电电 工工 电电 子子 技技 术术第5章 半导导体器件及应应用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1电电 工工 电电 子子 技技 术术本章要求: 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。2第5章 半导导体器件及应应用电电 工工 电电 子子 技技 术术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。 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)。 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)。 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）。3电电 工工 电电 子子 技技 术术+4+4+4+41、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4电电 工工 电电 子子 技技 术术价电子+4+4+4+4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。5电电 工工 电电 子子 技技 术术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。6电电 工工 电电 子子 技技 术术在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半导 体。2、杂质半导体(1)P型半导体掺入三价元素 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。+4+4+4+ 34硼原子自由电子空穴对空穴接受一个 电子变为 负离子7电电 工工 电电 子子 技技 术术多余 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。（2）N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。自由电子空穴对+4+4+4+ 548电电 工工 电电 子子 技技 术术综上所述，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。9电电 工工 电电 子子 技技 术术内电场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10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，耗尽层中有一个内电场，方向 如上图所示。电电 工工 电电 子子 技技 术术1、PN结加正向电压(正向偏置)P接正、N接负PN 结处于导通状态PN 结变窄内电场 外电场IFPN +内电场被 削弱，多子 的扩散加强 ， 形成较 大的 扩散 电流。11电电 工工 电电 子子 技技 术术2、 PN结加反向电压（反向偏置）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 。P接负、N接正PN 结处于截止状态。PN 结变宽内电场 外电场 +IRPN + + + 12PN结正向导通、反向截止的特性称为其单向导电性电电 工工 电电 子子 技技 术术3、PN结的结电容PN结的结构类似平板电容器结电容数值很小，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。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P型半导体 + PN结N型半导体13电电 工工 电电 子子 技技 术术5.2 二极管5.2.1 结构和分类二极管的结构示意图PN正极负极外壳PN结分类结构（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14负极正极符号VD电电 工工 电电 子子 技技 术术负极引线正极引线 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。15铝合金小球N型硅金锑合金 底座负极引线 ( b) 面接触型正极引线PN结电电 工工 电电 子子 技技 术术硅Uth =0.5V, 锗Uth =0.1V。特点：非线性管压降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。正向特性死区电压PN+5.2.2 二极管的伏安特性16反向击穿 电压U(BR)NU+IP反向特性外加电压大于死区电压二 极管才能导通。硅0.60.8V 锗0.20.3V电电 工工 电电 子子 技技 术术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URM保证二极管不被击穿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。 3. 最大反向电流IRM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17电电 工工 电电 子子 技技 术术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。 5.2.4 二极管的检测 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18电电 工工 电电 子子 技技 术术的一次。与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，与黑表笔相接的是二极管正极。19电电 工工 电电 子子 技技 术术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。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。2. 二极管好坏的识别20电电 工工 电电 子子 技技 术术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。5.2.5 二极管在汽车电子电路中的应用21三相桥式 整流电路电电 工工 电电 子子 技技 术术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。22电电 工工 电电 子子 技技 术术在t3t4内，VD2、VD6导通，V1W1间电压加到负载上。 在 t4t5内，VD2、VD4导通，V1U1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。23电电 工工 电电 子子 技技 术术2. 保护电路在电路中，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。24电电 工工 电电 子子 技技 术术 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 IZ1、稳压管5.2.6 特殊二极管及在汽车电子电路中的应用25（1）稳压管的特性电电 工工 电电 子子 技技 术术（2）主要参数 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。26动态电阻rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。电电 工工 电电 子子 技技 术术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。汽车仪表电路的稳压电路 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用27电电 工工 电电 子子 技技 术术限幅电路在图中，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。 28电电 工工 电电 子子