第五章半導(dǎo)體器件的基本知識

1、學習目標1了解各種形式的二極管2了解二極管的基本特性3掌握二極管的單向?qū)щ娦?掌握二極管在汽車發(fā)電機中的整流應(yīng)用5了解二極管的續(xù)流作用6了解穩(wěn)壓二極管和發(fā)光二極管在汽車上的應(yīng)用學習要求應(yīng)知：二極管的概念和基本特性；二極管的整流、續(xù)流、限幅作用；穩(wěn)壓 二極管、發(fā)光二極管的基本工作原理。應(yīng)會：判別二極管的正、負極；用萬用表檢測二極管的好壞；分析二極管 在汽車交流發(fā)電機中的整流電路；穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管基本應(yīng) 用電路的接法。一、什么是半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體是在某種條件下導(dǎo)電，而在別的條件下不導(dǎo)電的材料。半導(dǎo)體包括二極管、三極管、晶閘管等。制造半導(dǎo)體最常用的材料

2、是硅晶體和鍺晶體。晶體是具有確定的原子結(jié)構(gòu)的材料，純的晶體不能用來制作半導(dǎo)體，需要在這兩種晶體中摻雜極小比例的其他元素。硅晶體和鍺晶體都是四價元素，摻人雜質(zhì)后，導(dǎo)電性能就會發(fā)生明顯變化。根據(jù)摻雜元素的不同，可以把半導(dǎo)體分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。在晶體中摻入微量的五價磷元素，產(chǎn)生多余的自由電子充當導(dǎo)電載流子，摻人磷元素雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體；在晶體中摻人微量的三價硼元素，因為缺少電子產(chǎn)生空穴，這些空穴充當導(dǎo)電的載流子，摻人硼元素雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體。 按一定次序?qū)型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，便能制造出用于汽車電壓調(diào)節(jié)和電子控制器等電子裝置的電子器件。 提示：觀看硅晶體和鍺晶體彩

3、色圖片，晶體結(jié)構(gòu)圖片。二、什么是二極管 當N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，得到的PN結(jié)就是二極管(圖5-1)。二極管按制造材料可分為硅二極管、鍺二極管。 二極管可以看作電流的單向止回閥，它只允許電流以一個方向流動，即從二極管的正極流向負極。這就是二極管的單向?qū)щ娦浴?操作：觀看各種形式的二極管(實物)。用指針式萬用表檢測二極管的單向?qū)щ娦?圖5-2)。將萬用表撥到R1K擋。用紅表筆接二極管的負極，黑表筆接二極管的正極，所測得的阻值較??；反過來，用紅表筆接二極管的正極，黑表筆接二極管的負極，所測得的阻值較大。這是因為，指針式萬用表的紅表筆與內(nèi)部電源負極相連，黑袁筆與內(nèi)部電源正極相連，當正電壓加

4、到二極管正極，負電壓加到二極管負極，便有電流流過，二極管表現(xiàn)出的阻值很?。环?之二極管則沒有電流流過，表現(xiàn)出的阻值 很大。 操作規(guī)范：用萬用表檢測二極管時不 能用R1擋和R10K擋，R1擋電流太 大，可能燒壞二極管；R10K擋電壓太 高，可能擊穿二極管。 討論：用數(shù)字萬用表檢測二極管單向?qū)щ?性的表筆連接方法與指針式萬用表相同嗎? 提示：用上述方法可以判別二極管的極性。 進一步：簡單了解二極管的特性。 1二極管的伏安特性 流過二極管的電流隨著加在二極管上的電壓變化而變化的性質(zhì)稱為二極管的伏安特性。如圖5-3所示為二極管伏安特性曲線。(1)正向特性 從圖上可看出，當在二極管上加上的正向電壓小于某

5、一數(shù)值Uth時，正向電流很小，幾乎為零，二極管呈現(xiàn)出較大的電阻，這段區(qū)域稱為“死區(qū)”。Uth叫做死區(qū)電壓或門檻電壓。硅管Uth=0.5V，鍺管Uth=0.1 V。當正向電壓超過Uth后，正向電流按指數(shù)曲線規(guī)律增長，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。硅管的導(dǎo)通壓降為0.7 V，鍺管的導(dǎo)通壓降為0.3V。 (2)反向特性 當二極管被加上反向電壓時，流過二極管的電流很小，稱為反向飽和電流Is，硅管Is為小于0.1A，鍺管Is為幾十微安。 (3)反向擊穿特性 當反向電壓增加到某個數(shù)值UR時，流過二極管的反向電流將急劇增大，這種現(xiàn)象叫反向擊穿。UR叫反向擊穿電壓。使用二極管時，應(yīng)避免反向電壓超過擊穿電壓，以防止二極管

6、損壞。 2二極管的主要參數(shù) (1)最大電流IF 最大電流是指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。實際使用時的工作電流應(yīng)小于IF，如果超過此值，將引起PN結(jié)過熱而燒壞。 (2)最高反向電壓URM 最高反向電壓是指二極管工作時兩端所允許加的最大反向電壓。通常URM 約為反向擊穿電壓UR的一半，以保證二極管安全工作，防止擊穿。 三、二極管在汽車上的應(yīng)用 利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以組成整流、續(xù)流、限幅及檢波等電路應(yīng)用到汽車電路中。 1二極管的整流電路 將交流電變成直流電的過程叫做整流。在汽車交流發(fā)電機中，就是利用二極管組成的整流板將發(fā)電機發(fā)出的三相交流電整流為直流電。為了適應(yīng)汽車發(fā)電機的需

7、要，專門制作了用于汽車的整流二極管。如圖5-4所示。 正極管的外殼為負極，引出極為正極。在負極搭鐵的硅整流發(fā)電機中，三個正極管的外殼壓裝在散熱板的三個座孔內(nèi)，共同組成發(fā)電機的正極，由一個與發(fā)電機后端蓋絕緣的整流板固定螺栓通至機殼外，作為發(fā)電機的火線接線柱“B”。 負極管的外殼為正極，引出極為負極，在管殼底上一般標有黑色標記。三個負極管的外殼壓裝在后端蓋的三個孔內(nèi)，和發(fā)電機外殼一起成為發(fā)電機的負極。 三個正極管和三個負極管構(gòu)成的整流電路稱為三相橋式整流電路，將發(fā)電機的交流電變?yōu)?2V 的直流電。整流電路如圖5-5 所示。 重點：三相橋式整流工作原理。在電路中，三個正極管的正極引出線分別與三相繞組

8、的首端相連。在某一瞬間，只有與電位最高的一相繞組相連的正極管導(dǎo)通。同樣，三個負極管的引出線也分別同三相繞組的首端相連。在某一瞬間，只有與電位最低的一相繞組相連的負極管導(dǎo)通。 其整流過程如下： 在t=0 時，UU1=0，UV1 為負值，UW1 為正值，則二極管VD3、VD5 獲得正向電壓而導(dǎo)通。電流從 W1相出發(fā)，經(jīng) VD3、用電設(shè)備VD5回到V1 相構(gòu)成回路。因為二極管內(nèi)阻很小，所以此時 W1、V1 之間的電壓都加在負載上。 在t1t2 時間內(nèi)，U1相電壓最高，Vl相電壓最低，所以 VDl、VD5處于正向電壓下而導(dǎo)通，U1、Vl之間的電壓加在負載上。 在t1t2 時間內(nèi)，U1相電壓最高，Vl相

9、電壓最低，所以 VDl、VD5處于正向電壓下而導(dǎo)通，U1、Vl之間的電壓加在負載上。 在 t2t3 時間內(nèi)，U1 相電壓最高，W1 相電壓最低，所以 VDl、VD6 處于正向電壓下而導(dǎo)通，U1、Wl之間的電壓加在負載上。 在t3t4 時間內(nèi)，VD2、VD6導(dǎo)通，V1、W1之間的電壓加在負載上。 這樣反復(fù)循環(huán)，6只二極管輪流導(dǎo)通，在負載端便得到一個較平穩(wěn)的直流電壓。電壓波形如圖5-5(d)所示。重要提示：汽車交流發(fā)電機故障經(jīng)常是整流二極管的損壞引起的。討論：如果汽車交流發(fā)電機的整流板中有二極管損壞會出現(xiàn)什么現(xiàn) 象?提示：除交流發(fā)電機三相橋式整流電路外，在汽車電路中還有其他 形式的整流電路。2、二

10、極管的續(xù)流電路 一個通電的線圈，當突然斷電時，就會在線圈中產(chǎn)生一個反向電動勢，如果這個反向電動勢疊加在電路中的其他電子元件上(一般為三極管)，就會引起元件的損壞。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，一般都在線圈旁邊并聯(lián)一個二極管來吸收反向電動勢，這種電路就是二極管的續(xù)流電路(如圖5-6 所示)。在這種電路中，二極管起到了對其他電子元件的保護作用，所以也稱為保護二極管。 操作規(guī)范：與線圈并聯(lián)的二極管一定是負極接高電位，正極接低電位。 在汽車用電子調(diào)壓器中，起開關(guān)作用的三極管根據(jù)發(fā)電機輸出電壓的高低控制交流發(fā)電機勵磁繞組的通斷，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。在圖5-7 所示電子調(diào)壓器電路中，點畫線框內(nèi)就是二極管續(xù)

11、流電路。在該調(diào)壓器電路中，三極管VT2 和VT3 聯(lián)合起到開關(guān)作用控制發(fā)電機勵磁線圈的通斷。當三極管斷開勵磁繞組時，勵磁繞組中就會產(chǎn)生一個較高的反向電動勢，這個電動勢如果疊加在電源 電壓上將對VT2 和 VT3 造成很大沖 擊，甚至將三極管 燒毀。當并聯(lián)上保 護二極管VD3 后， 這個反向電動勢經(jīng) 過VD3被勵磁線圈 自己吸收，避免了 對三極管的沖擊。 提示：二極管的續(xù)流電路在汽車電子電路中隨處可見，一般在繼電器、線圈等旁邊都并聯(lián)有保護二極管。保護二極管有些裝在器件外部，有些裝在器件內(nèi)部，線圈的旁邊。 二極管的限幅電路是利用二極管在導(dǎo)通后正向壓降為0.7V的特性，使得二極管兩端的電壓維持在0.

12、7V，達到限制電壓幅度的作用；二極管的檢波電路主要應(yīng)用在汽車音響電路中。二極管的這兩種應(yīng)用將在以后結(jié)合具體電路進行分析。四、特殊二極管及其在汽車上的應(yīng)用 除了普通二極管外，還有專供特殊用途的二極管，如穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管和光電二極管等。 1、穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管是一種經(jīng)過特殊工藝制造成的二極管，它與電阻配合使用，具有穩(wěn)定電壓的功能。普通二極管加上反向電壓不導(dǎo)通，可是當反向電壓達到一定程度(大于UR)時二極管會反向擊穿，普通二極管就會燒毀。但是經(jīng)過特殊工藝制造的穩(wěn)壓管就能夠耐得住反向電流。穩(wěn)壓管的外形與普通二極管區(qū)別不大，它的符號和伏安特性如圖5-8所示。 穩(wěn)壓管設(shè)計成能工作在擊穿區(qū)(BC 段)，當反向

13、電壓達到UZ時，大電流反向流過穩(wěn)壓管，阻止電壓繼續(xù)升高。這種特性使穩(wěn)壓管成為調(diào)節(jié)電壓的電子器件。 操作：用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源驗證二極管的穩(wěn)壓作用。如圖5-9(a)所示，限流電阻的阻值為500，負載電阻阻值為3K ，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5.3V，調(diào)整穩(wěn)壓電源的電壓輸出值從412V逐步變化，對應(yīng)一個輸出值，用萬用表測量負載電阻兩端電壓，觀察電壓變化。 操作規(guī)范：穩(wěn)壓管在正常工作時必須與一個電阻串聯(lián)，這個電阻提供了穩(wěn)壓管的穩(wěn)定工作電流。這個電阻的阻值根據(jù)穩(wěn)壓管的參數(shù)而有一個取值范圍。 操作規(guī)范：穩(wěn)壓管在工作時一定是正極接低電位，負極接高電位。 在汽車電路中由于各個電器總成或元件工作電流比較大，使汽車電源系

14、統(tǒng)的電壓會出現(xiàn)波動。 在汽車的儀表電路和一部分電子控制電路中，一些需要精確電壓值的地方經(jīng)常利用穩(wěn)壓管來獲取所需電壓。如圖5-9(b)所示，是利用穩(wěn)壓管為汽車儀表提供穩(wěn)定電源的電路，圖中的穩(wěn)壓管與電阻串聯(lián)而與儀表并聯(lián)。如果儀表電壓必須限定在7V，便可使用額定電壓為7V 的穩(wěn)壓管。汽車電源電壓一部分降落在電阻上，7V 電壓降落在穩(wěn)壓管上。即使電源電壓發(fā)生變化，也只是引起不同大小的電流流過電阻和穩(wěn)壓管，改變降落在電阻上的電壓，而穩(wěn)壓管始終維持7V電壓不變。 提示：穩(wěn)壓管達到反向?qū)ǖ碾妷阂卜Q為齊納(Zener)電壓，所以穩(wěn)壓管也被稱為齊納二極管。 操作規(guī)范：穩(wěn)壓管雖然能夠穩(wěn)壓，但是它畢竟是二極管，所

15、能通過的電流有限，它一般只應(yīng)用在低電壓、小電流的工作場合，對一些高電壓或大電流的工作場合不能選用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓。2、發(fā)光二極管發(fā)光二極管(簡稱LED)是采用砷(As)、鎵(Ga)、磷(P)合成的二極管，內(nèi)部基本單元仍是一個PN 結(jié)。當外加正向電壓時，向外發(fā)光，其亮度隨流過的電流增大而提高，發(fā)光的顏色和構(gòu)成PN結(jié)的材料有關(guān)，通常有紅、黃、綠、藍和紫等顏色，還有發(fā)出不可見的紅外線的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的外形及符號如圖5-10 所示。 操作規(guī)范：使用發(fā)光二極管時，一定要串聯(lián)一個限流電阻。發(fā)光二極管理想正向工作電流一般為10mA，正向?qū)▔航狄话銥?V。在汽車上如果直接將發(fā)光二極管接在電源上，應(yīng)該串聯(lián)的

16、限流電阻的阻值為 操作：用一個1K 電阻與一個發(fā)光二極管串聯(lián)，并連接到蓄電池上，觀察發(fā)光二極管。 在汽車電路中發(fā)光二極管隨處可見，主要應(yīng)用在儀表板上作為指示信號燈或報警信號燈。比如液體液面過低，制動蹄片過薄，制動燈、尾燈、前照燈等燒壞，這時相應(yīng)的發(fā)光二極管就會被接通發(fā)光，發(fā)出報警指示。 討論：看看發(fā)光二極管在日常生活中有什么應(yīng)用? 如圖5-11所示為浮子舌簧管開關(guān)式液位傳感器應(yīng)用電路。 如圖5-11(a)所示，這種傳感器是由樹脂軟管制成的軸和沿軸上下移動的環(huán)狀浮子組成的。圓管狀軸內(nèi)裝有易磁化的強磁性材料制成的觸點(舌簧管)，浮子內(nèi)嵌有永久磁鐵。當液位低于規(guī)定值時，舌簧管與浮子的位置關(guān)系如圖5-

17、11(b)中虛線浮子位置所示。當永久磁鐵接近舌簧管時，磁力線從舌簧管中通過，舌簧管的觸點閉合，報警二極管電路被接通，報警二極管發(fā)光，提示駕駛員液位已經(jīng)低于規(guī)定值。當液位達到規(guī)定值時，浮子上升到規(guī)定位置如圖5-11(b)中實線所示，沒有磁力線通過舌簧管，在舌簧管本身的彈力作用下，舌簧管觸點打開，報警二極管熄滅，表示液位合乎要求。 討論：這種傳感器可用于檢測制動液液位、發(fā)動機機油液位、洗滌液液位、水箱冷卻液液位以及沉淀物內(nèi)的含水量。紅外發(fā)光二極管經(jīng)常作為光源與光電三極管(后文敘述)組合在一起組成光電傳感器或光電耦合器，作為汽車傳感器應(yīng)用到燃油流量檢測、曲軸位置檢測、車速檢測、車高位置檢測、方向盤轉(zhuǎn)

18、角檢測等方面。課外閱讀相關(guān)技術(shù)資料。 提示：有些高級轎車在儀表盤上裝有轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角監(jiān)控儀，利用發(fā)光二極管顯示轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、前輪轉(zhuǎn)角、車門的開閉狀態(tài)。顯示狀態(tài)如圖5-12 所示。進一步：由發(fā)光二極管構(gòu)成的數(shù)碼顯示器和點陣顯示器。由8 個發(fā)光二極管可以組成1 位七段數(shù)碼管來表示1位數(shù)字和小數(shù)點。如圖5-13 所示。 圖5-13(b)中的發(fā)光二極管的正極連接在一起，接到正電源上，所以被稱為“共陽極”數(shù)碼管。按照顯示需要，只要把對應(yīng)的發(fā)光二極管的負極通過限流電阻接到負電源上，就能顯示相應(yīng)的數(shù)字。例如顯示數(shù)字“3”，將a、b、c、d、g接到負電源上，相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，顯示出數(shù)字“3”。 圖5-13(c)

19、中的數(shù)碼管是將發(fā)光二極管的負極連接在一起并接到負電源上的數(shù)碼管，稱為“共陰極”數(shù)碼管，顯示原理與共陽極數(shù)碼管類似。 操作：按照本章節(jié)課后實習一的內(nèi)容進行數(shù)碼管顯示訓(xùn)練。 提示：發(fā)光二極管有自身的缺陷，在環(huán)境較暗的情況下，顯示效果較好，在陽光直射下很難辨別發(fā)光與否；如果要增大亮度，勢必需要大電流，增加功耗，所以發(fā)光二極管及其構(gòu)成的數(shù)碼管在汽車上的使用是受到限制的。 在汽車上用于顯示的電子器件除了發(fā)光二極管和數(shù)碼管以外，還有液晶顯示器(LCD)、真空熒光顯示器(VFD)、陰極射線管顯示器(CRT)和石英指針式顯示器。這些均可在現(xiàn)代轎車電子儀表板上見到。 討論：觀察電子儀表板實物，在教師指導(dǎo)下，分辨

20、各種類型顯示器。 3、光電二極管 當光線照射在PN結(jié)上時，二極管的反向電流增加，其大小與光的照度成正比，利用這個特性制成的二極管就是光電二極管。光電二極管的結(jié)構(gòu)和外形如圖5-14 所示。 利用光電二極管制成光電傳感器，可以把非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺员憧刂破渌娮悠骷?。汽車上的許多傳感器就是利用光電二極管制成的，用于汽車自動空調(diào)系統(tǒng)的日照強度傳感器就是一個光電二極管(如圖5-15所示)。 日照強度傳感器可以把太陽的照射情況轉(zhuǎn)換成電流的變化，車內(nèi)自動空調(diào)計算機對這種變化進行檢測，來調(diào)節(jié)排風量和排風口溫度。圖5-16 是應(yīng)用在豐田凌志LS400UCFl0 型轎車上的電路圖。 光電二極管作為光傳感器還

21、被應(yīng)用到汽車燈光自動控制器中，用來檢測車輛周圍亮、暗程度。 操作規(guī)范：光電二極管大部分應(yīng)用場合與穩(wěn)壓管類似是反向工作，負極接高電位，正極接低電位。但在有些場合采用正向工作。 五、二極管的檢測和焊接方法 1、用萬用表檢測二極管的極性與判斷好壞 一般情況下，二極管都有一定的標注，塑料封裝二極管有標記環(huán)的一側(cè)是負極；國產(chǎn)二極管帶色點的一端為正極。 無標記的二極管，或者要檢測二極管的好壞，可以用萬用表電阻擋來判斷二極管的正、負極和好壞。根據(jù)二極管正向電阻小、反向電阻大的特點，將萬用表撥到R1 k擋(不能用R1 和R10 k擋，Rl擋電流太大，可能燒壞二極管；R10k 電壓太高，可能擊穿二極管)。用表筆分別與二極管的兩極相接，測出兩