汽车电工电子 课件 单元六 半导体二极管及其电路

单元六半导体二极管及其电路汽车电工电子单元六半导体二极管及其电路半导体二极管及其电路半导体二极管整流滤波稳压电路半导体的基本知识半导体二极管整流电路滤波电路稳压电路单元六半导体二极管及其电路1.了解半导体的基本知识；理解PN结的单向导电特性。2.理解二极管的伏安特性、主要参数，了解几种特殊的二极管，理解硅稳压管的稳压特性。3.理解整流电路的组成和工作原理。4.了解各种滤波电路的组成。5.理解并联型稳压电路的基本组成和工作原理。6.理解汽车交流发电机的整流及调压原理。7.了解汽车可控整流电路的组成和工作原理。1.会用万用表进行二极管的简易测试。2.会进行整流电路基本物理量的计算。3.会搭建整流电路并进行简单分析。1.了解汽车电子技术的发展，培养学生产生推动技术革新的责任感和使命感。2.通过分组实训操作，树立学生互相帮助、互相学习、团队协作、乐业敬业的工作作风。知识目标能力目标育人目标任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路一、半导体基本知识（一）半导体1.半导体及其导电方式根据导电能力强弱的不同，自然界的物质可分为导体、绝缘体和半导体三大类。其中，善于传导电流的物质称为导体，如铜、铝、银等；很难导电的物质称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）及大多数金属氧化物和硫化物等。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。

本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路

这一现象称为本征激发，也称热激发。

当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。

半导体内部有两种载流子：自由电子和空穴。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路2.N型半导体和P型半导体（1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。多数载流子——自由电子少数载流子——空穴任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路（2）P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，称为P型半导体。多数载流子——空穴少数载流子——自由电子任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路（二）PN结及其单向导电性

1.PN结的形成

因多子浓度差

形成内电场

多子的扩散

空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合内电场E空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流动态平衡任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路2.PN结的单向导电性（1）外加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→阻挡层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路（2）外加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→阻挡层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。因此：PN结具有单向导电性。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路二、半导体二极管1.二极管的基本结构

在PN结上加上电极引线和管壳，就成为一个晶体二极管（简称二极管），文字符号为VD。其中，从P区引出的电极为正极（又称阳极）；从N区引出的电极为负极（又称阴极）。（a）二极管结构（b）图形符号半导体二极管任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路半导体二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。PN结面积大、结电容大，用于工频大电流整流电路。往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关、脉冲电路中。（c）点接触型（d）面接触型（e）平面型任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路2.二极管的单向导电性二极管单向导电实验（1）正极电位＞负极电位，二极管导通，如（a）图所示。（2）正极电位＜负极电位，二极管截止，如（b）图所示。

即二极管正偏导通，反偏截止。这一导电特性称为二极管的单向导电性。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路3.二极管的伏安特性二极管两端的电压和流过的电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性。（1）正向特性

外加正向电压但二极管处于截止状态的区域称为死区，硅管的死区电压（门坎电压）约为0.5V、锗管约为0.2V。

当二极管的外加正向电压超过死区电压后，二极管处于正向导通状态。此时，二极管的电阻很小，其正向电压降也很小，硅管的导通电压降约为0.7V，锗管的导通电压降约为0.3V。二极管伏安特性任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路二极管伏安特性（2）反向特性对给定的二极管加反向电压时，二极管处于反向截止状态。反向电流的大小基本上不随反向电压大小的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流，用符号IR表示。

当外加反向电压超过某一数值时，反向电流迅速增大，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压，用符号UBR表示。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路普通二极管被反向击穿后，会使PN结严重发热，导致二极管由电击穿变为热击穿。一般电击穿是可逆的、可利用的，而热击穿会导致二极管永久损坏，其原来的性能就再也不能恢复了。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路理想二极管就是正向压降为0、反向饱和电流为0的二极管。理想二极管只存在于理论研究中，一般可根据题目要求假设，如设为没有压降，没有损耗，反向不会击穿等理想状态。而实际二极管是达不到的。假设的目的是为了突出重点，去除次要问题。另外，在实际电路的分析中，如果二极管的正向压降远小于与它串联元件的电压、反向电流远小于与它并联元件的电流时，可认为此二极管是理想的。理想二极管任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路4.二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。（2）最高反向工作电压URM是指保证二极管不被击穿而外加的最大反向电压，通常是反向击穿电压UBR的一半或三分之二。（3）反向电流IR是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。（4）最高工作频率fM是指二极管工作的上限频率。任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路5.几种特殊的二极管（1）稳压管稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，其正向特性与普通二极管基本相同，反向击穿段的特性很陡，尽管反向电流变化很大，稳压管两端的电压却变化很小。因此稳压管正常工作在反向击穿区，通过反向击穿特性实现稳压作用，广泛应用于稳压电源和限幅电路中。

如果利用稳压管进行稳压，应选择一个适当的限流电阻与稳压管串联，可以保证反向电流不超过其最大稳定电流、PN结不会过热烧坏，即不会出现热击穿现象，稳压管的反向击穿就是可逆的。稳压管任务一半导体二极管单元六半导体二极管及其电路（2）发光二极管发光二极管（LED）是一种能将电能转换成光能的半导体器件，与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但它在正向导通时能发出可见光或不可见光。（3）光敏二极管

光敏二极管是一种能将光能转换成电能的半导体器件，工作时处于反向偏置状态，其反向电流随光照强度的变化而变化。（4）变容二极管变容二极管是利用二极管内部极间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。发光二极管光敏二极管变容二极管任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路一、整流电路把交流电变成直流电的过程就称为整流。根据交流电源的相数，整流电路分为单相整流电路和三相整流电路。

二极管单相整流电路利用半导体二极管的单向导电特性，将单相交流电变换成脉动直流电。任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路1.单相半波整流电路单相半波整流电路是最简单的整流电路，它由电源变压器T、整流二极管VD及电阻负载RL组成。

设u2为正弦波。(1)

u2正半周时，a点电位高于b点电位，二极管VD正偏导通，则

uo=u2；(2)

u2负半周时，a点电位低于b点电位，二极管VD反偏截止，则

uo=0。单相半波整流工作原理任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路单相半波整流波形

由波形可见，u2一周期内，负载只有单方向的半个波形，这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。上述过程说明，利用二极管单向导电性可把交流电u2变成脉动直流电uo。由于电路仅利用u2的半个波形，故称为半波整流电路。任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路

任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路2.单相桥式整流电路

单相桥式整流电路将四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4接成电桥的形式。单相桥式整流电路单相桥式整流电路的其他画法任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路单相桥式整流电路工作原理（1）u2正半周时，如图(a)所示，a点电位高于b点电位，二极管VD1、VD3导通，二极管VD2、VD4截止。uo与u2相同，io的通路为a→VD1→RL→VD3→b→a。（2）u2负半周时，如图(b)所示，a点电位低于b点电位，二极管VD2、VD4导通，二极管VD1、VD3截止。uo与u2相同，io的通路为b→VD2→RL→VD4→a→b。任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路单相桥式整流电路波形

由波形图可见，u2一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流叠加形成了io。于是负载得到全波脉动直流电压uo。任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路

任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路二、滤波电路1.电容滤波最简单的电容滤波器如图所示，即在负载两端并联一个电容器，负载两端的电压uo等于电容器的电压uC，它利用电容两端电压不能突变的原理进行滤波。电容滤波任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路2.电感滤波最简单的电感滤波电路如图所示，即在整流电路和负载电阻之间串联一个铁心线圈L，它是利用电流变化时电感线圈中产生的感应电动势总是阻碍该电流变化的原理来进行滤波的。电感滤波任务二整流滤波稳压电路单元六半导体二极管及其电路3.复式滤波电路单独使用电容滤波或电感滤波的效果不理想时，可采用复式滤波