汽車電工電子技術(shù)基礎(chǔ)第7章

第7章半導(dǎo)體二極管

張軍汽車工程學(xué)院一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）、鍺（Ge）和硒（Se）等。一般半導(dǎo)體材料為四價(jià)元素硅鍺半導(dǎo)體的特性描述熱敏特性溫度升高或受到光照，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力增強(qiáng)光敏特性摻雜特性本征半導(dǎo)體中摻入某種微量元素（雜質(zhì)）后，它的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，利用該特性可形成雜質(zhì)半導(dǎo)體2.本征半導(dǎo)體純凈的不含任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。

在絕對溫度零度(即0K，相當(dāng)于-273℃)，且無外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體每一外圍電子被共價(jià)鍵所束縛，半導(dǎo)體內(nèi)部無電子存在，和絕緣體一樣不導(dǎo)電。但在室溫下，僅有少數(shù)價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子（稱為熱激發(fā)），并在相應(yīng)的共價(jià)鍵中留下空穴

本征激發(fā)E空穴移動(dòng)產(chǎn)生電流代表束縛電子移動(dòng)產(chǎn)生電流結(jié)論：由此可見,在本征半導(dǎo)體中，共價(jià)鍵或束縛電子移動(dòng)產(chǎn)生電流的根本原因是由于空穴而引起的。我們可以將空穴看成一個(gè)帶正電荷的粒子，在外加電場作用下，它可以自由的移動(dòng)，移動(dòng)的方向和電流的方向相同。所以空穴也是一種載流子空穴越多，半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目就越多，因此形成的電流越大半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體中,自由電子與空穴是同時(shí)成對產(chǎn)生的,因此,它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度ni=pi下標(biāo)i表示為本征半導(dǎo)體載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對。同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中失去能量,與空穴相遇,使電子、空穴對消失,這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生過程和復(fù)合過程是相對平衡的,載流子的濃度是一定的。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體（1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，摻入微量五價(jià)元素，如磷、銻、砷等，可形成N型半導(dǎo)體。由于五價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子，故稱為施主原子。N型半導(dǎo)體中，自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。

自由電子施主原子N型半導(dǎo)體特點(diǎn)Ｎ型半導(dǎo)體中,自由電子為多數(shù)載流子；空穴為少數(shù)載流子。

半導(dǎo)體仍呈電中性（2）P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。由于三價(jià)雜質(zhì)原子容易吸收電子，故稱為受主原子。P型半導(dǎo)體中，空穴稱為多數(shù)載流子，自由電子稱為少數(shù)載流子。

受主原子空穴P型半導(dǎo)體特點(diǎn)P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。半導(dǎo)體仍呈電中性4.載流子的漂移與擴(kuò)散1）漂移由于電場作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移2）擴(kuò)散由于載流子濃度的差異而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散二、二極管

1.PN結(jié)

在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別形成N型和P型半導(dǎo)體，它們的交界區(qū)域會(huì)形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)雜質(zhì)濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

形成空間電荷區(qū)

形成內(nèi)電場

促使少子漂移、阻止多子擴(kuò)散

達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)是相互矛盾的，少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄2.PN結(jié)的導(dǎo)電性1）PN結(jié)正向偏置給PN結(jié)加正向電壓，即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，此時(shí)稱PN結(jié)為正向偏置。只有外電壓增加到某一值時(shí)，才產(chǎn)生較大的擴(kuò)散電流，該電壓稱PN結(jié)的死區(qū)電壓，一般硅材料為0.7V，鍺材料為0.3V,由上可知,PN結(jié)正向偏置時(shí)導(dǎo)通電流很大（外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)）。2）PN結(jié)反向偏置當(dāng)PN結(jié)的P型區(qū)接外電源負(fù)極，N型區(qū)接外電源正極時(shí)稱反向偏置

在內(nèi)電場的作用下，N型區(qū)中的少數(shù)載流子（空穴）越過PN結(jié)進(jìn)入P區(qū)；P型區(qū)中的少數(shù)載流子（自由電子）越過PN結(jié)進(jìn)入N型區(qū)，于是在外電源的作用下形成了連續(xù)不斷的由N型區(qū)流向P型區(qū)的電流，稱為反向電流擴(kuò)散電流幾乎為0，反向電流很小PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零?？偨Y(jié)：3．二極管的結(jié)構(gòu)和類型

以PN結(jié)為管芯，在P區(qū)和N區(qū)均接上電極引線，并以外殼封裝，就制成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管。與P區(qū)相連的引線稱為陽極，用“+”表示，與N區(qū)相連的引線稱為陰極，用“-”表示。按結(jié)構(gòu)分二極管有點(diǎn)接觸型和面接觸型。

點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金結(jié)電容小工作頻率低三、二極管的伏安特性伏安特性就是管子兩電極間所加的電壓與其流過的電流之間的關(guān)系曲線。電壓的單位為伏（V），電流的單位為安（A）、毫安、微安等。正向特性、反向特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)U

UthiD急劇上升0

U

Uth

反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD=IS<0.1

A(硅)

幾十

A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大U

UthiD急劇上升604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90C四、半導(dǎo)體二極管主要參數(shù)在工程上必須根據(jù)二極管的參數(shù)合理地使用和選擇二極管，只有這樣才能充分發(fā)揮每個(gè)管子的作用。

最大整流電流IOM最大反向電流IRM最大反向工作電壓URM1.最大整流電流IOM它是二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許通過二極管的最大正向平均電流。點(diǎn)接觸型二極管的最大整流電流在幾十毫安以下。面接觸型二極管的最大整流電流較大，如2CP10型硅二極管的最大整流電流為100mA。當(dāng)電流超過允許值時(shí)，將由于PN結(jié)過熱而使管子損壞。2．最大反向工作電壓URM

它是指二極管在工作中能承受的最大反向電壓，也是使二極管不致反向擊穿的電壓極限值。在一般情況下，最大反向工作電壓應(yīng)小于反向擊穿電壓，是反向擊穿電壓的1/2或2/3。選用晶體二極管時(shí)，還要以最大反向工作電壓為準(zhǔn),并留有適當(dāng)余地，以保證二極管不致?lián)p壞。例如:2AP21型二極管的反向擊穿電壓15V，最大反向工作電壓小于10V；2AP26型二極管的反向擊穿電壓為150V，最大反向工作電壓小于100V。3．最大反向電流IRM

它是指二極管上加工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。IRM值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。硅管的反向電流較小，在幾微安以下。鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。一、整流整流電路是將交流電壓變換成直流電路，整流電路分為單相半波整流電路、單相全波電路、三相全波整流電路。1.單相半波整流電路負(fù)載電阻上得到的整流電壓U0是大小變化的單向脈動(dòng)直流電壓，U0的大小常用一個(gè)周期的平均值來表示，單相半波整流電壓的平均值為流過二極管的平均電流為因此：單相半波整流電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓的平均值低、脈動(dòng)大,電路損失大。2.單相橋式全波整流電路

橋式整流電路的整流電壓平均值比半波整流時(shí)增加一倍即：

由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器二次側(cè)電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動(dòng)小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價(jià)格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應(yīng)用。3.三相橋式整流電路負(fù)載RL上電壓U0與三相變壓器副繞組相電壓有效值U2整流電流平均值由于每個(gè)二極管在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)導(dǎo)通1/3周期，故通過二極管的電流平均值ID。是各個(gè)二極管所承受的最大反向電壓UDRM是變壓器次極線電壓的最大值，即

二、濾波電路

整流電路輸出的單向脈動(dòng)電壓含有交流分量，不能適應(yīng)各種要求直流電壓平穩(wěn)的電子設(shè)備、電氣裝置正常工作的需要。解決辦法是在整流電路之后再加接濾波電路，以改善直流電壓的脈程度。根據(jù)電容有隔直通交的作用，而電感則有直流電阻很小，交流電阻大的特點(diǎn)。將電容、電感和電阻適當(dāng)?shù)慕M合起來，便可得到各種形式的濾波電路。1.電容濾波電路特點(diǎn)

①電路簡單。②整流輸出電壓的波形比較平直。③輸出平均電壓U0較高，且隨負(fù)載RL的大小而變化。

輸出平均電壓：U0=U2（半波整流）U0＝1.2U2

（全波整流）

2.電感濾波電路電感濾波的作用是：當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，電感線圈中將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，它將阻止電流的變化，同時(shí)進(jìn)行磁場能量的存貯與釋放，使輸出電壓和電流的脈動(dòng)程度減小，波形較平直。

U0=0.9U2

電感線圈的電感L為幾亨到幾十亨，一般說來L越大，濾波效果越好。但L越大，線圈的體積及重量均增加，而且也不經(jīng)濟(jì)。電感濾波適用于負(fù)載電流較大，其變化也較大但對輸出電壓脈動(dòng)程度要求不太高的場合，例如可控硅電路。3.復(fù)式兀形濾波電路此電路由兩只電容Cl和C2及電感L組成。Cl

先對整流輸出電壓進(jìn)行電容濾波，C2與負(fù)載電阻RL并聯(lián)，再與L串聯(lián)。電感線圈L對輸出電壓的交流分量有較大的感抗，而電容C2對交流分量的容抗很小，具有較強(qiáng)的旁路分流作用，從而可使負(fù)載RL上的交流分量很小，輸出電壓的平直程度大大增加。

電阻對于交、直流電流都具有同樣的降壓作用，但是當(dāng)它與電容C2配合之后，可以使經(jīng)Cl濾波后的整流電壓中殘存的交流分量較多地降落在電阻R的兩端，而較少地分配到電容C2上（因C2的交流阻抗很?。?。從而使負(fù)載RL兩端的輸出電壓更為平直，起到更好的濾波作用。R和C2愈大，濾波效果愈好。但R太大，將使R上的直流壓降增加，且電阻要發(fā)熱，消耗電功率，故應(yīng)選擇R《RL，通常使R上的直流電壓降UR=I0R=（0.1～0.2）U0，R取值為幾十到幾百歐。

三、二極管在汽車電路中的應(yīng)用1．二極管的整流電路在汽車交流發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

四、特殊二極管在汽車上的應(yīng)用

1.穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅晶體二極管。由于它有穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓二極管。它經(jīng)常應(yīng)用在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子線路中。穩(wěn)壓二極管也稱齊納二極管。穩(wěn)壓二極管的正常工作范圍，是在伏安特性曲線上的反向電流開始突然上升的A點(diǎn)和B點(diǎn)這一段的電流，對于常用的小功率穩(wěn)壓管來講，一般為幾毫安幾十毫安。2.半導(dǎo)