第 5 章半导体器件及应用

第5章半导体器件及应用 5.1半导体基础知识 5.2二极管 5.3三极管 5.4三极管基本放大电路 5.5其他半导体器件 5.6集成运算放大器

第5章半导体器件及应用 • 理解半导体的导电特性，PN结的概念及特性； • 掌握二极管的单向导电性、检测方法及在汽车电子电路中的典型应用； • 掌握三极管的伏安特性及管脚的识别，了解其构成的各类放大电路的特点及在汽车中的应用； • 了解其他特种半导体器件的特点及在汽车中的应用。 • 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:

5.1 半导体基础知识 5.1.1 半导体半导体：介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒等热敏性：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)。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)。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）。

+4 +4 价电子 +4 +4 1. 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。共价健本征硅的晶体结构图本征硅的结构平面图共有价电子所形成的束缚作用称为共价键总目录章目录返回上页下页

+4 +4 +4 +4 价电子自由电子共价键中的少量价电子在温度升高或受光照后，会获得足够的动能，将挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。空穴这一现象称为本征激发。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子移动过来填补，而在该原子中出现一个空穴。如此继续下去，形成了空穴运动。总目录章目录返回上页下页

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。总目录章目录返回上页下页

+4 +4 +4 +3 +4 2. 杂质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。自由电子空穴对（1）P型半导体空穴掺入三价元素空穴是多数载流子，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。接受一个电子变为负离子硼原子总目录章目录返回上页下页

+4 +4 +4 +4 +5 自由电子空穴对在常温下即可变为自由电子（2）N型半导体多余电子掺入五价元素自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。磷原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。失去一个电子变为正离子总目录章目录返回上页下页

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。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。由于杂质半导体具有良好的导电性，在实际中常用来生成PN结。 PN结具有单一型半导体（P型或N型）所不具备的新特性，利用此特性制造出了各种半导体器件，推动了电子技术的发展。总目录章目录返回上页下页

PN结 －－－－－－－－－－－－－－－－ + + + + + + + + + + + + + + + + + －－ + + + －－ + + －－内电场 + + －－ 5.1.2 PN结 P 型半导体 N 型半导体负离子正离子空穴自由电子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。总目录章目录返回上页下页

－ + －－－－－ + + + + + － + －－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + 内电场 N P – + 外电场 1.PN结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负 PN 结变窄内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。 IF PN 结处于导通状态总目录章目录返回上页下页

－－－ + + －－－ + + + + －－－ + + －－－ + + + + －－－ + + + －－－ + + + 内电场 P N – + 外电场 2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正总目录章目录返回上页下页

－－ + － + + －－－ + + + －－ + － + + －－－－－ + + + + － + + －－－ + + + P N 内电场 – + 外电场 2. PN结加反向电压（反向偏置） PN 结变宽 P接负、N接正内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。 IR PN 结处于截止状态。 PN结正向导通、反向截止的特性称为其单向导电性总目录章目录返回上页下页

PN结 N 型半导体 P 型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－ + + + + + + + + + + + + + + + + + －－ + + + －－ + + －－ + + －－相当于存储电荷 3. PN结的结电容 PN结的结构类似平板电容器结电容数值很小，在低频电路中，相当于开路，不用考虑其影响，但在高频电路中，容抗很小，对PN结的电流有影响，必须加以考虑。相当于导体相当于导体相当于介质相当于介质总目录章目录返回上页下页

PN结 外壳 VD 正极负极 P N 符号二极管的结构示意图正极负极 5.2 二极管 5.2.1 结构和分类结构分类（1）点接触型、面接触型、平面型下页（2）硅管和锗管（3）普通管和特殊管

正极引线 二氧化硅保护层金属触丝型锗片 N 正极引线负极引线型硅 P N 型硅外壳负极引线 ( a ) 点接触型 ( c ) 平面型铝合金小球正极引线结 PN N 型硅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。总目录章目录返回上页下页

I – + N P U – + N P 5.2.2 二极管的伏安特性正向特性特点：非线性反向击穿电压U(BR) 硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V 管压降硅Uth =0.5V,锗Uth =0.1V。死区电压反向特性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。外加电压大于死区电压二极管才能导通。总目录章目录返回上页下页

5.2.3 主要参数 1.最大整流电流IFM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2.最高反向工作电压URM 保证二极管不被击穿而制定的最高反向电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3.最大反向电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流值。反向电流值越小，管子的单向导电性能越好。其值随着温度的上升而显著增加，因此温度会影响二极管的性能。 4.最高工作频率fM 总目录章目录返回上页下页

是指保证二极管具有单向导电作用的最高工作频率。当工作频率过高时，二极管的单向导电性能就会变差，甚至失去单向导电性。点接触型锗管其最高工作频率可达几百兆赫，而面接触型硅整流管，其最高工作频率只有三千赫。 5.2.4 二极管的检测 1. 二极管极性的识别（1）一般情况下，可通过管壳上的标记确定。有色环的二极管，色环所在的一端为负极；带色点的二极管，色点所在的一端为正极。（2）无标记的二极管，可通过万用表来判断正负极。正负极的确定是利用了二极管正向电阻小、反向电阻大的特点。将万用表拨到R×1k档，用表笔分别接触二极管的两极，测出两个电阻值。在所测得阻值较小的一次，与总目录章目录返回上页下页

黑表笔相接的一端为正极。同理，在所测得阻值较大的一次，与黑表笔相接的一端为负极，如图所示。黑表笔相接的一端为正极。同理，在所测得阻值较大的一次，与黑表笔相接的一端为负极，如图所示。上述检测使用的是指针式万用表，实际上也可使用数字万用表。如果用数字万用表，表笔情况正好相反，即在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相接的一端为二极管负极。同理，在所测得电阻值较大的一次，与黑表笔相接的是二极管正极。总目录章目录返回上页下页

2. 二极管好坏的识别 利用万用表还可以判断二极管的好坏。如果测得的正、反向电阻值均很小，说明二极管内部短路；若正、反向电阻值均很大，说明二极管内部开路，这两种情况下，二极管就不能使用了。以上是普通二极管的检测方法，汽车交流发电机上的整流二极管就可以按照上述方法进行检测。操作：用万用表检测汽车交流发电机整流板上的正极管、负极管。总目录章目录返回上页下页

5.2.5 二极管在汽车电子电路中的应用 1. 整流电路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。总目录章目录返回上页下页

设三相绕组输出的电压为三相对称电压，波形如图所示。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。总目录章目录返回上页下页

在t3~t4内，VD2、VD6导通，V1W1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。在t4~t5内，VD2、VD4导通，V1U1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。总目录章目录返回上页下页

2. 保护电路 在电路中，VD4起保护作用。当励磁线圈断电时，所产生的感应电动势通过VD4释放，避免了反电动势叠加在电源电压上对VT2、VT3的电压冲击，保证了它们的安全。总目录章目录返回上页下页

I O U 5.2.6特殊二极管及在汽车电子电路中的应用 1. 稳压管（1）稳压管的特性伏安特性符号 UZ 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。 IZ  IZ  UZ IZM 稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻总目录章目录返回上页下页

（2）主要参数 ①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 rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。总目录章目录返回上页下页

（3）稳压管在汽车电子电路中的应用 汽车仪表电路的稳压电路 ①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。总目录章目录返回上页下页

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。总目录章目录返回上页下页

2. 发光二极管 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 发光二极管的外形和符号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。总目录章目录返回上页下页

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。总目录章目录返回上页下页

3. 光电二极管 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。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。总目录章目录返回上页下页

汽车空调用日照强度传感器等效电路 日照强度传感器在空调自动控制系统中是一个日照强度检测元件，它通过光电二极管检测日光照射量的变化，并把这种变化转换成电流值输出。车内空调计算机对这种变化进行检测，并根据电流的变化情况控制执行机构调节排风口的风量和温度，达到调节车内温度的目的。总目录章目录返回上页下页

汽车光电式点火信号发生器原理图 主要由发光二极管、光电二极管和遮光转子组成。发光二极管通入电流后产生光源，光电二极管受光后产生电压，遮光转子有与气缸数相对应的缺口，光源照射到光电二极管的光线受转动的遮光转子控制。当遮光转子随分电器轴转动时，遮光转子缺口周期性地通过光线，使光电二极管周期性受光，光电二极管便产生了与曲轴位置相对应的电压脉冲，即点火触发信号。总目录章目录返回上页下页

PNP型 发射极集电极 N P N P P N 基极 E E C C C C IC B B IC B B IB IB IE IE E E 5.3 三极管 5.3.1 结构与符号 NPN型发射极集电极基极符号： NPN型 PNP型

集电极 C 基极 N P B N E 发射极结构特点：集电区：面积最大集电结基区：最薄，掺杂浓度最低发射结发射区：掺杂浓度最高总目录章目录返回上页下页

IC mA IB A VT + RB UCC IE mA – RP + – UBB 5.3.2 电流分配与放大原理 1.三极管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏实验线路总目录章目录返回上页下页

IB(mA) 0.04 0.06 0 0.02 0.08 0.10 2.30 3.10 3.95 0.70 1.50 IC(mA) <0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 IE(mA) <0.001 2.各电极电流关系及电流放大作用结论: 1）电流关系 IE= IB + IC 2）IC IB，IC IE 3）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。总目录章目录返回上页下页

IC V V mA IB + A + + UCE UCC RB UBE – – – + – UBB 5.3.3 三极管的特性曲线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测量三极管特性的实验线路共发射极电路输出回路输入回路总目录章目录返回上页下页

IB(A) 80 UCE1V 60 40 20 UBE(V) O 0.4 0.8 1.输入特性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。死区电压总目录章目录返回上页下页

IC(mA ) 100A 4 80A 3 60A 2 40A 1 20A IB=0 O 3 6 12 9 UCE(V) 2.输出特性输出特性曲线通常分三个工作区： (1) 放大区 • 在放大区有 IC= IB，也称为线性区。 • 在放大区有恒流特性。放大区 • 在放大区，发射结正偏、集电结反偏，三极管工作于放大状态。总目录章目录返回上页下页

IC(mA ) 100A 4 80A 3 60A 2 40A 1 20A IB=0 O 3 6 12 9 UCE(V) （2）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。 UCE= UBE （3）饱和区饱和区 • 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。 • 在饱和区，IC≠IB 截止区总目录章目录返回上页下页

硅管： 锗管：例:试根据图示中管子的对地电位，判断各管是硅管还是锗管？处于何种状态？方法(1) 硅管、锗管的判断总目录章目录返回上页下页

(2) 判断状态 根据不同状态下的偏置条件进行解： (a) 硅管，放大。 (b)硅管，饱和。 (c)锗管，截止。总目录章目录返回上页下页

1.电流放大系数 ， 和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO 较小的情况下，两者数值接近。 5.3.4 三极管的特性曲线表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。当晶体管接成发射极电路时，交流电流放大系数直流电流放大系数注意：常用晶体管的值在20 ~ 200之间。总目录章目录返回上页下页

IC(mA ) 4 100A 3 80A 60A 2 40A 20A 1 IB=0 0 3 6 12 9 在以后的计算中，一般作近似处理： = 。 UCE(V) 例：在UCE= 6 V时，在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA；在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。在 Q1 点，有 Q2 由 Q1 和Q2点，得 Q1 总目录章目录返回上页下页

ICBO – + A EC A – + IB=0 ICEO 2.集-基极反向截止电流 ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO 3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。总目录章目录返回上页下页

4.集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。 5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 当集—射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。 6.集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE 硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。总目录章目录返回上页下页

IC ICM O U(BR)CEO UCE 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 ICUCE=PCM 安全工作区总目录章目录返回上页下页

5.3.5 三极管管型和管脚的判别 判定的方法：主要有目测法和万用表检测法，实际工作中优先采用目测法，在目测不能做出准确判断时，再用万用表进行检测。 1.目测法（1）管型的判别根据三极管型号的命名方法确定。见下页表注意：国内常见的三级管还有一些以数字命名的，如9011~9018。 9011、9013、9014、9016、9018 为NPN硅管 9012、9015 为PNP硅管总目录章目录返回上页下页

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