半导体器件及应用

1、1会计学半导体器件及应用半导体器件及应用5.1 半导体基础知识半导体基础知识5.1.1 半导体半导体半导体：半导体：介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒等。热敏性：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：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：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）。2+4+4+4+41、本征半导、本征半导体体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本本征半导体征半导体。本征硅

2、的晶体结构图本征硅的晶体结构图共价健价电子本征硅的结构平面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共价键3价电子+4+4+4+4空穴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)。这一现象这一现象称为本征激发称为本征激发。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。4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：电子电流电子电流和空穴电流空穴电流自由电子和空穴都称为载流子自由电子和

3、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，）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导电机理。注意：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。5在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半导体。导体。2、杂质半导体(1)P型半导体 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。+4+4+4+34硼原硼原子子自由电子空穴对

4、自由电子空穴对空空穴穴接受一接受一个个 电子电子变为变为 负负离子离子6多多余余 电电子子磷原磷原子子在常温下即可变在常温下即可变 为自由电子为自由电子失去一失去一个个 电子电子变为变为 正正离子离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。（2）N型半导体掺入五价元素自由电子是多数载流子， 空穴是少数载流子。自由电子空穴自由电子空穴对对+4+4+4+547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

5、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。8内电场内电场5.1.2 PN结结P 型半导型半导体体N 型半导型半导体体空空穴穴自由电自由电子子负离负离子子正离正离子子 + + PN结结自由电自由电子子空空穴穴9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。P接正、接正、N接接负负PN 结处于导通状态结处于导通

6、状态PN 结变结变窄窄内电内电场场外电外电场场IFPN +内电场内电场被被 削弱，削弱，多子多子 的扩的扩散加强，散加强， 形成较大形成较大的的 扩散电扩散电流。流。10内电场被内电场被加加 强，少子强，少子的漂的漂 移加强移加强，由于，由于 少子少子数量很少，数量很少， 形成很小的形成很小的反反 向电流。向电流。P接负、接负、N接接正正PN 结处于截止状态。结处于截止状态。PN 结变结变宽宽内电内电场场外电外电场场 +IRPN + + + 11PN结结正向导通正向导通、反向截止反向截止的特性称为其的特性称为其单向导电单向导电性性3、PN结的结电容结的结电容 PN结的结构类似平板电容器结电容数

7、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。相当于相当于 导体导体相当于相当于 导体导体相当于相当于 介质介质相当于相当于 介质介质相当于相当于 存存储电荷储电荷P型半导体型半导体 + PN结结N型半导体型半导体125.2 二极二极管管5.2.1 结构和分结构和分类类二极管的结构示意图二极管的结构示意图PN正正极极负负极极外外壳壳PN结结分类分类结构结构（1）点接触型、面接触型、平面型（2）硅管和锗管（3）普通管和特殊管13负极负极正正极极符号符号VD负极引负极引线线正极引正极引线线二氧化硅保二氧化硅保护层护层P 型硅型硅N型

8、硅型硅( c ) 平面型平面型金属触金属触丝丝正极引正极引线线N N型锗型锗片片负极引负极引线线外外壳壳( a) 点接触型点接触型 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。14铝合金小球铝合金小球N N型型硅硅金锑合金锑合金金 底座底座负极引负极引线线( b) 面接触型面接触型正极引线正极引线PN结结硅硅Uth =0.5V,锗锗Uth =0.1V。特点：非线性特点：非线性管压管压降降外加电压大于反向击穿电外加电压大于反向击穿电 压二极管被击穿，失去单压二极管被击穿，失去单向向 导电性导电性。正向特正向特性性死区电死区电压压PN+15反向击穿反向击穿 电压电压U(

9、BR)NU+IP反向特性反向特性 外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压二极管才能导通。二极管才能导通。硅硅0.60.8V 锗锗0.20.3V1. 最大整流电流最大整流电流 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

10、. 最高工作频率最高工作频率fM16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 二极管二极管的检测的检测1. 二极管极性的识别二极管极性的识别(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R1k档，用表笔分别接触二极管的两极，测出两个电

11、阻值。在所测得阻值较小17的一次。与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。18 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

12、测。 操作：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。191. 整流电整流电路路由三只正极管和三只负极管组成。正极管的导通条件是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。5.2.5 二极管在汽车电子电路中的应用二极管在汽车电子电路中的应用20三相桥式三相桥式 整流电路整流电路设三相绕组输出的电设三相绕组输出的电压压 为三相对称电压，为三相对称电压，波形波形 如图所示。如图所示。为便于分析，现将一为便于分析，现将一个个 周期等分成周期等分成6个小区个小区间间

13、 加以说明。加以说明。在在t1t2内，内，VD1、VD5导通，导通，U1V1 间电压加到负载上。间电压加到负载上。在在t2t3内，内，VD1、VD6导通，导通，U1W1 间电压加到负载上。间电压加到负载上。21 在t3t4内，VD2、VD6导通，V1W1间电压加到负载上。 在t4t5内，VD2、VD4导通，V1U1间电压加到负载上。 按照正极管VD1VD2VD3、负极管VD5VD6VD4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。22 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

14、冲击，保证了它们的安全。23符号符号 伏安特伏安特性性稳压管正常工作时稳压管正常工作时加加 反向电压反向电压使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后， 电流变化很大，但其两电流变化很大，但其两 端电压变化很小，利用端电压变化很小，利用 该特性，稳压管在电路该特性，稳压管在电路 中可起稳压作用。中可起稳压作用。UIOUZIZIZM UZ IZ1、稳压管、稳压管24（1）稳压管的特性（2）主要参数）主要参数稳定电压稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。稳定电流稳定电流IZ 、最大稳定电流、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

15、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。25zZzUr =I动态电阻动态电阻 rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压电路稳压电路 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。汽车仪表电路的稳压电路汽车仪表电路的稳压电路稳压电路的稳压原理是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

16、基本不变。（3）稳压管在汽车电子电路中的应用）稳压管在汽车电子电路中的应用26限幅电路限幅电路 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。 27 有正向电流流过时，发有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，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1.53V，电流较小 为几 十几mA 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

17、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。28发光二极管的外形和符号发光二极管的外形和符号 反向电流的数值随着光照的增强而上升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。29 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

18、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。30 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。315.3 三极管5.3.1 结构与符结构与符号号N P N基基极极发射发射极极集电集电极极BECBECP NP基基极极发射发射极极集电集电极极符号符号：BIBECIEICNP

19、N型型BECIBIEICPNP型型32基区：最薄基区：最薄， 掺杂浓度掺杂浓度最低最低发射区：发射区：掺掺 杂浓度杂浓度最高最高发射发射结结集电集电结结B BE EC CN NN NP P基基极极发射发射极极集电集电极极集电区集电区： 面积面积最大最大335.3.2 电流分配与放大原理电流分配与放大原理1. 1.三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件实验线实验线路路34发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏UBBmAARBIBUCC+mAIERPVTIC结论结论: :1）电流关系）电流关系 IE = IB + IC2） IC IB ，IC IE 3） IC IB 把基极电流的微小变化能

20、够引起集电极电流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较大变化的特 性称为三极管的电流放大作用。性称为三极管的电流放大作用。 实质实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，电流的变化， 是是CCCS器件器件。IB(mA)00.020.040.060.080.10IC(mA)0.0010.701.502.303.103.95IE(mA) u 时，uo = +Uo(sat)u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ u 时，时， uo = Uo(sat) 不存在不存在 “虚短虚短”现象现象b)i+= i 0,仍存在仍存在“虚断虚断

21、”现象现象电压传输特电压传输特性性非线性非线性区区93uou+ u+Uo(sat)OUo(sat)5.6.2 基本运算电基本运算电路路 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法 和减法、积分和微分、指数和对数、乘法和除法等运 算。 在进行运算时，输出量都能反映输入量的某种运算结 果，因此运算放大器工作在线性区。在分析电路时线 性区的两个特点是电路的分析依据。 本节主要分析比例、加减运算电路。94(1) 反相比例运算电反相比例运算电路路电路组成电路组成以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、 输出的另一端均为地输出的另一端均为地()。因要求静

22、态时因要求静态时u+、 u 对地对地 电阻相同。电阻相同。工作原理工作原理因为因为 u=u+= 0， 称反相输入端称反相输入端“虚虚” 反相输入的重要特点反相输入的重要特点因为因为 i = 0所以所以 ii = ii + i- =if ifiiii+u+oRf+uiR2R1+1.比例运算电比例运算电路路平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / Rf95i-11u -ui =R-0ffu -ui =Rf0i1Ru = -uR例：例：电路如下图所示，已知 ui=-1V ，Rf = 20 k，R1 =2k。求：uo=?+uoRf+uiR2R1+解解：9620( 1)210V f0i1Ru =uR因虚断，

23、所以因虚断，所以u+ =ui 工作原理工作原理+uoRf+uiR2R1+ 电路组成电路组成因虚短，所以因虚短，所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地”因要求静态时因要求静态时u+、u-对地对地电阻相同，所以电阻相同，所以平衡电平衡电阻阻R2=R1/Rf若若R1=或或R1 =、Rf =0， 则则uo=ui，成为电压跟随器，成为电压跟随器。97(2)同相比例运算电路同相比例运算电路1-01fRu =uR + R(1)f 0i1Ru =+uR例：例：电路如上一页所示，已知 ui=1V，Rf = 20k，R1 =2 k，最大输出电压UOPP=12V。求：uo并判断运放的工作区间。例：

24、电路如下图所示，求：uo=？。解解：解解：因 uo u 时，时， uo = +Uo (sat) u+ u 时，时， uo = Uo (sat) i+= i 0105电压传输特电压传输特性性Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOuoui+门限电平门限电平Uth：输出跳变所对应的输入电压。：输出跳变所对应的输入电压。 门限电平门限电平Uth=0 因为输入因为输入ui每次过零时输出都跳变，因此称为过每次过零时输出都跳变，因此称为过零比较器。零比较器。ui0时，时，uo = Uo (sat) ui =0时，时，uo发生跳变发生跳变1.过零电压比较过零电压比较器器106假设稳压管假设稳压管VZ截止，则

25、截止，则运放工作在开环状态运放工作在开环状态，其，其输出为输出为Uo(sat)，所以双，所以双 向稳压管中总有一个工向稳压管中总有一个工 作作在稳压状态，一个工在稳压状态，一个工 作在作在正向导通状态，正向导通状态， 因此因此uo= (UZ+UD) UZ稳定电压；稳定电压； UD正向导通压降正向导通压降。利用电压比较器利用电压比较器 将正弦波变为方将正弦波变为方波波输出带限幅的输出带限幅的 过零电压比较过零电压比较器器tuo+Uo(sat)OUo(sat)107tOui2.任意电压比较任意电压比较器器uiUR时，时，uo = Uo (sat) ui =UR时，时，uo发生发生跳变跳变输出电压输

26、出电压 uo 发生跃变时的输入电压叫门限电平发生跃变时的输入电压叫门限电平， 所以任意电压比较器的所以任意电压比较器的门限电平门限电平Uth=UR参考电参考电压压URuouiR2+R1Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR电压传输特性电压传输特性 108因只有一个门限电压，因只有一个门限电压，故又称单限电压比较器故又称单限电压比较器单限电压比较器单限电压比较器：当当 ui 单方向单方向变化变化时，时， uo 只变化一次只变化一次。电压传输特电压传输特性性Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2+R1uitOUR+Uo (sat)OuotUo (sat)t1t2109电

27、路引入正反馈，电路引入正反馈，运放工作于非线性区运放工作于非线性区3.滞回电压比较滞回电压比较器器Rfuoui+R1R2当 uo = + Uo(sat)，当 uo = Uo(sat)， 若ui UR , 则uo Uo(sat)若ui UR，则uo Uo(sat)若ui UR ,则 Uo(sat)若ui UR，则u Uo(sat)Uo(sat)uiuoO+Uo(sat)110电压传输特性电压传输特性2R+02fRU = u =uR + R因为虚断因为虚断，()2R0 sat2fRU =UR + R则)()(2R0 sat2fRU =-UR + R则回差电压回差电压：uiuoOUo(sat)+Uo

28、(sat)上上 限限 电电 压压下下 限限 电电 压压111电 压 传 输 特电 压 传 输 特性性优点：优点：回差电压的存在，也回差电压的存在，也提提高了电路的抗干扰能力高了电路的抗干扰能力。只要。只要干扰量不超过回差电压，则输干扰量不超过回差电压，则输出电压出电压 的状态就不会改变。的状态就不会改变。用途：用途：波形变换波形变换如果输出带有限幅电路，也如果输出带有限幅电路，也可用于模拟电路和数字电路的可用于模拟电路和数字电路的接口元件接口元件2()2RR0 sat2fRU =U -U =UR + R例：电路如图所示，R1 =10k，R2 = Rf =20k，R3=2k，输入波形为三角波，双

29、向稳压管的稳压值UZ = 8V，求:画出电压传输特性；画出输出波形。解解: :112上限电压上限电压下限电压下限电压208V4V2020RU =20( 8)V4V2020 RU =4. 4.电压比较器在汽车电子电路中的应电压比较器在汽车电子电路中的应用用汽车充电系统电压监视器电路汽车充电系统电压监视器电路功能：功能：监视汽车充电系统的电压，当电压过低（小于监视汽车充电系统的电压，当电压过低（小于12V）或过）或过高高(大于大于14.5V)时，报警器发出警报。时，报警器发出警报。各部分作用：滤波稳压电路 -为比 较器A1、A2提供基准 电压，电压值为稳压 管VZ的稳定电压。 分压电路-将电源充电

30、系电压分压后形成 A1、A2的输入信号。比较器A1 、A2 将输 入信号与基准电压进 行比较。113截止，VT2导通U2=0， U1=UCC(电源电压)LED1不亮，LED2发光，指示电压过高。114工作原理：（1）充电系电压大于14.5V汽车充电系统电压监视器电汽车充电系统电压监视器电路路U4 U5， U7 U6VT1U4 U5， U7 U5， U7 U6 U1 = U2= 0VT1、VT2均截止 LED1、 LED2都不亮，指示电压正常。116本章结束！硅硅Uth =0.5V,锗锗Uth =0.1V。特点：非线性特点：非线性管压管压降降外加电压大于反向击穿电外加电压大于反向击穿电 压二极管被击