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1、汽車電工電子技術(shù)汽車電工電子技術(shù) 下篇下篇 電子技術(shù)電子技術(shù) 第第6 6章章 半導體器件及其應(yīng)用半導體器件及其應(yīng)用 典型的元素半導體有典型的元素半導體有硅硅Si和和鍺鍺Ge ,此外,還,此外,還 有化合物半導體有化合物半導體砷化鎵砷化鎵GaAs等。等。 導導 體體:導電能力良好的物體,如銀、銅、鐵等。:導電能力良好的物體,如銀、銅、鐵等。 絕緣體絕緣體:不能導電或?qū)щ娔芰懿畹奈矬w,如橡:不能導電或?qū)щ娔芰懿畹奈矬w,如橡 膠、陶瓷、玻璃、塑料等。膠、陶瓷、玻璃、塑料等。 半導體半導體:導電性能介于導體和絕緣體之間的物體。:導電性能介于導體和絕緣體之間的物體。 共價健共價健 Si Si Si
2、Si 價電子價電子 Si Si Si Si 價電子價電子 價電子在獲得一定能量(溫價電子在獲得一定能量(溫 度升高或受光照)后,即可掙度升高或受光照)后,即可掙 脫原子核的束縛,成為脫原子核的束縛,成為自由電自由電 子子(帶負電),同時共價鍵中(帶負電),同時共價鍵中 留下一個空位,稱為留下一個空位,稱為空穴空穴(帶(帶 正電)。正電)。 空穴空穴 自由電子自由電子 當半導體兩端加上外電壓時,在半導體中將出當半導體兩端加上外電壓時,在半導體中將出 現(xiàn)兩部分電流現(xiàn)兩部分電流 在本征半導體內(nèi),自由電子和空穴總是成對出在本征半導體內(nèi),自由電子和空穴總是成對出 現(xiàn)的。在任何時候,本征半導體中的自由電子
3、和空現(xiàn)的。在任何時候,本征半導體中的自由電子和空 穴數(shù)總是相等的。穴數(shù)總是相等的。 注意:注意: Si Si Si Si p+ 多多 余余 電電 子子 磷原子磷原子 在常溫下即可在常溫下即可 變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮?失去一個失去一個 電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)?正離子正離子 在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素)在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素), , 形成雜質(zhì)半導體。形成雜質(zhì)半導體。 在在N N 型半導體中自由電子型半導體中自由電子 是多數(shù)載流子,空穴是少數(shù)是多數(shù)載流子,空穴是少數(shù) 載流子。載流子。 Si Si Si Si B 硼原子硼原子 空穴空穴 多子的擴散運動多子的擴散運動 內(nèi)電場內(nèi)電
4、場 少子的漂移運動少子的漂移運動 濃度差濃度差 擴散的結(jié)果使擴散的結(jié)果使 空間電荷區(qū)變寬??臻g電荷區(qū)變寬。 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 也稱也稱 PN 結(jié)結(jié) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū) PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 外電場外電場 IF 內(nèi)電場內(nèi)電場 PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 內(nèi)電場被加內(nèi)電場被加 強,少子的漂強,少子的漂 移加強,由于移加強,由于 少子數(shù)量很少,少子數(shù)量很少, 形成很小的反形成很小的反 向電流。向電流。IR + 金屬觸絲金屬觸絲 陽極引線
5、陽極引線 N型鍺片型鍺片 陰極引線陰極引線 外殼外殼 ( a ) 點接觸型點接觸型 鋁合金小球鋁合金小球 N型硅型硅 陽極引線陽極引線 PN結(jié)結(jié) 金銻合金金銻合金 底座底座 陰極引線陰極引線 ( b ) 面接觸型面接觸型 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號 陰極陰極陽極陽極 符號符號 D 反向擊穿反向擊穿 電壓電壓U U(BR) (BR) 導通電壓導通電壓 反向擊穿特性反向擊穿特性 1.1.正向特性正向特性 2.2.反向特性反向特性 U I 死區(qū)死區(qū) P N + P N + 反向電流在反向電流在 一定電壓范一定電壓范 圍內(nèi)保持圍內(nèi)保持 常數(shù)。常數(shù)。 門限電壓或閥電壓門限電壓或閥電
6、壓 硅管硅管0.5V,0.5V, 鍺管鍺管0.1V0.1V。 Uth 1.1.正向特性正向特性: : 非線性。非線性。 U=0,I=0U=0,I=0。U U較小時,較小時,I I很很 小幾乎為零。此段曲線稱為小幾乎為零。此段曲線稱為死區(qū)死區(qū)。 U UUUthth( (稱門限電壓或閾值電壓稱門限電壓或閾值電壓) ),I I隨隨U U幾乎作幾乎作 線性增長。把線性增長。把I I隨隨U U作線性增長時對應(yīng)的電壓稱為作線性增長時對應(yīng)的電壓稱為 導通電壓,用導通電壓,用U UF F表示。表示。 2.2.反向特性反向特性: :二極管加反電壓向,有反向電流二極管加反電壓向,有反向電流I IR R。 3.3.
7、反向反向特性:特性:反電壓向增至反電壓向增至U UBRBR時,反向電流時,反向電流I IR R 激增,二極管擊穿。激增,二極管擊穿。 V sin18 i tu t 6.2.4 6.2.4 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用 直流穩(wěn)壓電源的原理方框圖直流穩(wěn)壓電源的原理方框圖 功能:功能:把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適 的直流電壓的直流電壓 u4 uo u3u2 u1 整流電路整流電路 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。 半波、全波、橋式和倍壓整流;單相和三相整流半波、全波、橋式和倍壓整流;單相和三相整流 等。等。 二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻?/p>
8、無窮大。二極管的正向?qū)娮铻榱?,反向電阻為無窮大。 利用二極管的單向?qū)щ娦岳枚O管的單向?qū)щ娦?t uD O u 負半周,負半周,Va E1 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 用于自動頻率控制用于自動頻率控制(AFC)和調(diào)諧用的小功率二極管稱和調(diào)諧用的小功率二極管稱 變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管符號如圖所示。通過施加反向電變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管符號如圖所示。通過施加反向電 壓,壓, 使其使其PN結(jié)的靜電容量發(fā)生變化,因此,常用于自動結(jié)的靜電容量發(fā)生變化,因此,常用于自動 頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。 變?nèi)荻O管符號變?nèi)荻O管符號 NNP B E C B E C
9、 IB IE IC B E C IB IE IC 小功率管 塑封管 硅銅塑封三極管 B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO IC IB B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 常常數(shù)數(shù) CE )( BEB U UfI IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 UCE 1V O UCE=0的特性與二的特性與二 極管的正向特性相似。極管的正向特性相似。 UCE特性右移。特性右移。 三極管的門值電壓:三極管的門值電壓: IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 常數(shù)常數(shù) B )( CEC
10、I UfI 36 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 912 O 放大區(qū)放大區(qū) O B C I I _ B C I I ICBO A + EC A ICEO IB=0 + 2.4.1 半導體三極管使用基本知識半導體三極管使用基本知識 一、外型及引腳排列一、外型及引腳排列 E B C E B C E B C BE C 第第2章章 二、萬用表檢測晶體三極管的方法二、萬用表檢測晶體三極管的方法 1. 根據(jù)外觀判斷極性根據(jù)外觀判斷極性 3. 用萬用表電阻擋測量三極管的好壞用萬用表電阻擋測量三極管的好壞 PN結(jié)正偏時電阻值較小結(jié)正偏時電阻值較小(幾千歐以下幾千歐以下) 反偏時電阻值較大反偏時電
11、阻值較大(幾百千歐以上幾百千歐以上) 指針式萬用表指針式萬用表 在在 R 1k 擋進行測量擋進行測量 紅紅表筆是表筆是(表內(nèi)表內(nèi))負極負極 , 黑黑表筆是表筆是(表內(nèi)表內(nèi))正極正極注意事項注意事項: 測量時手不要接觸引腳測量時手不要接觸引腳 1k B E C 1k B E C 2. 插入三極管擋插入三極管擋(hFE),測量,測量 值或判斷管型及管腳值或判斷管型及管腳 第二章第二章 半導體三極管半導體三極管 三、晶體三極管的選用三、晶體三極管的選用 1. 根據(jù)電路工作要求選擇高、低頻管根據(jù)電路工作要求選擇高、低頻管 2. 根據(jù)電路工作要求選擇根據(jù)電路工作要求選擇PCM、 ICM 、 U(BR)C
12、EO 應(yīng)保證:應(yīng)保證: 3. 一般三極管的一般三極管的 值在值在40100之間為好之間為好, 9013、9014等等 低噪聲、高低噪聲、高 的管子不受此限制的管子不受此限制. 4. 穿透電流穿透電流 ICEO越小越好,硅管比鍺管的小越小越好,硅管比鍺管的小 數(shù)字萬用表數(shù)字萬用表 1. 可直接用電阻擋的可直接用電阻擋的PN結(jié)擋分別測量結(jié)擋分別測量判斷判斷兩個結(jié)兩個結(jié) 的的好壞好壞 注意事項注意事項: 紅紅表筆是表筆是(表內(nèi)表內(nèi))正極正極 , 黑黑表筆是表筆是(表內(nèi)表內(nèi))負極負極 NPN和和PNP管分別按管分別按EBC排列插入不同的孔排列插入不同的孔 需要準確需要準確測量測量 值時,應(yīng)先進行校正值
13、時,應(yīng)先進行校正 2. 插入三極管擋插入三極管擋(hFE),測量,測量 值或判斷管型及管腳值或判斷管型及管腳 PC PC ICM C U( (BR)CEO C 第二章第二章 半導體三極管半導體三極管 7、三極管的檢測方法、三極管的檢測方法 1)、用指針式萬用表判斷晶體三極管好壞及判別三極)、用指針式萬用表判斷晶體三極管好壞及判別三極 管的管的e、 b、c電極電極 三極管的管腳必須正確辨認,否則,接入電路不但 不能正常工作,還可能燒壞晶體管。己知三極管類型及 電極,指針式萬用表判別晶體管好壞的方法如下: 測 NPN 三極管:將萬用表歐姆擋置 R 100 或 R lk 處,把黑表筆接在基極上,將紅
14、表筆先后接在其 余兩個極上,如果兩次測得的電阻值都較小,再將紅表 筆接在基極上,將黑表筆先后接在其余兩個極上,如 果兩次測得的電阻值都很大,則說明三極管是好的。 測 PNP 三極管:將萬用表歐姆擋置 R 100 或 R lk 處,把紅表筆接在基極上,將黑表筆先后接 在其余兩個極上,如果兩次測得的電阻值都較小, 再將黑表筆接在基極上,將紅表筆先后接在其余兩 個極上,如果兩次測得的電阻值都很大,則說明三 極管是好的。 當三極管上標記不清楚時,可以用萬用表來初步確定 三極管的好壞及類型 (NPN 型還是 PNP 型 ),并辨別 出e、b、c三個電極。測試方法如下 : 用指針式萬用表判斷基極 b 和三
15、極管的類型:將萬 用表歐姆擋置 R 100 或Rlk 處,先假設(shè)三極管 的某極為基極,并把黑表筆接在假設(shè)的基極上,將紅表 筆先后接在其余兩個極上,如果兩次測得的電阻值都很 小(或約為幾百歐至幾千歐 ),則假設(shè)的基極是正確的,且 被測三極管為 NPN 型管;同上,如果兩次測得的電阻值 都很大( 約為幾千歐至幾十千歐 ), 則假設(shè)的基極是正 確的,且被測三極管為 PNP 型管。如果兩次測得的電阻 值是一大一小,則原來假設(shè)的基極是錯誤的,這時必須重 新假設(shè)另一電極為基極,再重復(fù)上述測試。 判斷集電極c和發(fā)射極e:仍將指針式萬用表歐姆擋置 R 100或R 1k 處,以NPN管為例,把黑表筆接 在假設(shè)的
16、集電極c上,紅表筆接到假設(shè)的發(fā)射極e上,并 用手捏住b和c極 ( 不能使b、c直接接觸 ), 通過人體 , 相當 b 、 C 之間接入偏置電阻 , 如圖 1-12(a) 所示。 讀出表頭所示的阻值 , 然后將兩表筆反接重測。若第 一次測得的阻值比第二次小 , 說明原假設(shè)成立 , 因為 c 、 e 問電阻值小說明通過萬用表的電流大 , 偏置正 常。其等效電路如圖1-12(b) 所示 , 圖中VCC 是表內(nèi) 電阻擋提供的電池 ,R為表 內(nèi)阻 ,Rm 為人體電阻。 圖圖 1-12 用指針萬用表判別三極管用指針萬用表判別三極管 c 、 e 電極電極 1. 1. 基本電壓放大電路基本電壓放大電路 滿足放
17、大條件的三種電路滿足放大條件的三種電路 uiuo CE B E C B ui uo E C B ui uo 共發(fā)射極共發(fā)射極共集電極共集電極 共基極共基極 實現(xiàn)電路實現(xiàn)電路 ui uo RB RC uo ui RC RE 第二章第二章 半導體三極管半導體三極管 三極管的三種基本連接方式三極管的三種基本連接方式 共發(fā)射極 共基極 共集電極 2 2)放大電路的基本組成)放大電路的基本組成 EC RS es RB EB RC C1 C2 T + + + RL + + ui + uo + + uBE uCE iC iB iE EC RS es RB EB RC C1 C2 T + + + RL + +
18、 ui + uo + + uBE uCE iC iB iE 1. 電路組成電路組成及元件作用及元件作用 輸入回路(基極回路)輸入回路(基極回路)輸出回路(集電極回路)輸出回路(集電極回路) 3.2 共共 射極放射極放 大電路大電路 +UCC RS es RB RC C1 C2 T + + + RL ui + uo + + uBE uCE iC iB iE EC RS es RB EB RC C1 C2 T + + + RL + + ui + uo + + uBE uCE iC iB iE UBEIB IC UCE 無輸入信號無輸入信號(ui = 0)時時: ui = 0時時 uo = 0 uB
19、E = UBE uCE = UCE +UCC RB RC C1 C2 T + + ui + uo + + + uBE uCE iC iB iE uBE t O iB t O iC t O uCE t O IC UCE O IB UBE O 結(jié)論:結(jié)論: Q IB UBE Q UCE IC UBEIB 無輸入信號無輸入信號(ui = 0)時時: uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE ? uCE = UCC iC RC ui 0 uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo IC +UCC RB RC C1 C2 T + + ui + uo + + + uBE
20、uCE iC iB iE uBE t O iB t O iC t O uCE t O ui t O UCE uo t O + 集電極電流集電極電流 直流分量直流分量 交流分量交流分量 動態(tài)分析動態(tài)分析 iC t O iC t IC O iC t ic O 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 ui t O uo t O 直流通路直流通路 ( IB 、 IC 、 UCE ) 對直流信號電容對直流信號電容 C 可看作開路(即將電容斷開)可看作開路(即將電容斷開) 斷開斷開 斷開斷開 +UCC RB RC T + + UBE UCE IC IB IE +UCC RS es RB RC C1 C2 T + + + RL
21、ui + uo + + uBE uCE iC iB iE RB RC ui uORL RS es + + + XC 0,C 可看作可看作 短路。忽略電源的內(nèi)短路。忽略電源的內(nèi) 阻,電源的端電壓恒阻,電源的端電壓恒 定,直流電源對交流定,直流電源對交流 可看作短路??煽醋鞫搪?。 短路短路 短路短路 對地短路對地短路 +UCC RS es RB RC C1 C2 T + + + RL ui + uo + + uBE uCE iC iB iE 放大電路無信號輸入(放大電路無信號輸入(ui = 0)時的工作狀態(tài)。)時的工作狀態(tài)。 估算法、圖解法。估算法、圖解法。 各極電壓電流的直流分量。各極電壓電流的
22、直流分量。 放大電路的直流通路。放大電路的直流通路。 (1) 靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點Q:IB、IC、UCE 。 靜態(tài)分析:靜態(tài)分析:確定放大電路的靜態(tài)值。確定放大電路的靜態(tài)值。 B BECC B R UU I 所所以以 B CC B R U I 根據(jù)電流放大作用根據(jù)電流放大作用 CEOBC III BB II 當當UBE UBE ; . 近于正比關(guān)系:近于正比關(guān)系: IC= IB , O R RC C R RC C 故飽和條件是故飽和條件是: / 晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流 (a)放大放大 + UBE 0 IC IB + UCE UBC 0 + (b)截止截止
23、IC 0 IB = 0 + UCE UCC UBC 0 IB + UCE 0 UBC 0 + C CC C R U I 當晶體管飽和時,當晶體管飽和時, UCE 0,發(fā)射極與集電極之,發(fā)射極與集電極之 間如同一個開關(guān)的接通,其間電阻很小;當晶體管間如同一個開關(guān)的接通,其間電阻很??;當晶體管 截止時,截止時,IC 0 ,發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān),發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān) 的斷開,其間電阻很大,可見,的斷開,其間電阻很大,可見,晶體管除了有放大晶體管除了有放大 作用外,還有開關(guān)作用。作用外,還有開關(guān)作用。 O = EOUCE UCC UBE0或加反向偏置。或加反向偏置。 輸出特性三個區(qū)
24、域的特點輸出特性三個區(qū)域的特點: 放大區(qū):放大區(qū):.發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。即:即: UCE=UCCICRC ; UCE UBE ; .IC= IB , 且且 IC = IB (2) 飽和區(qū):飽和區(qū):發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏。 即:即: IC UCCRC , UCE UBE , IBIC,UCE 0.3V 0; (3) 截止區(qū):截止區(qū):發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏。 UBEuC時,二極管導通,電源在給負載時,二極管導通,電源在給負載RL供電的供電的 同時也給電容充電,同時也給電容充電, uC 增加,增加,uo= uC 。 C C +
25、 C ic i + a D uou b RL io = uC 二極管承受的最高反向電壓為二極管承受的最高反向電壓為 。 UU22 DRM 動畫動畫 uo U2 U2 u t O t O 1.4.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管簡稱發(fā)光二極管簡稱LED,它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半,它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半 導體器件。導體器件。 發(fā)光二極管的符號如圖所示。發(fā)光二極管的符號如圖所示。 發(fā)光二極管常用于作為顯示器件,發(fā)光二極管常用于作為顯示器件, 可單個使用,也可作成可單個使用,也可作成7段式或矩段式或矩 陣式,工作時加正向電壓,并接入陣式,工作時加正向電壓,并接入 相應(yīng)的限流電阻,工作電流
26、一般為相應(yīng)的限流電阻,工作電流一般為 幾毫安到幾十毫安,正向?qū)〞r的幾毫安到幾十毫安,正向?qū)〞r的 管壓降為管壓降為1.82.2V。 + + 發(fā)光二極管符號發(fā)光二極管符號 1.4.3 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管又稱為光電二極管,它是將光能轉(zhuǎn)換為電能的光敏二極管又稱為光電二極管,它是將光能轉(zhuǎn)換為電能的 半導體器件。半導體器件。 其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似,只是在管殼上留有一個能使其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似,只是在管殼上留有一個能使 光線照入的窗口。其符號如圖光線照入的窗口。其符號如圖所所示。示。 光敏二極管符號光敏二極管符號 光敏二極管的特性曲線光敏二極管的特性曲線 EC RS es RB EB RC C1 C2 T + + + RL + + ui + uo + + uBE uCE iC iB iE 常常數(shù)數(shù) B )( CEC I UfI U
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