汽車電工與電子技術(shù) 課件 項(xiàng)目5 常用半導(dǎo)體器件

項(xiàng)目5常用半導(dǎo)體器件5.1二極管整流電路功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓。5.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(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(shí)，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(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)

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。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子1．本征半導(dǎo)體

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭?/p>

溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：自由電子作定向運(yùn)動(dòng)

電子電流；價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流。注意：

本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。

2．雜質(zhì)半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。3．PN結(jié)（1）半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的兩種運(yùn)動(dòng)——擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：電中性的半導(dǎo)體中，載流子從濃度高的區(qū)域向濃度較低區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用下，載流子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)。

（2）PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)（3）PN結(jié)特性

PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)I

內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結(jié)變寬PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。I

P接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

PN結(jié)正向?qū)?，反向截止，只允許一個(gè)方向的電流通過，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?）PN結(jié)特性5.1.2二極管1．二極管的基本結(jié)構(gòu)2．二極管的伏安特性硅管0.5V鍺管0.2V反向擊穿電壓UBR導(dǎo)通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?。正向特性反向特性硅?.6~0.7V鍺管0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。3．二極管的主要參數(shù)最大整流電流：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。最高反向工作電壓：指允許加在二極管兩端的最高反向電壓。反向電流：在室溫下，二極管加反向電壓未擊穿時(shí)的反向電流值。最高工作頻率：指保證二極管具有單向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。4．特殊半導(dǎo)體二極管（1）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。使用時(shí)要加限流電阻穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

穩(wěn)定電壓UZ

動(dòng)態(tài)電阻

穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZmaxrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。（2）發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一種由磷砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成的將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡(jiǎn)稱LED。發(fā)光二極管的工作電壓在2V以下，其工作電流在幾毫安至十幾毫安。4.1.3整流電路（1）電路工作原理u2正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；u2負(fù)半周，Va<Vb，二極管D截止。1．單相半波整流電路圖4.11(a)單相半波整流電路（2）單相半波整流電路的性能指標(biāo)①輸出電壓平均值②整流管平均整流電流③整流管承受的最大反向電壓（1）電路工作原理2．單相橋式整流電路u2正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。u2負(fù)半周，二極管D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。

單相橋式整流電路的工作波形圖（2）單相橋式整流電路的性能指標(biāo)①輸出電壓平均值②整流管平均整流電流③整流管承受的最大反向電壓3．三相橋式整流電路圖4.15三相橋式整流電路及電壓波形在同一瞬間，只有與電位最低的一相繞組相連的負(fù)極管導(dǎo)通，同樣，只有與電位最高的一相繞組相連的正極管導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)管子將發(fā)電機(jī)的電壓加在負(fù)載兩端。5.1.4濾波電路交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流，其中既有直流成份又有交流成份。濾波原理：濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓（或通過電感中的電流）不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)（或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián)）。1．電容濾波電路

輸出電壓的脈動(dòng)程度與放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)。近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U（

橋式）

Uo

=1.0U（半波）

電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場(chǎng)合。2．電感濾波電路

Uo

=0.9U（

橋式）

Uo

=0.45U（半波）

電感濾波適用于負(fù)載較小、輸出電流較大的場(chǎng)合。3．LC濾波電器4．π型濾波電器4.1.5硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RL(IO)IR

UO

基本不變IR

(IRR)基本不變

UO