第6章汽车电工与电子技术基础

三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用汽车电工与电子技术基础主讲：伍时和三亚学院理工学院第六章常用半导体器件及应用第六章常用半导体器件及应用三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用要点：1、半导体的基本知识。2、常用半导体器件的特性及其在汽车中的应用。3、晶体管基本应用电路的分析。4、稳压电路的组成。汽车整流调压电路。。第六章第六章常用半导体器件及应用三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用第六章常用半导体器件及应用第一节半导体简介第二节晶体管基本应用电路第三节集成运放及应用第四节直流稳压电源第六章三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用一、半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。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）。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)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用半导体定义导电性能介于导体和绝缘体之间的一些物质。如：锗(Ge)，硅(Si)，硒(Xe)以及大多数金属氧化物和硫化物等。第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用硅单晶中的共价键结构第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用1、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。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，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）。本征半导体的导电机理：这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。SiSiSiSi第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用本征半导体的导电机理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(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流由于电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。自由电子和空穴都称为载流子。第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用注意：(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+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在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。第一节半导体简介2、N型半导体和P型半导体三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是电中性的，对外不显电性。2、N型半导体和P型半导体第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用1.在杂质半导体中多数载流子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少数载流子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少数载流子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba提问第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。1.PN结的形成二、PN结第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。形成空间电荷区内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。二、PN结第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用（1）.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–E2.PN结的单向导电性第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用（2）.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+E第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用PN结变宽（2）.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+E第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用1、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号阳极阴极三、半导体二极管第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用一、半导体二极管第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于大功率整流和开关电路中。1、基本结构三、半导体二极管第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型图6－7半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(d)符号D1、基本结构第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用2、伏安特性UIE+-正向偏置UIE+-反向偏置第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。第一节半导体简介2、伏安特性三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用3、主要参数1）.最大整流电流IOM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）.反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，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）.反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用4、二极管极性判断第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用1）.符号UZIZIZMUZIZ2）.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，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIODZ稳定电流正向特性同二极管Izmin4、稳压二极管第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用(a)(b)(c)限流电阻第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用稳压二极管的汽车上的应用稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压Ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k~4k，是否还能稳压？RLUiUORDZIIzILUZ+仪表等效电阻第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用UZW=10VUi=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)IL=Uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）I=（Ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）IZ=I-IL=10-5=5（mA）RL=1.5k,IL=10/1.5=6.7（mA）,IZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,IL=10/4=2.5（mA）,IZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用已知：解：RLUiUORDZIIzILUZ仪表等效电阻第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻ZZZIUr(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。5.主要参数第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用第一节半导体简介三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管1基本结构三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用2.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VBVE集电结反偏VCVB从电位的角度看：NPN发射结正偏VBVE集电结反偏VCVB三亚学院理工职业学院第六章常用半导体器件及应用3.各电极电流关系及电流放大