汽车电工电子技术基础 第7章

第7章半导体二极管张军汽车工程学院一、半导体基础知识1.半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和硒（Se）等。一般半导体材料为四价元素硅锗＋4＋4共价键价电子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4半导体的特性描述热敏特性温度升高或受到光照，半导体材料的导电能力增强光敏特性掺杂特性本征半导体中掺入某种微量元素（杂质）后，它的导电能力增强，利用该特性可形成杂质半导体2.本征半导体纯净的不含任何杂质的半导体叫做本征半导体。在绝对温度零度(即0K，相当于-273℃)，且无外界激发时，本征半导体每一外围电子被共价键所束缚，半导体内部无电子存在，和绝缘体一样不导电。但在室温下，仅有少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子（称为热激发），并在相应的共价键中留下空穴本征激发＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子空穴＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子空穴E空穴移动产生电流代表束缚电子移动产生电流结论：由此可见,在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可以将空穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可以自由的移动，移动的方向和电流的方向相同。所以空穴也是一种载流子空穴越多，半导体中的载流子数目就越多，因此形成的电流越大半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度ni=pi下标i表示为本征半导体载流子的产生与复合价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇,使电子、空穴对消失,这种现象称为复合。在一定温度下,载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的。3.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和P型半导体（1）N型半导体在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，可形成N型半导体。由于五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主原子。N型半导体中，自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由电子施主原子N型半导体特点Ｎ型半导体中,自由电子为多数载流子；空穴为少数载流子。半导体仍呈电中性（2）P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子。P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。受主原子空穴P型半导体特点P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。半导体仍呈电中性4.载流子的漂移与扩散1）漂移由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移2）扩散由于载流子浓度的差异而导致载流子的运动称为扩散二、二极管1.PN结在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界区域会形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结杂质浓度差多子的扩散运动形成空间电荷区形成内电场促使少子漂移、阻止多子扩散达到动态平衡扩散运动和漂移运动是相互矛盾的，少数载流子的漂移运动使空间电荷区变窄2.PN结的导电性1）PN结正向偏置给PN结加正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置。只有外电压增加到某一值时，才产生较大的扩散电流，该电压称PN结的死区电压，一般硅材料为0.7V，锗材料为0.3V,由上可知,PN结正向偏置时导通电流很大（外加电压大于死区电压时）。2）PN结反向偏置当PN结的P型区接外电源负极，N型区接外电源正极时称反向偏置在内电场的作用下，N型区中的少数载流子（空穴）越过PN结进入P区；P型区中的少数载流子（自由电子）越过PN结进入N型区，于是在外电源的作用下形成了连续不断的由N型区流向P型区的电流，称为反向电流扩散电流几乎为0，反向电流很小PN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。总结：3．二极管的结构和类型以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管。与P区相连的引线称为阳极，用“+”表示，与N区相连的引线称为阴极，用“-”表示。按结构分二极管有点接触型和面接触型。点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金结电容小工作频率低三、二极管的伏安特性伏安特性就是管子两电极间所加的电压与其流过的电流之间的关系曲线。电压的单位为伏（V），电流的单位为安（A）、毫安、微安等。正向特性、反向特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUth反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大UUthiD急剧上升604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90C四、半导体二极管主要参数在工程上必须根据二极管的参数合理地使用和选择二极管，只有这样才能充分发挥每个管子的作用。最大整流电流IOM最大反向电流IRM最大反向工作电压URM1.最大整流电流IOM它是二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大，如2CP10型硅二极管的最大整流电流为100mA。当电流超过允许值时，将由于PN结过热而使管子损坏。2．最大反向工作电压URM它是指二极管在工作中能承受的最大反向电压，也是使二极管不致反向击穿的电压极限值。在一般情况下，最大反向工作电压应小于反向击穿电压，是反向击穿电压的1/2或2/3。选用晶体二极管时，还要以最大反向工作电压为准,并留有适当余地，以保证二极管不致损坏。例如:2AP21型二极管的反向击穿电压15V，最大反向工作电压小于10V；2AP26型二极管的反向击穿电压为150V，最大反向工作电压小于100V。3．最大反向电流IRM它是指二极管上加工作峰值电压时的反向电流值。IRM值越小，二极管的单向导电性越好。硅管的反向电流较小，在几微安以下。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。一、整流整流电路是将交流电压变换成直流电路，整流电路分为单相半波整流电路、单相全波电路、三相全波整流电路。1.单相半波整流电路）（t0tsinU2u20负载电阻上得到的整流电压U0是大小变化的单向脉动直流电压，U0的大小常用一个周期的平均值来表示，单相半波整流电压的平均值为2202000.45UU2UttdsinU221U）（流过二极管的平均电流为L2L00R0.45URUI2RmaxU2U因此：单相半波整流电路的特点是结构简单，但输出电压的平均值低、脉动大,电路损失大。2.单相桥式全波整流电路桥式整流电路的整流电压平均值0U比半波整流时增加一倍即：2200.9U0.45U2UL0L00RU0.9RUIL00DRU0.45I21i2RmaxU2U由以上分析可知，单相桥式整流电路，在变压器二次侧电压相同的情况下，输出电压平均值高、脉动小，管子承受的反向电压和半波整流电路一样。虽然二极管用了四只，但小功率二极管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用。3.三相桥式整流电路负载RL上电压U0与三相变压器副绕组相电压有效值U2202.34UU整流电流平均值L2L00RU2.34RUI由于每个二极管在一个周期内连续导通1/3周期，故通过二极管的电流平均值ID。是L2DRU0.78Io31I各个二极管所承受的最大反向电压UDRM是变压器次极线电压的最大值，即22DRM2.45UU32U二、滤波电路整流电路输出的单向脉动电压含有交流分量，不能适应各种要求直流电压平稳的电子设备、电气装置正常工作的需要。解决办法是在整流电路之后再加接滤波电路，以改善直流电压的脉程度。根据电容有隔直通交的作用，而电感则有直流电阻很小，交流电阻大的特点。将电容、电感和电阻适当的组合起来，便可得到各种形式的滤波电路。1.电容滤波电路特点①电路简单。②整流输出电压的波形比较平直。③输出平均电压U0较高，且随负载RL的大小而变化。输出平均电压：U0=U2（半波整流）U0＝1.2U2（全波整流）2.电感滤波电路电感滤波的作用是：当负载电流变化时，电感线圈中将产生自感电动势，它将阻止电流的变化，同时进行磁场能量的存贮与释放，使输出电压和电流的脉动程度减小，波形较平直。U0=0.9U2L2L00RU0.9RUI电感线圈的电感L为几亨到几十亨，一般说来L越大，滤波效果越好。但L越大，线圈的体积及重量均增加，而且也不经济。电感滤波适用于负载电流较大，其变化也较大但对输出电压脉动程度要求不太高的场合，例如可控硅电路。3.复式兀形滤波电路此电路由两只电容Cl和C2及电感L组成。Cl先对整流输出电压进行电容滤波，C2与负载电阻RL并联，再与L串联。电感线圈L对输出电压的交流分量有较大的感抗，而电容C2对交流分量的容抗很小，具有较强的旁路分流作用，从而可使负载RL上的交流分量很小，输出电压的平直程度大大增加。电阻对于交、直流电流都具有同样的降压作用，但是当它与电容C2配合之后，可以使经Cl滤波后的整流电压中残存的交流分量较多地降落在电阻R的两端，而较少地分配到电容C2上（因C2的交流阻抗很小）。从而使负载RL两端的输出电压更为平直，起到更好的滤波作用。R和C2愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使R上的直流压降增加，且电阻要发热，消耗电功率，故应选择R《RL，通常使R上的直流电压降UR=I0R=（0.1～0.2）U0，R取值为几十到几百欧。三、二极管在汽车电路中的应用1．二极管的整流电路在汽车交流发电机中的应用四、特殊二极管在汽车上的应用1.稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，故称为稳压二极管。它经常应用在稳压设备和一些电子线路中。稳压二极管也称齐纳二极管。稳压二极管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的A点和B点这一段的电流，对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安几十毫安。2.半导体发光二极管（LED）LED由砷化镓、磷化镓等化合物所制成。这种管子通以电流时将发出光。有红、绿、黄、橙色的发光二极管。3．光电二极管日照强度传感器可以把太阳的照射情况转换成电流的变化，车内自动空调控制单元对这种变化进行检测，来调节排风量和排风口温度。光电二极管作为光传感器还被应用到汽车灯光自动控制器中，用来检测车辆周围亮、暗程度。4.光接收机光接收机的种类很多，现代汽车光纤网络中通常使用的光接收机主要有两种：普通光电二极管型和雪崩光电二极管型。