1、件,由于它具有体积小、重量轻、工作可靠、使用寿命长、耗电量小等优点,因而得到了广泛应用。半导体制成的二极管和晶体管在汽车电子电路以及汽车电气设备中应用也非常广泛,本项目通过对半导体器件基本知识的学习,可以为后续课程的学习打下基础。【项目描述】用半导体材料制成的半导体器件是20世纪中叶发展起来的新型电子器一、相关知识1.半导体的相关知识 物质按导电能力强弱的不同可分为导体、半导体、绝缘体三大类。电阻率的大小反映了材料的导电性能好坏。一般把电阻率在10-910-8m之间的材料叫做导体,如铜、铝等,用来制造导线。电阻率在1071012m之间的材料叫做绝缘体,如橡胶、陶瓷、空气等。半导体的电阻率介于导
2、体与绝缘体之间,其导电能力也介于导体和绝缘体之间。目前,制造半导体器件用得最多的是硅和锗两种材料。任务一二极管的测量半导体具有不同于导体和绝缘体的导电特性。半导体的导电特性分为:(1)热敏特性 大多数半导体对温度都比较敏感,且随温度的升高导电能力增强,电阻减小。利用半导体的热敏特性可以制成各种热敏元器件,如热敏电阻。(2)光敏特性 许多半导体在受光照射后,导电能力会增强,电阻会减小。利用光敏特性可制成各种光敏元件或器件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏探测器等(3)掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质元素,导电能力会增强很多,电阻会急剧减小。二极管、晶体管都是利用掺杂特性制成的。按照半导体
3、是否掺入杂质,可以把半导体分为两种:一种为本征半导体,另一种为杂质半导体。2.PN结(1)PN结的形成 P型或N型半导体的导电能力虽然大大增强,但并不能直接用来制造半导体器件。通常在一块晶片上,采取一定的掺杂工艺措施,在两边分别形成P型半导体和N型半导体,在它们的交界面附近就会形成一个具有独特物理性质的PN结,如图5-1所示。PN结是制造半导体二极管、半导体晶体管、场效应晶体管等各种半导体器件的基础。图5-1PN结结构示意图(2)PN结的单向导电性 PN结具有单向导电特性,这可以通过下面的实验来验证,实验电路如图5-2所示。其中PN结用一只二极管来代替,HL为指示灯泡,R为电路的限流电阻,GB
4、为直流电源,S为电路的开关。1)PN结加正向电压正向导通。将电源正极接P区,负极接N区,此时的外加电压称为“正向电压”,或称“正向偏置”,简称“正偏”。开关S闭合后指示灯泡HL亮,说明此时PN结电阻很小,像导体一样很容易导电,这种现象称为“正向导通”,如图5-2所示。2)PN结加反向电压反向截止。把电源的正负极对调后,这时电源负极接P区,正极接N区,此时的外加电压称为“反向电压”,或称“反向偏置”,简称“反偏”。开关S闭合后指示灯泡HL不亮,说明此时PN结电阻很大,像绝缘体一样不能导电,这种现象称为“反向截止”,如图5-3所示。由此可知:PN结加正向电压导通,加反向电压截止,这是PN结的重要特
5、性,即单向导电性。图5-2PN结加正向电压图5-3PN结加反向电压 半导体二极管(Semiconductor diode)又叫晶体二极管,简称二极管,它的内部由一个PN结构成,外部引出两个电极,从P区引出的电极为二极管的正极,又叫做阳极;从N区引出的电极为二极管的负极,又叫做阴极。然后再将其封装在管壳内,如图5-4所示。二极管有一个PN结、两个电极,其主要特性是单向导电性,即正向导通、反向截止。二极管的电路图形符号如图5-5所示,文字符号用VD表示。图形符号中箭头的方向表示二极管正向导通时电流的方向,正常工作时电流由正极流向负极。3.半导体二极管 图5-4二极管的结构图5-5二极管的电路图形符
6、号 4.二极管的类型 二极管的分类方法有很多种,按材料不同分为硅二极管和锗二极管,按用途不同分为普通二极管和常用二极管,常用二极管主要有以下几种。(1)整流二极管整流二极管如图5-6所示。作用:它是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件,主要用于整流电路中。工作电压:正向电压。图5-6整流二极管特性:整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿)。这种器件的结面积较大,能通过较大电流(可达上千安),但工作频率不高,一般在几十千赫以下。(2)稳压二极
7、管稳压二极管如图5-7所示。作用:主要用于稳压电路。工作电压:反向电压。特性:稳压二极管简称稳压管,是一种特殊工艺制成的硅二极管,其伏安特性与普通二极管类似,只是稳压管的反向击穿区特性曲线很陡,从反向特性曲线上可以看到,当反向电压达到击穿电压时,反向电流突然增大,稳压管被反向击穿,但这种击穿不是破坏性的,只要在电路中串联一个合适的限流电阻,就能使稳压管工作在反向击穿状态而不会遭到永久性的破坏(称为电击穿)。电击穿状态下,通过管子的电流可在较大的范围内变化,而稳压管两端的反向电压几乎不变。利用这一特性,可使稳压管在电路中起到稳压作用。图5-7稳压二极管(3)发光二极管发光二极管如图5-8所示。作
8、用:将电能转换为光能,能发出可见光,常用于指示信号。工作电压:正向电压。特性:在二极管两端加上正向电压,二极管导通,产生热和光,使一层黏附着的磷化物受激励而发出可见光。发光二极管根据所用的发光材料不同,可以发出红、绿、黄、蓝、橙等不同颜色的光。图5-8常见发光二极管作用:它是一种对光有敏感作用的二极管,能将光信号转换为电信号。工作电压:反向电压。特性:它的管壳上开设有一个玻璃窗口,以便接收光线的照射。在二极管两端加上反向电压,无光线照射时,光敏二极管不导通;当受到光线照射时,光敏二极管导通。面积较大的光敏二极管可制成光电池。(4)光敏二极管光敏二极管如图5-9所示。图5-9光敏二极管作用:PN
9、结的电容随反向电压的变化而变化,常用于高频电路。工作电压:反向电压。特性:二极管的结电容除了与它本身的工艺有关外,还与外加反向电压有关。当反向电压升高时,结电容减小;当反向电压降低时,结电容增大。(5)变容二极管变容二极管如图5-10所示。图5-10变容二极管任务二桥式整流电路的制作【任务分析】汽车上使用的发电机是交流发电机,而蓄电池和汽车电路是直流电路。这就要求有一种电路能够将交流信号转换为直流信号。二极管的单向导电性就是解决问题的方法,由二极管组成的全波整流电路是构成直流稳压电源的基础。本次任务通过学习几种整流电路,熟悉二极管的特性。一、相关知识1.单相半波整流电路(1)电路组成 单相半波
10、整流电路如图5-17所示。图5-17单相半波整流电路(2)工作原理 单相半波整流电路如图5-17a所示。电源变压器将电压u1变为整流电路所需的电压u2。若二极管的正向管压降为零,当u20时,VD导通,输出电压uo=u2;当u20时,VD1、VD3导通,VD2、VD4截止,电流方向如图所示,输出电压uo=u2;当u20时,VD2、VD4导通,VD1、VD3截止,电流方向如图所示,输出电压uo=u2;下个周期重复上述过程。可见,单相桥式整流电路在输入交流电压的正负半周,都有同一方向的电流流过RL,四只二极管两两轮流导通,通过负载的电流io=iVD1+iVD2,在负载上得到全波脉动的直流电压和电流,
11、这种整流电路属于全波整流电路。(3)电路特点 与单相半波整流电路相比,单相桥式整流电路所用二极管的数量较多,当变压器二次电压相同时,对二极管的参数要求一样,但输出电压较高、脉动较小,变压器利用率高,所以应用较广。桥式整流电路目前已做成模块(整流桥),有半桥和全桥两种整流桥,使用一个全桥或连接两个半桥就可代替四只整流二极管与电源变压器相连,从而组成桥式整流电路,使用非常方便。3.车用整流电路整流电路在汽车发电机中也有着重要应用。我们知道,汽车上装有蓄电池,但蓄电池储存的电能非常有限,远远不能满足汽车上不断增多的用电设备的需求。发电机是汽车电器设备的主要电源,为了将发电机产生的交流电整流成直流电,
12、汽车上普遍采用由六只硅二极管组成的车用整流器。车用整流器的二极管分为正极管和负极管两种类型,引线和外壳分别是它们的两个电极。其中,正极管的外壳为负极,引出极为正极,在管壳底上一般标有红色标记;负极管的外壳为正极,引出极为负极,在管壳底上一般标有黑色标记。在负极搭铁的硅整流发电机中,三个正极管的外壳压装在散热板的三个座孔内,共同组成发电机的正极,由一个与发电机后端盖绝缘的整流板固定螺栓通至机壳外,作为发电机的相线接线柱“B”(“+”、“A”或“电枢”接线柱);三个负极管的外壳压装在后端盖的三个孔内,和发电机外壳一起成为发电机的负极,其安装示意图如图5-19所示。图5-19车用整流器三个正极管和三
13、个负极管构成的整流电路称为三相桥式整流电路,它将发电机的交流电整流成12V的直流电。整流电路及其波形如图5-20所示。图5-20三相桥式整流电路及其波形图5-20a中,整流板上的三个正极管VD1、VD2、VD3的正极分别接在发电机三相绕组的首端U1、V1、W1上。VD1、VD2、VD3分别在三相交流电的正半周导通,若某一相电压最高,则该相绕组的正极管先导通,其余正极管截止;后端盖上三个负极管VD4、VD5、VD6的负极分别接在发电机三相绕组的U1、V1、W1上。VD4、VD5、VD6分别在三相交流电的负半周导通,若某一相电压最低,则该相绕组的负极管先导通,其余负极管截止。由上面分析可知,同时导通的管子有两个(正、负管子各一个),它们总是将发电机的线电压加在负载R两端,使负载两端得到一个比较平稳的脉动直流电压u,该电压一个周期内有六个波纹,如图5-20b、c、d所示。需要说明的是,有些汽车交流发电机为了实现提高发电功率、提高电压调节精度等功能,采用的整流方式有8管电路、9管电路和11管电路等,这几种电路将在后续有关课程中讲解。
