1、第5章 半導(dǎo)體器件及應(yīng)用5.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識5.2 二極管5.3 三極管5.4 三極管基本放大電路5.5 其他半導(dǎo)體器件5.6 集成運算放大器第5章 半導(dǎo)體器件及應(yīng)用理解半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，PN結(jié)的概念及特性；掌握二極管的單向?qū)щ娦浴z測方法及在汽車電子電路中的典型應(yīng)用；掌握三極管的伏安特性及管腳的識別，了解其構(gòu)成的各類放大電路的特點及在汽車中的應(yīng)用；了解其他特種半導(dǎo)體器件的特點及在汽車中的應(yīng)用。掌握集成運放電路的分析方法，了解其在汽車中應(yīng)用。本章要求:5.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識5.1.1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體：介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、硒等摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改

2、變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化 (可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(可做成 溫度敏感元件，如熱敏電阻)。總目錄上頁章目錄下頁返回1. 本征半導(dǎo)體 完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。本征硅的晶體結(jié)構(gòu)圖 共價健 +4 +4 +4 +4價電子本征硅的結(jié)構(gòu)平面圖共有價電子所形成的束縛作用稱為共價鍵總目錄上頁章目錄下頁返回 +4 +4 +4 +4價電子空穴自由電子 共價鍵中的少量價電子在溫度升高或受光照后，會獲得足夠的動能，將掙脫原子核的束縛，成

3、為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。 在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子移動過來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴。如此繼續(xù)下去，形成了空穴運動?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：電子電流和空穴電流 自由電子和空穴都稱為載流子。 本征半導(dǎo)體中有兩種載流子（自由電子和空穴）同時參與導(dǎo)電，這是本征半導(dǎo)體區(qū)別于金屬導(dǎo)體的一個重要特性，此特性稱為它的導(dǎo)電機理。注意： 在常溫下，本征半導(dǎo)體中載流子很少，其導(dǎo)電性能很差。為了提高其導(dǎo)電性能，通常將其制成雜質(zhì)半導(dǎo)體。 總目錄上頁章目錄下頁返回2. 雜質(zhì)半導(dǎo)

4、體 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的有用雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體。 （1）P型半導(dǎo)體 摻入三價元素 +4 +4+4 +4空穴+3硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，也稱為空穴型半導(dǎo)體。自由電子空穴對總目錄上頁章目錄下頁返回 +4 +4 +4 +4+5多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子型半導(dǎo)體。摻入五價元素自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。（2）N型半導(dǎo)體 自由電子空穴對總目錄上頁章目錄下頁返回 綜上所述，無論是P型還是N型半導(dǎo)體，其中多數(shù)載流子都是摻入雜質(zhì)造成

5、的，盡管雜質(zhì)含量微乎其微，卻能使其導(dǎo)電性能大大改善。而它們的少數(shù)載流子，都是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的。雖然少子濃度很低，但對溫度非常敏感，其濃度隨溫度的升高而增大，因此溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要因素。 由于雜質(zhì)半導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性，在實際中常用來生成PN結(jié)。 PN結(jié)具有單一型半導(dǎo)體（P型或N型）所不具備的新特性，利用此特性制造出了各種半導(dǎo)體器件，推動了電子技術(shù)的發(fā)展?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?.1.2 PN結(jié)P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體+空穴自由電子負離子正離子PN結(jié)自由電子空穴在雜質(zhì)半導(dǎo)體P和N的結(jié)合面附近存在著的特殊薄層稱為PN結(jié)。在PN結(jié)中空穴和自由電子都基本上耗盡了，故PN結(jié)又稱為耗盡層，耗

6、盡層中有一個內(nèi)電場，方向如上圖所示。 內(nèi)電場總目錄上頁章目錄下頁返回1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN 結(jié)變窄 P接正、N接負 外電場IF PN 結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)電場PN+ 內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場PN+ P接負、N接正 總目錄上頁章目錄下頁返回PN 結(jié)變寬2. PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場 內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR P接負、N接正 + PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+PN結(jié)正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟奶匦苑Q為其單向?qū)щ娦钥偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?

7、. PN結(jié)的結(jié)電容PN結(jié)的結(jié)構(gòu)類似平板電容器相當(dāng)于導(dǎo)體相當(dāng)于導(dǎo)體相當(dāng)于介質(zhì)相當(dāng)于介質(zhì)相當(dāng)于存儲電荷結(jié)電容數(shù)值很小，在低頻電路中，相當(dāng)于開路，不用考慮其影響，但在高頻電路中，容抗很小，對PN結(jié)的電流有影響，必須加以考慮。 P 型半導(dǎo)體+PN結(jié)N 型半導(dǎo)體5.2 二極管5.2.1 結(jié)構(gòu)和分類負極正極符號VDPN正極負極外殼PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖分類結(jié)構(gòu)（1）點接觸型、面接觸型、平面型（2）硅管和鍺管（3）普通管和特殊管下頁總目錄上頁章目錄下頁返回負極引線正極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅( c ) 平面型金屬觸絲正極引線N型鍺片負極引線外殼( a ) 點接觸型鋁合金小球N型硅正極引線PN結(jié)金銻合

8、金底座負極引線( b ) 面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷毓鑅th =0.5V,鍺Uth =0.1V。反向擊穿電壓U(BR)管壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性UI死區(qū)電壓PN+PN+硅0.60.8V鍺0.20.3V5.2.2 二極管的伏安特性總目錄上頁章目錄下頁返回1. 最大整流電流 IFM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 最高反向工作電壓URM3. 最大反向電流IRM保證二極管不被擊穿

9、而制定的最高反向電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。 指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流值。反向電流值越小，管子的單向?qū)щ娦阅茉胶?。其值隨著溫度的上升而顯著增加，因此溫度會影響二極管的性能。 4. 最高工作頻率fM5.2.3 主要參數(shù)總目錄上頁章目錄下頁返回 是指保證二極管具有單向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。當(dāng)工作頻率過高時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫蜁儾睿踔潦蜗驅(qū)щ娦?。點接觸型鍺管其最高工作頻率可達幾百兆赫，而面接觸型硅整流管，其最高工作頻率只有三千赫。 1. 二極管極性的識別（1）一般情況下，可通過管殼上的標(biāo)記確定。有色環(huán)

10、的二極管，色環(huán)所在的一端為負極；帶色點的二極管，色點所在的一端為正極。（2）無標(biāo)記的二極管，可通過萬用表來判斷正負極。正負極的確定是利用了二極管正向電阻小、反向電阻大的特點。將萬用表撥到R1k檔，用表筆分別接觸二極管的兩極，測出兩個電阻值。在所測得阻值較小的一次，與5.2.4 二極管的檢測總目錄上頁章目錄下頁返回黑表筆相接的一端為正極。同理，在所測得阻值較大的一次，與黑表筆相接的一端為負極，如圖所示。上述檢測使用的是指針式萬用表，實際上也可使用數(shù)字萬用表。如果用數(shù)字萬用表，表筆情況正好相反，即在所測得阻值較小的一次，與黑表筆相接的一端為二極管負極。同理，在所測得電阻值較大的一次，與黑表筆相接的

11、是二極管正極?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?利用萬用表還可以判斷二極管的好壞。如果測得的正、反向電阻值均很小，說明二極管內(nèi)部短路；若正、反向電阻值均很大，說明二極管內(nèi)部開路，這兩種情況下，二極管就不能使用了。 2. 二極管好壞的識別 以上是普通二極管的檢測方法，汽車交流發(fā)電機上的整流二極管就可以按照上述方法進行檢測。操作：用萬用表檢測汽車交流發(fā)電機整流板上的正極管、負極管?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?. 整流電路由三只正極管和三只負極管組成。正極管的導(dǎo)通條件是：在某一瞬間，與三相繞組中電位最高相連接的正極管導(dǎo)通。 負極管的導(dǎo)通條件是：在某一瞬間，與三相繞組中電位最低相連接的負極管導(dǎo)通。 三相橋式整流

12、電路5.2.5 二極管在汽車電子電路中的應(yīng)用總目錄上頁章目錄下頁返回設(shè)三相繞組輸出的電壓為三相對稱電壓，波形如圖所示。 為便于分析，現(xiàn)將一個周期等分成6個小區(qū)間加以說明。 在t1t2內(nèi)，VD1、VD5導(dǎo)通，U1V1間電壓加到負載上。在t2t3內(nèi)，VD1、VD6導(dǎo)通，U1W1間電壓加到負載上?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷卦趖4t5內(nèi)，VD2、VD4導(dǎo)通，V1U1間電壓加到負載上。在t3t4內(nèi)，VD2、VD6導(dǎo)通，V1W1間電壓加到負載上。 按照正極管VD1VD2VD3、負極管VD5VD6VD4的順序輪流導(dǎo)通，在負載端便得到一個較平穩(wěn)的直流電壓。電壓波形如圖所示。 總目錄上頁章目錄下頁返回2. 保護電

13、路在電路中，VD4起保護作用。當(dāng)勵磁線圈斷電時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過VD4釋放，避免了反電動勢疊加在電源電壓上對VT2、VT3的電壓沖擊，保證了它們的安全。總目錄上頁章目錄下頁返回1. 穩(wěn)壓管符號 伏安特性 穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻 穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用該特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。UIOUZIZIZM UZ IZ（1）穩(wěn)壓管的特性5.2.6 特殊二極管及在汽車電子電路中的應(yīng)用總目錄上頁章目錄下頁返回穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。穩(wěn)定電流IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM 穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓所對應(yīng)

14、的電流值 最大穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管反向擊穿后允許流過的最大電流值。使用時要加限流電阻。動態(tài)電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。（2）主要參數(shù)總目錄上頁章目錄下頁返回穩(wěn)壓電路汽車儀表電路的穩(wěn)壓電路 由穩(wěn)壓管和限流電阻串聯(lián)組成。其中穩(wěn)壓管與負載電路并聯(lián)，以便發(fā)揮穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理是：當(dāng)蓄電池電壓上升時，穩(wěn)壓管的反向電壓略有增大，根據(jù)反向擊穿特性可知，其反向電流大大增加。這將引起限流電阻的電流和電壓增加，若電阻選擇合適，則其電壓的增量將抵消掉蓄電池電壓的增量，使儀表上的電壓基本不變。相反，當(dāng)蓄電池電壓減小時，限流電阻上的電壓減小，保證了儀表上的電壓基本不變。（3）穩(wěn)壓管在汽車電子電路中的應(yīng)

15、用總目錄上頁章目錄下頁返回限幅電路在圖中，穩(wěn)壓管VZ2為限幅二極管，在電路中起限制電壓幅度的作用。其工作原理是：當(dāng)電路開關(guān)S接通時，在電壓調(diào)節(jié)器兩端會產(chǎn)生瞬間高壓，穩(wěn)壓管反向擊穿導(dǎo)通，將電壓限制在一定范圍內(nèi)，避免了瞬間高壓損壞電壓調(diào)節(jié)器。 總目錄上頁章目錄下頁返回2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管的外形和符號有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，但正向電壓較一般二極管高為1.53V，電流較小為幾 十幾mA發(fā)光二極管具有體積小、反應(yīng)快、光度強、壽命長等優(yōu)點，在汽車電路中得到廣泛應(yīng)用。如安裝在汽車組合儀表盤上各種指示燈、報警燈都是發(fā)光

16、二極管組成的。 總目錄上頁章目錄下頁返回汽車上的液面檢測報警電路報警燈液位傳感器永久磁鐵是浮子舌簧管是靜止的 在液位正常時，舌簧管觸點斷開，報警燈不發(fā)光。當(dāng)液位低于規(guī)定值時，磁鐵浮子下移到舌簧管中部，在磁場作用下觸點閉合，報警燈電路接通而發(fā)光報警?？偰夸浬享撜履夸浵马摲祷?. 光電二極管 利用這一特性可以將許多光電二極管組成光電板，作為電源使用，稱為太陽能電池。另外，光電二極管在汽車上作為光信號檢測元件得到了廣泛的應(yīng)用。 反向電流的數(shù)值隨著光照的增強而上升。無光照時，反向電流很小；有光照時，反向電流急劇增加，且光照的越強，反向電流越大。 總目錄上頁章目錄下頁返回汽車空調(diào)用日照強度傳感器等效電路

17、 日照強度傳感器在空調(diào)自動控制系統(tǒng)中是一個日照強度檢測元件，它通過光電二極管檢測日光照射量的變化，并把這種變化轉(zhuǎn)換成電流值輸出。車內(nèi)空調(diào)計算機對這種變化進行檢測，并根據(jù)電流的變化情況控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)排風(fēng)口的風(fēng)量和溫度，達到調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度的目的。 總目錄上頁章目錄下頁返回汽車光電式點火信號發(fā)生器原理圖 主要由發(fā)光二極管、光電二極管和遮光轉(zhuǎn)子組成。發(fā)光二極管通入電流后產(chǎn)生光源，光電二極管受光后產(chǎn)生電壓，遮光轉(zhuǎn)子有與氣缸數(shù)相對應(yīng)的缺口，光源照射到光電二極管的光線受轉(zhuǎn)動的遮光轉(zhuǎn)子控制。 當(dāng)遮光轉(zhuǎn)子隨分電器軸轉(zhuǎn)動時，遮光轉(zhuǎn)子缺口周期性地通過光線，使光電二極管周期性受光，光電二極管便產(chǎn)生了與曲軸位置相對應(yīng)的

18、電壓脈沖，即點火觸發(fā)信號。 5.3 三極管5.3.1 結(jié)構(gòu)與符號NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型PNP型總目錄上頁章目錄下頁返回基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大總目錄上頁章目錄下頁返回5.3.2 電流分配與放大原理ICUBBmAARBIBUCC+mAIERPVT發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏實驗線路1.三極管放大的外部條件總目錄上頁章目錄下頁返回IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.

19、701.502.303.103.95 u 時， uo = +Uo(sat) u+ u 時， uo = + Uo(sat) u+ u 時， uo = +Uo (sat) u+ u 時， uo = Uo (sat) i+= i 0總目錄上頁章目錄下頁返回電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOuoui+門限電平Uth：輸出跳變所對應(yīng)的輸入電壓。 ui0 時，uo = Uo (sat) ui =0 時，uo發(fā)生跳變門限電平Uth=0因為輸入ui每次過零時輸出都跳變，因此稱為過零比較器。 1.過零電壓比較器總目錄上頁章目錄下頁返回 假設(shè)穩(wěn)壓管VZ截止，則運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出為Uo(

20、sat)，所以雙向穩(wěn)壓管中總有一個工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，一個工作在正向?qū)顟B(tài)，因此uo= (UZ+UD) UZ穩(wěn)定電壓； UD正向?qū)▔航?。利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╰uiOtuo+Uo(sat)Uo(sat)O輸出帶限幅的過零電壓比較器總目錄上頁章目錄下頁返回2.任意電壓比較器 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR uiUR 時，uo = Uo (sat) ui =UR 時，uo發(fā)生跳變輸出電壓 uo 發(fā)生躍變時的輸入電壓叫門限電平，所以任意電壓比較器的門限電平Uth=UR 參考電壓URuouiR2+R1因只有一個門限電壓，故又稱單限電壓比較器 電壓傳輸特性總目錄上頁章目錄下頁返回uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)單限電壓比較器： 當(dāng) ui 單方向變化時， uo 只變化一次。電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURURuouiR2+R1t1t2總目錄上頁章目錄下頁返回電路引入正反饋，運放工作于非線性區(qū)3.滯回電壓比較器Rfuoui+R1R2當(dāng) uo = + Uo(sat)， 則 當(dāng) uo = Uo(sat)， 則電壓傳輸特性uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)總目錄上頁章目錄下頁返回回差電壓： uiuo