電路將交流電變成直流電的過程叫做整流。在汽車交流發電機中，就是利用二極體組成的整流板將發電機發出的三相交流電整流為直流電。為了適應汽車發電機的需要，專門製作了用於汽車的整流二極體，它們分為正極管和負極管。如圖2-1-4所示。三個正極管和三個負極管構成的整流電路稱為三相橋式整流電路，將發電機的交流電變為12V的直流電。整流電路如圖2-1-5所示。一個通電的線圈，當突然斷電時，就會線上圈中產生一個反向電動勢，如果這個反向電動勢疊加在電路中的其他電子元件上（一般為三極管）就會引起元件的損壞。為了避免這種現象的出現，一般都線上圈旁邊並聯一個二極體來吸收反向電動勢，這種電路就是二極體的續流電路（如圖2-1-6所示）。在這種電路中，二極體起到了對其他電子元件的保護作用，所以也稱為保護二極體。2．二極體的續流電路五、特殊二極體及其在汽車上的應用1．穩壓管除了普通二極體外，還有專供特殊用途的二極體，如穩壓管、發光二極體和光電二極體等。穩壓管是一種經過特殊工藝製造成的二極體，它與電阻配合使用，具有穩定電壓的功能。普通二極體加上反向電壓不導通，可是當反向電壓達到一定程度（大於UR）時二極體會反向擊穿，普通二極體就會燒毀。但是經過特殊工藝製造的穩壓管就能夠耐得住反向電流。穩壓管的外形與普通二極體區別不大，它的符號和伏安特性如圖2-1-7所示。●操作：用可調直流穩壓電源驗證二極體的穩壓作用。如圖2-1-8（a）所示，限流電阻的阻值為500Ω，負載電阻阻值為3kΩ，穩壓管的穩壓值為5.3V，調整穩壓電源的電壓輸出值從4～12V逐步變化，對應一個輸出值，用萬用表測量負載電阻兩端的電壓，觀察電壓變化。如圖2-1-8（b）所示，是利用穩壓管為汽車儀錶提供穩定電源的電路，圖中的穩壓管與電阻串聯而與儀錶並聯。發光二極體的外形及符號如圖2-1-9所示。2．發光二極體發光二極體的檢測：對於發光二極體，在用萬用表檢測時正反向電阻差值很小，不易區分，可以用圖2-1-10所示的方法，自製一根測試線，連接到發光二極體上，直接檢測是否發光。如圖2-1-11所示為浮子舌簧管開關式液位感測器應用電路。如圖2-1-12所示。光電二極體的反向電流隨光照強度的增加而上升。它的主要特點是：管子工作在反向狀態，反向電流與光照度成正比。光電二極體的結構和外形如圖2-1-13所示。3．光電二極體利用光電二極體製成光電感測器，可以把非電信號轉變為電信號，以便控制其他電子器件。汽車上的許多感測器就是利用光電二極體製成的，用於汽車自動空調系統的日照強度感測器就是一個光電二極體（如圖2-1-14所示）。日照強度感測器可以把太陽的照射情況轉換成電流的變化，車內自動空調電腦對這種變化進行檢測，來調節排風量和排風口溫度。圖2-1-15是應用在豐田淩志LS400UCF20型轎車上的電路圖。第二節三極管

本節主要介紹的內容有：

●三極管的結構與參數

●三極管的三種工作狀態

●三極管的檢測

●三極管放大電路在汽車電子電路中的應用

●三極管開關電路在汽車電子電路中的應用

●三極管構成的多諧振蕩器及其在汽車電子電路中的應用一、三極管的結構與參數1．三極管的概念半導體三極管也稱為晶體三極管。它是由兩個相距很近的PN結組成的，是在一塊半導體晶片上製造三個摻雜區，形成兩個PN結，再引出三個電極，用管殼封裝，實物如圖2-2-1所示。三極管由P型和N型材料組合的三層材料製成。按照兩個PN結的組合方式不同，三極管可分為NPN型如圖2-2-2（a）、（b）所示和PNP型如圖2-2-2（c）、（d）所示兩種。實際上，一個三極管是擁有共同中間層的兩個二極體。 三極管的性能可以用參數來進行描述，三極管參數是工程實踐中選用管子的主要依據，各種參數均可在三極管手冊中查到。（1）電流放大倍數β三極管在有輸入信號的情況下，輸出信號的電流變化與輸入信號的電流變化之比，稱為電流放大倍數，也就是一般簡稱的三極管放大倍數。電流放大倍數決定了三極管的基本放大能力。（2）穿透電流ICEO當基極b開路時，集電極c、發射極e之間加上一定電壓時，ce之間並不是沒有電流流過，只是流過的電流很小，稱為穿透電流ICEO。三極管的穿透電流越小，管子的品質越好。（3）極限參數使三極管得到充分利用而又安全可靠工作的參數，叫做極限參數。2．三極管的基本參數

1）集電極最大允許電流ICM集電極電流的上升會引起電流放大倍數的下降，通常將β值下降到正常值的三分之二時所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。ic超過ICM時，三極管不一定損壞，但放大能力會下降。

2）集電極最大允許耗散功率PCM當集電極耗散功率是指集電極流過的電流與加載的電壓的乘積。當集電極耗散功率上升時，三極管發熱，溫度上升，管子性能下降，甚至損壞。PCM是指集電結溫度不超過允許值（手冊上有規定）時，集電極所允許的最大功耗。

3）反向擊穿電壓三極管工作時，加在任何兩個電極之間的反向電壓超過一定值時，都會產生很大電流，從而導致管子損壞。U（BR）CEO是指基極開路時，集電極與發射極之間的擊穿電壓值。除此之外，還有U（BR）EBO、U（BR）CEO等，均可在手冊中查出。操作規範：ICM、PCM、U（BR）CEO是三極管的極限參數，使用時不允許超過它，這三個參數共同確定了三極管的安全工作區域。二、三極管的三種工作狀態1．截止根據三極管連接的外部電路條件，三極管有三種工作狀態。基極加了反向偏壓。在這種狀態下，三極管不導通，沒有電流流動，稱為三極管的截止狀態。如果把ce間看作一個開關的兩端，截止狀態相當於開關斷開。對於PNP型三極管，發射極e與基極b電位差小於0.3V，如圖2-2-3（b）所示，基極加了反向偏壓，PNP三極管截止。2．放大如圖2-2-4（a）所示，當NPN管的基極b與發射極e電位差大於0.7V，這種情況稱為基極加了正向偏壓。在這種狀態下，三極管導通，集電極C向發射極e有電流，而且流過的電流的大小與基極b流入的電流成正比，稱為三極管的放大狀態。對於PNP管，放大狀態的條件是基極b的電位比發射極e的電位低0.3V以上。如圖2-2-4（b）所示。在放大狀態，三極管ce之間的電流是隨著基極b的電流增大而增大的。但是，當三極管的基極電流增加到一定值時，再增大正向偏壓，加大基極電流，ce之間的電流維持在一個最大值而不再增大了，這種狀態稱為三極管的飽和狀態。在飽和狀態，三極管ce之間電位差很小，幾乎為零，相當於一個開關的兩端閉合。在分析汽車電路中，如果遇到三極管飽和的狀態，可認為c、e電位相等。3．飽和三、三極管的檢測1．管型與管腳的判別（1）目測法

1）管型的判別一般情況下，管型是NPN還是PNP應該從管殼上標注的型號來判別。依照部頒標準，三極管型號的第二位（字母），A、C表示PNP管；B、D表示NPN管。

2）管腳極性的判別

常用的小功率三極管有金屬圓殼封裝和塑膠封裝（半圓柱形）等，管腳排列如圖2-2-6（a）所示。大功率三極管的外形有金屬殼封裝（扁柱形）管腳排列如圖2-2-6（b）所示，以及塑膠封裝（扁平、管腳直列）等形式。

1）基極的判別

用指針式萬用表的黑表筆接假定的基極，用紅表筆分別接觸另外兩個極。若測得電阻都較小，約為幾百歐至幾千歐；將紅黑表筆對調，測得電阻都較大，約為幾百千歐以上，這個管子就是NPN管，最初黑表筆接的就是基極。用指針式萬用表的黑表筆接假定的基極，用紅表筆分別接觸另外兩個極。若測得電阻都較大，約為幾百千歐以上；將紅黑表筆對調，測得電阻都較小，約為幾百歐至幾千歐。這個管子就是PNP管。最初黑表筆接的就是基極。

2）集電極和發射極的判別對於NPN管，確定基極後，用指針式萬用表的兩個表筆分別接觸另兩個管腳，同時用指尖輕觸基極，觀察萬用表指針擺動情況；將兩個表筆對調，重複上述過程。取指針擺動較大一次的表筆接觸位置，黑表筆接觸的是集電極c，紅表筆接觸的是發射極e。（2）用萬用表電阻擋判別對於PNP管，確定基極後，用指針式萬用表的兩個表筆分別接觸另兩個管腳，同時用指尖輕觸基極，觀察萬用表指針擺動情況；將兩個表筆對調，重複上述過程。取指針擺動較大一次的表筆接觸位置，黑表筆接觸的是發射極e，紅表筆接觸的是集電極c。測晶體三極管正向阻值很大時，表明三極管開路，如反向電阻值很小，或c-e極間的電阻值接近零，說明三極管短路或已擊穿。如c-e極間的電阻值很小，則表明三極管的穿透電流過大，已不能使用。 也可以測量電晶體直流電壓來判斷，短接基極與發射極，如集電極不變化或低於電源電壓，表示晶體三極管漏電或已擊穿，檢測NPN矽管放大器的直流工作狀態時，可以測Vb、Ve、Vc。Vb應比Ve高為約0.7V，即Vbe=0.7V，這可作為判斷三極管好壞的依據，另外汽車電路中用NPN型電晶體作振盪器，正常時基極電壓應比發射電壓低。 但上述測量是用指針式萬用表在三極管的空腳上進行的，如果三極管是焊在電路上，就要考慮並聯處電路的影響，不能僅以電阻值來判斷三極管的好壞。2．三極管好壞的判斷..四、三極管放大電路在汽車電子電路中的應用1．三極管的基本放大電路按照三極管處於放大狀態的條件構成三極管基本放大電路，如圖2-2-7所示。

●操作：用信號發生器產生如圖2-2-8（a）所示的電壓波形，輸入到圖2-2-7電路中的基極，在集電極就會得到如圖2-2-8（b）所示的電壓波形。用示波器觀察對比輸入、輸出波形。

●討論：信號經過三極管放大，在放大電路中發生了三個變化：（1）輸入電壓信號被放大。（2）輸入電流被放大。（3）輸出波形反了180°

●操作規範：用三極管進行信號放大時，信號一定是從基極輸入的，放大的信號可以從集電極輸出也可以從發射極輸出。三極管的最主要的性能是放大。在汽車電子電路中，主要用來對微弱信號進行放大。圖2-2-9所示為利用三極管的放大特性製作的汽車電氣線路搭鐵（短路）探測器。2．汽車電子電路中的三極管放大電路五、三極管開關電路在汽車電子電路中的應用1．三極管開關電路（1）NPN三極管開關電路當三極管在基極電流控制下，在截止與飽和兩種狀態交替變換，就如同一個開關的斷開與閉合狀態交替變換一樣。如圖2-2-10所示為NPN管的開關狀態。圖2-2-11為NPN管開關電路。●操作：按照圖2-2-12所示電路連接。當按下開關後，發光二極體發光；開關斷開後，發光二極體熄滅。●討論：分析圖2-2-12電路的工作原理。

PNP管的開關電路與NPN管開關電路組成和工作原理類似，只不過加在基極b上的控制信號要低於發射極電位。如圖2-2-13示為PNP管的開關狀態。●操作：按照圖2-2-14所示電路連接。當開關閉合後，發光二極體發光；開關斷開後，發光二極體熄滅。●討論：分析圖2-2-14電路的工作原理。●術語：工程實踐中，一些三極管經過特殊工藝製造。只需要很小的基極電流就能夠達到飽和導通狀態。這種管子幾乎就只工作在截止和飽和導通兩種狀態，即開關狀態。一般將經常工作在開關狀態，起開關作用的三極管叫做開關管。●操作規範：在開關管控制的繼電器或噴油器等線圈結構的電子器件旁邊一定並聯一個續流二極體。（2）PNP三極管開關電路有時在電路中為了控制的需要，要用到兩級或三級開關電路，這些電路在汽車發電機電子調壓器電路中經常用到。如圖2-2-15（a）所示為兩級開關電路，圖2-2-15（b）所示為三級開關電路。（3）多級開關電路所謂達林頓管就是連接在一起的兩只三極管，又稱為複合管，它的放大倍數是兩個三極管放大倍數的乘積。如圖2-2-16所示，三極管VT1用作前置放大管，它產生推動VT2的基極電流，VT2是末級放大管，它與控制電路是隔離的，將電流繼續放大以驅動負載部件。（4）達林頓管國產JFT106型電子調節器為14V外搭鐵式，調節電壓為13.8～14.6V，可與14V、750W的九管外搭鐵矽整流發電機配套使用，也可與14V、1000W的普通六管矽整流發電機配套使用，其電路如圖2-2-17所示。2．汽車電子電路中的三極管開關電路（1）電子調壓器

JFT201型電子調壓器適用於14V、500W以下的各種交流發電機，電路如圖2-2-18所示。國產JFT201型電子調壓器電晶體點火電路的點火信號由裝在分電器內的信號發生器提供，如圖2-2-19為一種磁感應式點火信號發生器。（2）電子點火器磁感應式點火信號發生器由信號轉子、傳感線圈、鐵心、永久磁鐵等組成，如圖2-2-20所示。整個信號發生器裝在分電器內，永久磁鐵和鐵心固定在分電器內，傳感線圈繞在鐵心上。信號轉子由分電器軸帶動，其上的凸齒數與發動機氣缸數相同。傳感線圈中磁通的變化和感應電動勢如圖2-2-21所示。汽車電路中包含很多信號報警電路，基本原理就是監控一個點的電位變化，來控制三極管的開關，發出聲音或光的報警信號。如圖2-2-22所示為監測蓄電池液位報警電路。（3）蓄電池液位報警電路六、三極管構成的多諧振蕩器及其在汽車電子電路中的應用1．多諧振蕩器多諧振蕩器是由三極管放大電路和將三極管集電極輸出信號反傳給三極管基極的正回饋電路組成的，如圖2-2-23（a）所示。這種電路一般都畫成左右對稱的形式，在電路中比較容易辨認。圖2-2-23（b）所示電路為幫助理解多諧振蕩器的電路。多諧振蕩器工作原理：●操作：用示波器觀察圖2-2-23所示電路的輸出波形，描繪三極管基極和集電極的波形。選用不同的容量的C1和C2及不同阻值的R1和R2，就可以改變電容的放電時間，由此改變振盪電路的振盪週期。（1）電子式閃光器改變電阻R2、R3和電容器C的大小以及V3的β值，即可改變閃光頻率，如圖2-2-24。（2）電子式電喇叭電子式電喇叭即無觸點電喇叭，它具有音色和音量不變且易調整、故障少等優點，因而在現代汽車上使用愈來愈廣泛。電子式電喇叭主要由多諧振蕩器及功率放大器組成，圖2-2-25為其電路圖。V1、V2、V3構成一多諧振蕩器。（3）刮水器間歇控制圖2-2-26為多諧振蕩器控制的間歇式電動刮水器。其中R1和C1決定繼電器J1的通電時間；R2和C2決定繼電器J的斷電時間。當雨刮開關置於“0”（“空”）檔時，若接通間歇開關，多諧振蕩器工作，作週期性翻轉。2．多諧振蕩器在汽車中的應用第三節特殊電晶體

本節主要介紹的內容有：

●光電三極管

●晶閘管

●場效應管一、光電三極管光電三極管在原理上類似於三極管，只是它的集電結為光電二極體結構。它的等效電路和符號如圖2-3-1所示。光電三極管的基本應用電路如圖2-3-2所示。A點電位隨著外界光線的照射而發生變化。光電三極管在汽車上主要應用於感測器中。把發光二極體和光電三極管組合在一起，可實現以光信號為媒介的電信號的轉換，採用這種組合方式的器件稱為光電耦合器。當光電耦合器作為感測器來使用時，稱為光感測器，如圖2-3-3所示，它可以檢測物體的有無和遮擋次數等信號。如圖2-3-4所示為NISSAN公司光電式曲軸位置感測器。感測器裝在分電器軸上，隨著分電器軸的轉動，信號盤交替遮擋感測器的光線，發出表徵曲軸位置的信號。圖2-3-5所示為光電式車速感測器。光電式車速感測器裝在組合儀錶內，由帶切槽的轉子和光電耦合器組成。帶切槽的轉子由轉速表轉軸驅動，當轉子轉動時，盤齒間斷地遮住發光二極體光源，使光電三極管的輸出電壓發生變化。轉軸轉一圈，輸出20個脈衝，經分頻後變成4個脈衝，送給ECU。二、晶閘管晶閘管也叫可控矽，從外觀上看與三極管沒有什麼區別，是一種僅有開關功能（導通或阻斷）的矽半導體元件，其結構示意和符號如圖2-3-6所示。三、場效應管絕緣柵型場效應管是由金屬一氧化物一半導體製成，簡稱MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）管。MOS管分N溝道和P溝道兩類。MOS管結構及符號如圖2-3-7所示。第四節課題實驗

本節主要介紹的內容有：

●實驗一三極管放大器實驗

●實驗二LED數碼管顯示實驗

●實驗三電晶體電壓調節實驗實驗一三極管放大器實驗一、實驗目的

1．測量三極管放大電路靜態工作點及放大倍數；

2．觀察靜態工作點對三極管放大電路輸出波形的影響。二、實驗器材淩凱汽車電學基礎實驗箱一臺、EXCELV-252示波器一臺、DT9208A數字萬用表一臺、音頻信號發生器TAG-101一臺，交流毫伏表TVT-321一臺。三、實驗電路及參數淩凱汽車電學基礎實驗箱上有兩個三極管實驗電路，其原理圖及元件參數如圖2-4-1、圖2-4-2所示，實驗一是典型的共發射極基本放大電路，實驗二在實驗一的基礎上加了射極偏置電路，在實驗過程中可以理解二者的優缺點。四、實驗內容及步驟（一）三極管放大器實驗專案一

1、測量靜態工作點給實驗箱接通電源，調節R2，使VCEQ≈1V，RC=R3=2kΩ，用萬用表測量J18和J14之間的電壓，調節R2，使其電壓約為1V。用萬用表測量VBEQ，即J16和J14之間的電壓，測量後將VCEQ和VBEQ值填入下麵空格中：

VCEQ=——，VBEQ=——，ICO=（VCC-VCEQ）/R3=——。

2．放大倍數測試（1）閉合開關S1，並使RC=R3=2kΩ；（2）打開音頻信號發生器TAG-101電源，並使其輸出5mV，1kHz信號電壓，將信號電壓接入放大電路輸入端，即TAG-101的紅色鱷魚夾接S13，黑色鱷魚夾接J14；（3）用示波器觀察放大器輸出信號VO，即觀察J19和J20之間信號，即示波器表筆探針接J19，接地鱷魚夾接J20。觀察VO波形是否失真，如果失真應將Vi值減少，即調小TAG-101的輸出信號電壓；（4）打開交流毫伏表TVT-321電源，用其測量Vi，即紅色鱷魚夾接J13，黑色鱷魚夾接J14，並將Vi值填入表2-4-1中；（5）斷開S4，即RL=∞，用TVT-321測量VO並填入下表2-4-1，並計算放大倍數Au。（6）合上S4，即RL=2.7kΩ，用TVT-321測量VO並填入表2-4-1，並計算放大倍數Au。

3．觀察工作點對輸出波形Vo的影響按下表2-4-2的要求，觀察VO波形，在表中給定的條件下，增加Vi（頻率1kHz信號電壓）幅值，直到VO波形的正或負峰值剛要出現削波失真，描下此時VO的波形，並保持Vi之值不變，測量VCEQ值時，需將輸入信號源斷開，在放大電路處於直流靜態時測量。

1．測量靜態工作點

閉合S3，用萬用表測量VE（即J37和J33之間的電壓差）調節R18，使VE=2.1V（即IC≈IE=1.2mA）用萬用表測量電壓VC（J36和J33之間的電壓）和VB（即J35和J33之間的電壓）並記錄之。

VC=————，VB=————，Vc=————（二）三極管放大器的實驗專案二

2．放大倍數測試（1）閉合開關S3、S5；（2）打開音頻信號發生器TAG-101，給放大器輸入頻率為1kHz的信號，即紅色鱷魚夾接J12，黑色鱷魚夾接J33；（3）用示波器觀察VO，即J38和J39之間的波形，調整TAG-101的幅值旋鈕，保證VO信號不失真。 （4）用交流毫伏表測量Vi（J12和J33之間的信號電壓）和VO（J38和J39之間的信號電壓）並填入表2-4-3。由於5.1kΩ和51Ω的分壓作用，電路的實際輸入信號近似Vi，以便可用交流毫伏表的同一量程測量VO和Vi，減少因量程不同而帶來的附加誤差，並保證在輸出信號不失真的條件下測量。

3．觀察工作點對輸出波形的影響在RL=2.7kΩ，使Vi約為3V時，分別觀察並記錄當R18=0及R18=100kΩ時的VO波形，並記錄到表2-4-4：在用萬用表測量VC時，需將輸入信號源斷開，使放大電路處於直流靜態狀態下。五、實驗報告

1．正確記錄數據及波形；

2．分析表2-4-2和表2-4-4中波形變化的原因及性質；

3．將靜態工作點放大倍數的實驗值和估算值列表比較。實驗二LED數碼管顯示實驗一、實驗目的

1．掌握LE