汽車電工電子基礎(chǔ)-項目五 半導(dǎo)體器件及應(yīng)用

1、項目五 半導(dǎo)體器件及應(yīng)用任務(wù)一 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識任務(wù)二 二極管的應(yīng)用任務(wù)三 晶體管任務(wù)四 晶體管基本放大電路任務(wù)五 集成運算放大器項目五 半導(dǎo)體器件及應(yīng)用了解半導(dǎo)體的概念及特性；掌握常用半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、原理、特性及參數(shù)，掌握其在汽車電子電路中的應(yīng)用；了解晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理和主要參數(shù)的意義；了解晶體管基本放大電路的組成、工作原理、性能指標(biāo)、各類放大電路的特點，掌握其在汽車電子電路中的應(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:任務(wù)一 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識根據(jù)導(dǎo)電能力的強弱，物質(zhì)可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。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

2、摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(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)。一. 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。本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 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

3、： 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。 二. 摻雜半導(dǎo)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，其導(dǎo)電能力大大加強。 摻入三價元素稱為P型半導(dǎo)體 +4 +4+4 +4空穴+3硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子?？昭▽?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 +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。摻入五價元素稱為N型半導(dǎo)體 自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。自

4、由電子空穴對 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。 三. PN結(jié)P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體+空穴自由電子負(fù)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，耗盡層中有一個內(nèi)電場，方向如上圖所示。 內(nèi)電場當(dāng)PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）時：PN 結(jié)變窄 P接正、N接負(fù) 外電場IF

5、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。當(dāng) PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）時外電場內(nèi)電場PN+ P接負(fù)、N接正 PN 結(jié)變寬外電場 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(fù)、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)?、反向截止的特性稱為其單向?qū)щ娦匀蝿?wù)二 二極管的應(yīng)用一、二極管的認(rèn)識負(fù)極正極符號VDPN正極負(fù)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.普通管和特殊管負(fù)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(fù)極

6、引線外殼( a ) 點接觸型鋁合金小球N型硅正極引線PN結(jié)金銻合金底座負(fù)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。硅Uth =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0.20.3V二極管的伏安特性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

7、擊穿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fM二極管的主要參數(shù) 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(dá)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。 二極管在汽車上的應(yīng)用二極管在汽車電子電路中的應(yīng)用較廣，可以實現(xiàn)整流、限幅、開關(guān)等作用。例5.2

8、 汽車交流發(fā)電機專用的三相橋式整流電路由三只正極管和三只負(fù)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(fù)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(fù)極管導(dǎo)通。 三相橋式整流電路設(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(fù)載上。在t2t3內(nèi)，VD1、VD6導(dǎo)通，U1W1間電壓加到負(fù)載上。在t4t5內(nèi)，VD2、VD4導(dǎo)通，V1U1間電壓加到負(fù)載上。在t3t4內(nèi)，VD2、VD6導(dǎo)通，V1W1間電壓加到負(fù)載上。 按照正極管VD1VD2

9、VD3、負(fù)極管VD5VD6VD4的順序輪流導(dǎo)通，在負(fù)載端便得到一個較平穩(wěn)的直流電壓。電壓波形如圖所示。 二、特殊二極管1. 光電二極管 其符號如下圖所示 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。 圖5.11 光電二極管的符號圖5.12日照強度傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖5.12 是汽車自動空調(diào)系統(tǒng)中使用的日照強度傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路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

10、，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)光二極管組成的。 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。3. 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

11、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)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。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)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(fù)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

12、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。穩(wěn)壓管在汽車上的應(yīng)用限幅電路在圖中，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。 任務(wù)三 晶體管一、晶體管的認(rèn)識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型基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低

13、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)：面積最大三極管的放大原理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IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.95 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 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR uiUR 時，uo = U

14、o (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 電壓傳輸特性為了和數(shù)字電路的高低電平相配合，一般運放輸出端接穩(wěn)壓管作限幅電路，如下圖（a），這種比較理想的電壓傳輸特性曲線如圖（b） 如果參考電壓UR=0，則輸出電壓過零時，輸出電壓u0將產(chǎn)生躍變，這種比較器稱為過零比較器。如圖所示為加了限幅電路的過零比較器，VS1 VS2為限幅穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定的電壓相同（US1=US2=US）， ui加在反相端，同相端接地。其理想傳輸特性如圖（b）所示。電

15、路引入正反饋，運放工作于非線性區(qū)為了提高電路的穩(wěn)定性，一般采用滯回電壓比較器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)回差電壓： uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性上限電壓下限電壓優(yōu)點：回差電壓的存在，也提高了電路的抗干擾能力。只要干擾量不超過回差電壓，則輸出電壓的狀態(tài)就不會改變。 用途：波形變換如果輸出帶有限幅電路，也可用于模擬電路和數(shù)字電路的接口元件 2.電壓比較器在汽車上的應(yīng)用汽車充電系統(tǒng)電壓監(jiān)視器電路 功能：監(jiān)視汽車充電系統(tǒng)的電壓，當(dāng)電壓過低（小于12V）或過高（大于14.5V）時，報警器發(fā)出警報。濾波穩(wěn)壓電路 -為比較器A1、A2提供基準(zhǔn)電壓，電壓值為穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)定電壓。各部分作用：分壓電路-將電源充電系電壓分壓后形成A1、A2的輸入信號。比較器A1 、