汽车电工电子基础-项目五

项目五半导体器件及应用任务一半导体基础知识任务二二极管的应用任务三晶体管任务四晶体管基本放大电路任务五集成运算放大器项目五半导体器件及应用了解半导体的概念及特性；掌握常用半导体器件的结构、原理、特性及参数，掌握其在汽车电子电路中的应用；了解晶体管的结构、工作原理和主要参数的意义；了解晶体管基本放大电路的组成、工作原理、性能指标、各类放大电路的特点，掌握其在汽车电子电路中的应用；掌握集成运放电路的分析方法，了解其在汽车中应用。本章要求:任务一半导体基础知识根据导电能力的强弱，物质可分为导体、半导体和绝缘体。半导体：介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒等掺杂性：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(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。一.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。本征半导体的结构示意图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：电子电流和空穴电流自由电子和空穴都称为载流子。本征半导体中有两种载流子（自由电子和空穴）同时参与导电，这是本征半导体区别于金属导体的一个重要特性，此特性称为它的导电机理。注意：在常温下，本征半导体中载流子很少，其导电性能很差。为了提高其导电性能，通常将其制成杂质半导体。二.掺杂半导体在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半导体，其导电能力大大加强。掺入三价元素称为P型半导体+4+4+4+4空穴+3硼原子接受一个电子变为负离子空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，也称为空穴型半导体。自由电子空穴对+4+4+4+4+5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自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子型半导体。掺入五价元素称为N型半导体自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。自由电子空穴对综上所述，无论是P型还是N型半导体，其中多数载流子都是掺入杂质造成的，尽管杂质含量微乎其微，却能使其导电性能大大改善。而它们的少数载流子，都是由于热激发产生的。虽然少子浓度很低，但对温度非常敏感，其浓度随温度的升高而增大，因此温度是影响半导体性能的一个重要因素。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体三.PN结P型半导体中的空穴多于自由电子，N型半导体中的自由电子多于空穴，这样自由电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，即多子因浓度差而形成扩散运动。1.PN结的形成P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－空穴自由电子负离子正离子PN结自由电子空穴内电场内电场的存在有助于P区的自由电子（少子）进入N区，N区的空穴（少子）进去P区，这种少子在内电场作用下的定向移动称为少子的漂移运动。漂移使得空间电荷去变窄，内电场削弱，多子的扩撒运动得以增强。在一定温度下，两种运动保持平衡，空间电荷区相对稳定，形成PN结。P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－空穴自由电子负离子正离子PN结自由电子空穴在杂质半导体P和N的结合面附近存在着的特殊薄层称为PN结。在PN结中空穴和自由电子都基本上耗尽了，故PN结又称为耗尽层，耗尽层中有一个内电场，方向如上图所示。内电场当PN结加正向电压（正向偏置）时：PN结变窄P接正、N接负外电场IFPN结处于导通状态内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。1.PN结的单向导电性当PN结加反向电压（反向偏置）时外电场内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+P接负、N接正PN结变宽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–+PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN结正向导通、反向截止的特性称为其单向导电性任务二二极管的应用一、二极管的认识负极正极符号VDPN正极负极外壳PN结二极管的结构示意图分类结构1.点接触型、面接触型、平面型2.硅管和锗管3.普通管和特殊管负极引线正极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝正极引线N型锗片负极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅正极引线PN结金锑合金底座负极引线(b)面接触型二极管的结构示意图用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。硅Uth=0.5V,锗Uth=0.1V。反向击穿电压U(BR)管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UI死区电压PN+–PN–+硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V二极管的伏安特性总结：①二极管具有单向导电性，二极管只允许电流从管的“+”极流向管子的“—”极，而不允许电流从“—”极流向“+”极。它的单向导电性可以用水流和阀门的比喻来理解。②二极管的伏安特性具有非线性。③二极管的伏安特性与温度有关。图6-12晶体二极管的单向导电性比喻（a）水流顶开阀门（b）水流压紧阀门PN正极负极外壳PN结二极管的结构示意图二极管的检测用万用表判断二极管的极性和好坏（a）测正向电阻（b）测反向电阻1．用模拟式万用表检测二极管的单向导电性2．用模拟式万用表检测二极管的好坏若测得的二极管的正向电阻小，反向电阻大，且两者相差很大，说明管子是好的。3．用模拟式万用表判断二极管的极性二极管在汽车上的应用二极管在汽车电子电路中的应用较广，可以实现整流、限幅、开关等作用。整流：将交流电转化为直流。例5.11.半波整流2.全波整流例5.2汽车交流发电机专用的三相桥式整流电路由三只正极管和三只负极管组成。正极管的导通条件是：在某一瞬间，与三相绕组中电位最高相连接的正极管导通。负极管的导通条件是：在某一瞬间，与三相绕组中电位最低相连接的负极管导通。三相桥式整流电路设三相绕组输出的电压为三相对称电压，波形如图所示。为便于分析，现将一个周期等分成6个小区间加以说明。在t1~t2内，VD1、VD5导通，U1V1间电压加到负载上。在t2~t3内，VD1、VD6导通，U1W1间电压加到负载上。在t4~t5内，VD2、VD4导通，V1U1间电压加到负载上。在t3~t4内，VD2、VD6导通，V1W1间电压加到负载上。按照正极管VD1—VD2—VD3、负极管VD5—VD6—VD4的顺序轮流导通，在负载端便得到一个较平稳的直流电压。电压波形如图所示。二、特殊二极管1.光电二极管其符号如下图所示利用这一特性可以将许多光电二极管组成光电板，作为电源使用，称为太阳能电池。另外，光电二极管在汽车上作为光信号检测元件得到了广泛的应用。反向电流的数值随着光照的增强而上升。无光照时，反向电流很小；有光照时，反向电流急剧增加，且光照的越强，反向电流越大。图5.11光电二极管的符号图5.12日照强度传感器的结构和等效电路如图5.12是汽车自动空调系统中使用的日照强度传感器的结构和等效电路2.发光二极管发光二极管的外形和符号有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，但正向电压较一般二极管高为1.5~3V，电流较小为几~十几mA发光二极管具有体积小、反应快、光度强、寿命长等优点，在汽车电路中得到广泛应用。如安装在汽车组合仪表盘上各种指示灯、报警灯都是发光二极管组成的。汽车上的液面检测报警电路报警灯液位传感器永久磁铁是浮子舌簧管是静止的在液位正常时，舌簧管触点断开，报警灯不发光。当液位低于规定值时，磁铁浮子下移到舌簧管中部，在磁场作用下触点闭合，报警灯电路接通而发光报警。3.稳压管符号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，利用该特性，稳压管在电路中可起稳压作用。UIOUZIZIZMUZIZ①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稳定电流IZ、最大稳定电流IZM稳定电流是指稳压管的稳定电压所对应的电流值最大稳定电流是指稳压管反向击穿后允许流过的最大电流值。使用时要加限流电阻。③动态电阻ZZZIUrrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压管的主要参数①稳压电路汽车仪表电路的稳压电路由稳压管和限流电阻串联组成。其中稳压管与负载电路并联，以便发挥稳压作用。稳压电路的稳压原理是：当蓄电池电压上升时，稳压管的反向电压略有增大，根据反向击穿特性可知，其反向电流大大增加。这将引起限流电阻的电流和电压增加，若电阻选择合适，则其电压的增量将抵消掉蓄电池电压的增量，使仪表上的电压基本不变。相反，当蓄电池电压减小时，限流电阻上的电压减小，保证了仪表上的电压基本不变。稳压管在汽车上的应用②限幅电路在图中，稳压管VZ2为限幅二极管，在电路中起限制电压幅度的作用。其工作原理是：当电路开关S接通时，在电压调节器两端会产生瞬间高压，稳压管反向击穿导通，将电压限制在一定范围内，避免了瞬间高压损坏电压调节器。任务三晶体管一、晶体管的认识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PNP型基区：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：面积最大三极管的放大原理ICUBBmAARBIBUCC––++mAIERPVT发射结正偏、集电结反偏实验线路（1）三极管放大的外部条件IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05结论:1）电流关系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为三极管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。（2）.各电极电流关系及电流放大作用3.三极管的输入输出特性即管子各电极电压与电流的关系曲线，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线ICUBBmAAVUCEUBERBIBUCCV++––––++三极管特性实验电路输入回路输出回路共发射极电路常数CE)(BEBUUfI死区电压正常工作时发射结电压：硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE0.2~0.3V硅Uth=0.5V,锗Uth=0.1V。IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO（1）.输入特性36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区A.放大区在放大区有IC=IB，也称为线性区。在放大区，发射结正偏、集电结反偏，三极管工作于放大状态。常数B)(CECIUfI输出特性曲线通常分三个工作区：40A60A80A100AIB=020A在放大区有恒流特性。（2）.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912OB.截止区在截止区有IB=0，IC=IE0。在截止区发射结、集电结均反偏，三级管工作于截止状态。饱和区截止区C.饱和区在饱和区，发射结、集电结均正偏，三级管工作于饱和状态。深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。UCE=UBE在饱和区，IC≠IB例:试根据图示中管子的对地电位，判断各管是硅管还是锗