第6章 半導體器件及其應用課件

汽車電工電子

技術(shù)基礎(chǔ)

劉春暉劉寶君主編張斌副主編高職高專基于能力本位“十二五”規(guī)劃教材

（汽車檢測與維修專業(yè)）ISBN978-7-111-38450-2

機械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS目錄前言第一章直流電路第二章電磁現(xiàn)象及其應用第三章正弦交流電路第四章電工測量及安全用電第五章電動機與發(fā)電機第六章半導體器件及應用第七章汽車常用電子電路第八章數(shù)字電路基礎(chǔ)參考文獻第6章半導體器件及其應用6.1半導體基礎(chǔ)知識

6.2二極管

6.3汽車上常用的二極管

6.4光電器件

6.5晶體管

6.6半導體管的開關(guān)特性6.7晶閘管6.1半導體基礎(chǔ)知識6.1.1半導體半導體：介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、硒等摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(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：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。6.1.2本征半導體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，稱為本征半導體。本征硅的晶體結(jié)構(gòu)圖共價健

+4

+4

+4

+4價電子本征硅的結(jié)構(gòu)平面圖共有價電子所形成的束縛作用稱為共價鍵

+4

+4

+4

+4價電子空穴自由電子

共價鍵中的少量價電子在溫度升高或受光照后，會獲得足夠的動能，將掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子移動過來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴。如此繼續(xù)下去，形成了空穴運動。

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：電子電流和空穴電流

自由電子和空穴都稱為載流子。

本征半導體中有兩種載流子（自由電子和空穴）同時參與導電，這是本征半導體區(qū)別于金屬導體的一個重要特性，此特性稱為它的導電機理。注意：

在常溫下，本征半導體中載流子很少，其導電性能很差。為了提高其導電性能，通常將其制成雜質(zhì)半導體。

6.1.3雜質(zhì)半導體

在本征半導體中摻入微量的有用雜質(zhì)形成的半導體。

（1）P型半導體

摻入三價元素

+4

+4+4

+4空穴+3硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子?？昭▽щ姵蔀檫@種半導體的主要導電方式，也稱為空穴型半導體。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子自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子型半導體。摻入五價元素自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。（2）N型半導體

自由電子空穴對

綜上所述，無論是P型還是N型半導體，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體性能的一個重要因素。

由于雜質(zhì)半導體具有良好的導電性，在實際中常用來生成PN結(jié)。PN結(jié)具有單一型半導體（P型或N型）所不具備的新特性，利用此特性制造出了各種半導體器件，推動了電子技術(shù)的發(fā)展。6.1.4PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮型半導體N型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－空穴自由電子負離子正離子PN結(jié)自由電子空穴在雜質(zhì)半導體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1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負

外電場IF

PN結(jié)處于導通狀態(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。2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+

P接負、N接正

PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）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、N接正

–+

PN結(jié)處于截止狀態(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?.PN結(jié)的結(jié)電容PN結(jié)的結(jié)構(gòu)類似平板電容器相當于導體相當于導體相當于介質(zhì)相當于介質(zhì)相當于存儲電荷結(jié)電容數(shù)值很小，在低頻電路中，相當于開路，不用考慮其影響，但在高頻電路中，容抗很小，對PN結(jié)的電流有影響，必須加以考慮。

P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－PN結(jié)N型半導體6.2二極管6.2.1結(jié)構(gòu)和分類負極正極符號VDPN正極負極外殼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）普通管和特殊管下頁負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型鍺片負極引線外殼(

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0.6~0.8V鍺0.2~0.3V6.2.2二極管的伏安特性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?，甚至過熱而燒壞。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fM6.2.3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。當工作頻率過高時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫蜁儾?，甚至失去單向?qū)щ娦?。點接觸型鍺管其最高工作頻率可達幾百兆赫，而面接觸型硅整流管，其最高工作頻率只有三千赫。1.二極管極性的識別（1）一般情況下，可通過管殼上的標記確定。有色環(huán)的二極管，色環(huán)所在的一端為負極；帶色點的二極管，色點所在的一端為正極。（2）無標記的二極管，可通過萬用表來判斷正負極。正負極的確定是利用了二極管正向電阻小、反向電阻大的特點。將萬用表撥到R×1k檔，用表筆分別接觸二極管的兩極，測出兩個電阻值。在所測得阻值較小的一次，與6.2.4二極管的簡單測試黑表筆相接的一端為正極。同理，在所測得阻值較大的一次，與黑表筆相接的一端為負極，如圖所示。上述檢測使用的是指針式萬用表，實際上也可使用數(shù)字萬用表。如果用數(shù)字萬用表，表筆情況正好相反，即在所測得阻值較小的一次，與黑表筆相接的一端為二極管負極。同理，在所測得電阻值較大的一次，與黑表筆相接的是二極管正極。利用萬用表還可以判斷二極管的好壞。如果測得的正、反向電阻值均很小，說明二極管內(nèi)部短路；若正、反向電阻值均很大，說明二極管內(nèi)部開路，這兩種情況下，二極管就不能使用了。

2.二極管好壞的識別以上是普通二極管的檢測方法，汽車交流發(fā)電機上的整流二極管就可以按照上述方法進行檢測。操作：用萬用表檢測汽車交流發(fā)電機整流板上的正極管、負極管。1.整流電路由三只正極管和三只負極管組成。正極管的導通條件是：在某一瞬間，與三相繞組中電位最高相連接的正極管導通。

負極管的導通條件是：在某一瞬間，與三相繞組中電位最低相連接的負極管導通。

三相橋式整流電路6.3汽車上常用的二極管符號

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。UIOUZIZIZMUZ

IZ（1）穩(wěn)壓管的特性6.3.2穩(wěn)壓管①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。②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。③動態(tài)電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。（2）主要參數(shù)①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。（3）穩(wěn)壓管在汽車電子電路中的應用6.4光電器件6.4.1發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光二極管（LED，Light-EmittingDiode)是由半導體砷、磷、鎵及其化合物制成的一種電子器件①可見光發(fā)光二極管可用于數(shù)字、字符顯示器件，或電子儀器、儀表指示器等。這類二極管具有亮度強、清晰度高、電壓低（1.5～3V）、反應快、體積小、壽命長等特點。在汽車上用LED作指示燈、報警燈、組合儀表顯示、故障代碼顯示等。②紅外線發(fā)光二極管可用于光電耦合器、紅外線遙控裝置等。③激光發(fā)光二極管可用于小功率光電設備中，如計算機上的光盤驅(qū)動器、激光打印機中的打印頭等。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。6.4.2光敏（電）二極管光敏（電）二極管是一種能夠?qū)崿F(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的二極管，利用半導體的光敏特性制造而成。圖6-19光敏（電）二極管的結(jié)構(gòu)1—玻璃透鏡2—管芯3—管殼4—陶瓷管座5—引線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??；有光照時，反向電流急劇增加，且光照的越強，反向電流越大。

日照強度傳感器在空調(diào)自動控制系統(tǒng)中是一個日照強度檢測元件，它通過光電二極管檢測日光照射量的變化，并把這種變化轉(zhuǎn)換成電流值輸出。車內(nèi)空調(diào)計算機對這種變化進行檢測，并根據(jù)電流的變化情況控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)排風口的風量和溫度，達到調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度的目的。汽車光電式點火信號發(fā)生器原理圖

主要由發(fā)光二極管、光電二極管和遮光轉(zhuǎn)子組成。發(fā)光二極管通入電流后產(chǎn)生光源，光電二極管受光后產(chǎn)生電壓，遮光轉(zhuǎn)子有與氣缸數(shù)相對應的缺口，光源照射到光電二極管的光線受轉(zhuǎn)動的遮光轉(zhuǎn)子控制。

當遮光轉(zhuǎn)子隨分電器軸轉(zhuǎn)動時，遮光轉(zhuǎn)子缺口周期性地通過光線，使光電二極管周期性受光，光電二極管便產(chǎn)生了與曲軸位置相對應的電壓脈沖，即點火觸發(fā)信號。

6.4.3光敏三極管6.4.4光耦合器光耦合器是一種把發(fā)光管與光敏管封裝在一起的光電器件。它用輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，照射光敏二極管或光敏三極管而產(chǎn)生光電流，轉(zhuǎn)換成電信號，然后送給負載，這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用圖6-25光傳感器a）三極管型b）達林頓型c）槽型光電傳感器

6.5三極管6.5.1結(jié)構(gòu)與類型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型總目錄上頁章目錄下頁返回基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(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6.5.2晶體三極管的電流分配和放大作用1．晶體三極管的工作電壓欲使三極管起放大作用，除了其本身結(jié)構(gòu)外，還需要一個外部條件，即必須在發(fā)射結(jié)加正向電壓，在集電結(jié)加反向電壓

圖6-28三極管的接法a)NPN型b)PNP型2．晶體三極管的電流分配圖6-29三極管電流放大實驗電路三極管的電流分配關(guān)系是：發(fā)射極電流等于集電極電流和基極電流之和由于Ib＜＜Ic，可忽略，即

3．晶體三極管的放大特性當基極電流Ib有個很小的變化△Ib時，會引起集電極電流Ic的很大變化△Ic。三極管的這種以“小變化的基極電流Ib控制大變化的集電極電流Ic”的性能，稱為“三極管的電流放大特性”。三極管電流放大的實質(zhì)是“以小帶大；以小控大”，并非真正放大。4．晶體三極管的基本連接方式放大器應有四個端子，用來分別接通輸入信號和輸出信號。由于三極管只有三個電極，所以用三極管作放大器時，必須有一個電極作為輸入和輸出信號的公共端。

圖6-30三極管的三種連接方式a）共發(fā)射極電路b）共基極電路c）共集電極電路

注意：公共端是指交流信號的公共端，分析時要把電源和電容器視為短路。6.5.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線2．輸出特性曲線圖6-32三極管的輸出電路與輸出特性曲線a）輸出電路b）輸出特性曲線1）放大區(qū)2）截止區(qū)3）飽和區(qū)圖6-33截止狀態(tài)的三極管等效為斷開的開關(guān)圖6-34飽和狀態(tài)的三極管等效為閉合的開關(guān)

三極管不僅具有放大作用，而且還具有開關(guān)作用。要使三極管起放大作用，必須使其工作在放大區(qū)，三極管截止相當于開關(guān)斷開，三極管飽和相當于開關(guān)接通。

4）三極管的電子開關(guān)作用實例直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當晶體管接成發(fā)射極電路時，

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。6.5.4晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120在Q1點，有由Q1和Q2點，得Q1Q2在以后的計算中，一般作近似處理：=。2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。4.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。

當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.

集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO6.5.5三極管管型和管腳的判別判定的方法：主要有目測法和萬用表檢測法，實際工作中優(yōu)先采用目測法，在目測不能做出準確判斷時，再用萬用表進行檢測。

（1）管型的判別

根據(jù)三極管型號的命名方法確定。見下頁表注意：國內(nèi)常見的三級管還有一些以數(shù)字命名的，如9011~9018。9011、9013、9014、9016、9018為NPN硅管9012、9015為PNP硅管1.目測法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用阿拉伯數(shù)字表示器件的電極數(shù)目用漢語拼音字母表示器件的材料和極性用漢語拼音字母表示器件的類別用阿拉伯數(shù)字表示序號用漢語拼音字母表示規(guī)格號符號意義符號意義符號意義3三極管ABCDEPNP型鍺材料NPN型鍺材料PNP型硅材料NPN型硅材料化合物XGDATUKGS低頻小功率管高頻小功率管低頻大功率管高頻大功率管晶閘管光電管開關(guān)管場效應管如：130如：B三極管型號命名方法（GB249-89）（2）管腳的判別小功率(PCM≤1W)管：金屬圓殼封裝：管腳向上，它們組成半圓位于上部，按順時針方向依次為ebc。

塑料半圓柱封裝：頭在上，平面向自己，左起ebc。大功率(PCM＞1W)管：電極靠近孔，左起ecb。其中c是金屬外殼。（2）判別基極

（1）將指針式萬用表置歐姆檔R×100或R×1k，將兩表筆短接調(diào)零。

用黑表筆接三級管的某一電極，用紅表筆分別接另外兩個電極，若測得電阻都較?。s為幾百歐至幾千歐），則與黑表筆相接的電極為基極，同時可知為NPN管。如果電阻不是都小，則換電極重新檢測，直到兩次電阻值都很小為止。

如果用黑表筆接觸三級管的某一電極，而紅表筆分別接另外兩個電極時，測得電阻都較大（約為幾百千歐以上），則與黑表筆相接的電極為基極，同時可知為PNP管。2.用萬用表電阻擋判別（3）判別集電極和發(fā)射極

對NPN管，基極確定后，假定其余兩電極中的一個為集電極，將黑表筆接到該電極上，紅表筆接到假定的發(fā)射極上。用手指把假定的集電極和已測出的基極捏起來（但不要相碰），記下電阻讀數(shù)；再將表筆對調(diào)，記下電阻讀數(shù)。比較兩次讀數(shù)，阻值較小時黑表筆所接的電極是集電極，余下的電極為發(fā)射極。

對PNP管，方法同NPN管，只需將表筆對調(diào)即可即紅表筆接的是集電極，而黑表筆接的是發(fā)射極。注意：數(shù)字式萬用表的正極與表內(nèi)電源正極相連，負極與表內(nèi)電源負極相連；而指針式萬用表的正極是與表內(nèi)電源負極相連的，負極是與表內(nèi)電源正極相連的。因此，當用數(shù)字式萬用表檢測晶體管時，判定結(jié)果與指針式正好相反。

另外，在有些萬用表（部分指針式和所有數(shù)字式）上，具有hFE擋，利用之一功能也可確定三極管的電極。方法是：將萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到hFE擋，再把三級管的三個電極插入e、b、c插孔中，若能讀出放大倍數(shù)，則插孔中的三個電極分別是e、b、c

。6.5.6功率三極管1．大功率三極管大功率三極管分為金屬殼封裝和塑料封裝兩種。在汽車電子控制單元中應用較多的是塑料封裝的產(chǎn)品，因用途及要求不同而具有多種封裝形式

圖6-38常見大功率三極管外形2．達林頓三極管為了提高大功率三極管的電流放大系數(shù)，將兩只或多只三極管的集電極連接在一起，將第一只三極管的發(fā)射極直接接到第二只三極管的基極，依次級連復合而成，引出E、B、C三個電極，這種三極管稱為達林頓管（復合三極管）。圖6-39達林頓管內(nèi)部電路

圖6-40達林頓管的改進型電路

6.6晶體管的開關(guān)特性6.6.1二極管的開關(guān)特性二極管在正向電壓作用下導通，在反向電壓作用下截止，這相當于開關(guān)的閉合和斷開。可見，二極管具有開關(guān)特性。二極管開關(guān)只能近似于理想開關(guān)。但較之機械開關(guān)，二極管開關(guān)具有動作時間短、使用頻率高、無觸點等優(yōu)點。因此，在數(shù)字電路中，經(jīng)常用二極管作開關(guān)器件。6.6.2限幅器和鉗位器限幅器也稱削波器，用來削去部分輸出波形，以限制輸出波形的幅度。鉗位器是將輸出波形的頂部或底部鉗制在規(guī)定的電平上，而原來的波形基本不變。1．限幅器圖6-42串聯(lián)下限幅器a）電路b）輸入信號波形c）輸出信號波形圖6-43并聯(lián)下限幅器a）電路b）輸入信號波形c）輸出信號波形2．鉗位器圖6-44鉗位器電路及波形a）電路b）輸入信號波形c）輸出信號波形6.6.3三極管的開關(guān)特性三極管具有飽和、放大、截止三種工作狀態(tài)。當三極管在飽和和截止狀態(tài)下交替工作時，三