1、件,由于它具有體積小、重量輕、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)、耗電量小等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛應(yīng)用。 半導(dǎo)體制成的二極管和晶體管在汽車(chē)電子電路以及汽車(chē)電氣設(shè)備中應(yīng)用也非常廣泛,本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體器件基本知識(shí)的學(xué)習(xí),可以為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)?！卷?xiàng)目描述】 用半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體器件是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來(lái)的新型電子器一、相關(guān)知識(shí)1.半導(dǎo)體的相關(guān)知識(shí) 物質(zhì)按導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類(lèi)。電阻率的大小反映了材料的導(dǎo)電性能好壞。一般把電阻率在10-910-8m之間的材料叫做導(dǎo)體,如銅、鋁等,用來(lái)制造導(dǎo)線。電阻率在1071012m之間的材料叫做絕緣體,如橡膠、陶瓷、空氣等。半導(dǎo)體的電阻率介

2、于導(dǎo)體與絕緣體之間,其導(dǎo)電能力也介于導(dǎo)體和絕緣體之間。目前,制造半導(dǎo)體器件用得最多的是硅和鍺兩種材料。任務(wù)一二極管的測(cè)量半導(dǎo)體具有不同于導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)電特性。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性分為:(1)熱敏特性大多數(shù)半導(dǎo)體對(duì)溫度都比較敏感,且隨溫度的升高導(dǎo)電能力增強(qiáng),電阻減小。利用半導(dǎo)體的熱敏特性可以制成各種熱敏元器件,如熱敏電阻。(2)光敏特性許多半導(dǎo)體在受光照射后,導(dǎo)電能力會(huì)增強(qiáng),電阻會(huì)減小。利用光敏特性可制成各種光敏元件或器件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏探測(cè)器等(3)摻雜特性在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)元素,導(dǎo)電能力會(huì)增強(qiáng)很多,電阻會(huì)急劇減小。 二極管、晶體管都是利用摻雜特性制成的。按照半導(dǎo)體

3、是否摻入雜質(zhì),可以把半導(dǎo)體分為兩種:一種為本征半導(dǎo)體,另一種為雜質(zhì)半導(dǎo)體。2. PN結(jié)(1)PN結(jié)的形成P型或N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然大大增強(qiáng),但并不能直接用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。通常在一塊晶片上,采取一定的摻雜工藝措施,在兩邊分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,在它們的交界面附近就會(huì)形成一個(gè)具有獨(dú)特物理性質(zhì)的PN結(jié),如圖5-1所示。PN結(jié)是制造半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。圖5-1PN結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖(2)PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?這可以通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)電路如圖5-2所示。其中PN結(jié)用一只二極管來(lái)代替,HL為指示燈泡,R為電路的限流電阻,GB為

4、直流電源,S為電路的開(kāi)關(guān)。1)PN結(jié)加正向電壓正向?qū)ā?將電源正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū),此時(shí)的外加電壓稱(chēng)為“正向電壓”,或稱(chēng)“正向偏置”,簡(jiǎn)稱(chēng)“正偏”。開(kāi)關(guān)S閉合后指示燈泡HL亮,說(shuō)明此時(shí)PN結(jié)電阻很小,像導(dǎo)體一樣很容易導(dǎo)電,這種現(xiàn)象稱(chēng)為“正向?qū)ā?如圖5-2所示。2)PN結(jié)加反向電壓反向截止。 把電源的正負(fù)極對(duì)調(diào)后,這時(shí)電源負(fù)極接P區(qū),正極接N區(qū),此時(shí)的外加電壓稱(chēng)為“反向電壓”,或稱(chēng)“反向偏置”,簡(jiǎn)稱(chēng)“反偏”。開(kāi)關(guān)S閉合后指示燈泡HL不亮,說(shuō)明此時(shí)PN結(jié)電阻很大,像絕緣體一樣不能導(dǎo)電,這種現(xiàn)象稱(chēng)為“反向截止”,如圖5-3所示。 由此可知:PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通,加反向電壓截止,這是PN結(jié)的重

5、要特性,即單向?qū)щ娦浴?圖5-2PN結(jié)加正向電壓圖5-3PN結(jié)加反向電壓 半導(dǎo)體二極管(Semiconductor diode)又叫晶體二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)二極管,它的內(nèi)部由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成,外部引出兩個(gè)電極,從P區(qū)引出的電極為二極管的正極,又叫做陽(yáng)極;從N區(qū)引出的電極為二極管的負(fù)極,又叫做陰極。然后再將其封裝在管殼內(nèi),如圖5-4所示。二極管有一個(gè)PN結(jié)、兩個(gè)電極,其主要特性是單向?qū)щ娦?即正向?qū)?、反向截止。二極管的電路圖形符號(hào)如圖5-5所示,文字符號(hào)用VD表示。圖形符號(hào)中箭頭的方向表示二極管正向?qū)〞r(shí)電流的方向,正常工作時(shí)電流由正極流向負(fù)極。3.半導(dǎo)體二極管 圖5-4二極管的結(jié)構(gòu)圖5-5二極管的電路

6、圖形符號(hào) 4.二極管的類(lèi)型 二極管的分類(lèi)方法有很多種,按材料不同分為硅二極管和鍺二極管,按用途不同分為普通二極管和常用二極管,常用二極管主要有以下幾種。(1)整流二極管整流二極管如圖5-6所示。作用:它是一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件,主要用于整流電路中。工作電壓:正向電壓。圖5-6整流二極管特性:整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦浴Ｕ鞫O管可用半導(dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高,反向漏電流小,高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造(摻雜較多時(shí)容易反向擊穿)。這種器件的結(jié)面積較大,能通過(guò)較大電流(可達(dá)上千安),但工作頻率不高,一般在幾十千赫以下。(2)穩(wěn)

7、壓二極管穩(wěn)壓二極管如圖5-7所示。作用:主要用于穩(wěn)壓電路。工作電壓:反向電壓。特性:穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)壓管,是一種特殊工藝制成的硅二極管,其伏安特性與普通二極管類(lèi)似,只是穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)特性曲線很陡,從反向特性曲線上可以看到,當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí),反向電流突然增大,穩(wěn)壓管被反向擊穿,但這種擊穿不是破壞性的,只要在電路中串聯(lián)一個(gè)合適的限流電阻,就能使穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)而不會(huì)遭到永久性的破壞(稱(chēng)為電擊穿)。電擊穿狀態(tài)下,通過(guò)管子的電流可在較大的范圍內(nèi)變化,而穩(wěn)壓管兩端的反向電壓幾乎不變。利用這一特性,可使穩(wěn)壓管在電路中起到穩(wěn)壓作用。圖5-7穩(wěn)壓二極管(3)發(fā)光二極管發(fā)光二極管如圖5-8所

8、示。作用:將電能轉(zhuǎn)換為光能,能發(fā)出可見(jiàn)光,常用于指示信號(hào)。工作電壓:正向電壓。特性:在二極管兩端加上正向電壓,二極管導(dǎo)通,產(chǎn)生熱和光,使一層黏附著的磷化物受激勵(lì)而發(fā)出可見(jiàn)光。發(fā)光二極管根據(jù)所用的發(fā)光材料不同,可以發(fā)出紅、綠、黃、藍(lán)、橙等不同顏色的光。 圖5-8常見(jiàn)發(fā)光二極管作用: 它是一種對(duì)光有敏感作用的二極管,能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。工作電壓:反向電壓。特性:它的管殼上開(kāi)設(shè)有一個(gè)玻璃窗口,以便接收光線的照射。在二極管兩端加上反向電壓,無(wú)光線照射時(shí),光敏二極管不導(dǎo)通;當(dāng)受到光線照射時(shí),光敏二極管導(dǎo)通。面積較大的光敏二極管可制成光電池。(4)光敏二極管光敏二極管如圖5-9所示。圖5-9光敏二極管

9、作用:PN結(jié)的電容隨反向電壓的變化而變化,常用于高頻電路。工作電壓:反向電壓。特性:二極管的結(jié)電容除了與它本身的工藝有關(guān)外,還與外加反向電壓有關(guān)。當(dāng)反向電壓升高時(shí),結(jié)電容減小;當(dāng)反向電壓降低時(shí),結(jié)電容增大。(5)變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管如圖5-10所示。 圖5-10變?nèi)荻O管任務(wù)二橋式整流電路的制作【任務(wù)分析】 汽車(chē)上使用的發(fā)電機(jī)是交流發(fā)電機(jī),而蓄電池和汽車(chē)電路是直流電路。這就要求有一種電路能夠?qū)⒔涣餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。二極管的單向?qū)щ娦跃褪墙鉀Q問(wèn)題的方法,由二極管組成的全波整流電路是構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)。本次任務(wù)通過(guò)學(xué)習(xí)幾種整流電路,熟悉二極管的特性。一、相關(guān)知識(shí)1.單相半波整流電路(1)電路

10、組成單相半波整流電路如圖5-17所示。圖5-17單相半波整流電路(2)工作原理單相半波整流電路如圖5-17a所示。電源變壓器將電壓u1變?yōu)檎麟娐匪璧碾妷簎2。若二極管的正向管壓降為零,當(dāng)u20時(shí),VD導(dǎo)通,輸出電壓uo=u2;當(dāng)u20時(shí),VD1、VD3導(dǎo)通,VD2、VD4截止,電流方向如圖所示,輸出電壓uo=u2;當(dāng)u20時(shí),VD2、VD4導(dǎo)通,VD1、VD3截止,電流方向如圖所示,輸出電壓uo=u2;下個(gè)周期重復(fù)上述過(guò)程?？梢?jiàn),單相橋式整流電路在輸入交流電壓的正負(fù)半周,都有同一方向的電流流過(guò)RL,四只二極管兩兩輪流導(dǎo)通,通過(guò)負(fù)載的電流io=iVD1+iVD2,在負(fù)載上得到全波脈動(dòng)的直流電

11、壓和電流,這種整流電路屬于全波整流電路。(3)電路特點(diǎn)與單相半波整流電路相比,單相橋式整流電路所用二極管的數(shù)量較多,當(dāng)變壓器二次電壓相同時(shí),對(duì)二極管的參數(shù)要求一樣,但輸出電壓較高、脈動(dòng)較小,變壓器利用率高,所以應(yīng)用較廣。橋式整流電路目前已做成模塊(整流橋),有半橋和全橋兩種整流橋,使用一個(gè)全橋或連接兩個(gè)半橋就可代替四只整流二極管與電源變壓器相連,從而組成橋式整流電路,使用非常方便。3.車(chē)用整流電路整流電路在汽車(chē)發(fā)電機(jī)中也有著重要應(yīng)用。我們知道,汽車(chē)上裝有蓄電池,但蓄電池儲(chǔ)存的電能非常有限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足汽車(chē)上不斷增多的用電設(shè)備的需求。發(fā)電機(jī)是汽車(chē)電器設(shè)備的主要電源,為了將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電整流成

12、直流電,汽車(chē)上普遍采用由六只硅二極管組成的車(chē)用整流器。車(chē)用整流器的二極管分為正極管和負(fù)極管兩種類(lèi)型,引線和外殼分別是它們的兩個(gè)電極。其中,正極管的外殼為負(fù)極,引出極為正極,在管殼底上一般標(biāo)有紅色標(biāo)記;負(fù)極管的外殼為正極,引出極為負(fù)極,在管殼底上一般標(biāo)有黑色標(biāo)記。在負(fù)極搭鐵的硅整流發(fā)電機(jī)中,三個(gè)正極管的外殼壓裝在散熱板的三個(gè)座孔內(nèi),共同組成發(fā)電機(jī)的正極,由一個(gè)與發(fā)電機(jī)后端蓋絕緣的整流板固定螺栓通至機(jī)殼外,作為發(fā)電機(jī)的相線接線柱“B”(“+”、“A”或“電樞”接線柱);三個(gè)負(fù)極管的外殼壓裝在后端蓋的三個(gè)孔內(nèi),和發(fā)電機(jī)外殼一起成為發(fā)電機(jī)的負(fù)極,其安裝示意圖如圖5-19所示。圖5-19車(chē)用整流器三個(gè)正極管和三個(gè)負(fù)極管構(gòu)成的整流電路稱(chēng)為三相橋式整流電路,它將發(fā)電機(jī)的交流電整流成12V的直流電。整流電路及其波形如圖5-20所示。圖5-20三相橋式整流電路及其波形圖5-20a中,整流板上的三個(gè)正極管VD1、VD2、VD3的正極分別接在發(fā)電機(jī)三相繞組的首端U1、V1、W1上。VD1、VD2、VD3分別在三相交流電的正半周導(dǎo)通,若某一相電壓最高,則該相繞組的正極管先導(dǎo)通,其余正極管截止;后端蓋上三個(gè)負(fù)極管VD4、VD5、VD6的負(fù)極分別接在發(fā)電機(jī)三相繞組的U1、V1、W1上。VD4、VD5、VD6分別在三相交流電的負(fù)半周導(dǎo)通,若某一相電壓最