半導(dǎo)體電子元器件基本知識(shí)

半導(dǎo)體電子元器件基本知識(shí)四、光隔離器件

光耦合器又稱光電耦合器，是由發(fā)光源和受光器兩部分組成。發(fā)光源常用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，發(fā)光源引出的管腳為輸入端。常用的受光器有光敏三極管、光敏晶閘管和光敏集成電路等。受光器引出

的管腳為輸出端。光耦合器利用電---光----電兩次轉(zhuǎn)換的原理，通過光進(jìn)行輸入與輸出之間的耦合。

光耦合器輸入與輸出之間具有很高的絕緣電阻，可以達(dá)到10的10次方歐姆，輸入與輸出間能承受2000V以上的耐壓，信號(hào)單向傳輸而無反饋影響。具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而用途廣泛。如在：高壓開關(guān)、信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換、電平匹配等電路中。

光隔離常用如圖：

五、電容

有電解電容、瓷片電容、滌綸電容、紙介電容等。

利用電容的兩端的電壓不能突變的特性可以達(dá)到濾波和平滑電壓的目的以及電路之間信號(hào)的耦合。電解電容是有極性的（有+、-之分）使用時(shí)注意極性和耐壓。

電路原理圖一般用C1、C2、C？等表示。

半導(dǎo)體二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管是電路中最常用的半導(dǎo)體器件，PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的重要基礎(chǔ)。

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。具有熱敏、光敏、摻雜特性；根據(jù)摻入的雜質(zhì)不同，可分為：N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體。

PN結(jié)是采用特定的制造工藝，使一塊半導(dǎo)體的兩邊分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，它們交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕丛赑端加正電壓，N端接負(fù)時(shí)PN結(jié)電阻很低，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，加反向電壓時(shí)，PN結(jié)呈高阻狀態(tài)，為截止,漏電流很小。

一、二極管

將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼就成為半導(dǎo)體二極管。

P結(jié)引出的電極稱為陽(yáng)極（正極），N結(jié)引出的電極稱為陰極（負(fù)極），原理圖中一般常用D1、D2、D？等表示。

二極管正向?qū)ㄌ匦裕ㄋ绤^(qū)電壓）：硅管的死區(qū)電壓大于0。5V，諸管大于0。1V。用數(shù)字式萬(wàn)用表的二極管檔可直接測(cè)量出正極和負(fù)極。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢越M成整流電路。將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓。

使用注意事項(xiàng)：

1、在整流電路中流過二極管的平均電流不能超過其最大整流電流；

2、在震蕩電路或有電感的回路中注意其最高反向擊穿電壓的使用問題；

3、整流二極管不應(yīng)直接串聯(lián)（大電流時(shí)）或并聯(lián)使用，串聯(lián)使用時(shí)，每個(gè)二極管應(yīng)并聯(lián)一個(gè)均壓電阻，其大小按100V（峰值）70K左右計(jì)算，并聯(lián)使用時(shí)，每個(gè)二極管應(yīng)串聯(lián)10歐的電阻均流，以免個(gè)別元件過載。

4、二極管在容性負(fù)載線路中使用時(shí)，額定整流電流值應(yīng)降低20%使用。

分類：穩(wěn)壓二極管、光敏二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管、肖特基二極管、快恢復(fù)二極管等。

1、光敏二極管，又稱光電二極管，其PN結(jié)也是工作在反偏狀態(tài)（和穩(wěn)壓二極管一樣），是一種光接受器件；其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升，反向電流與照度成正比。其可用于光的測(cè)量，當(dāng)制成大面積的光電二極管時(shí)，能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能，就是光電池。

2、光敏電阻

也是利用半導(dǎo)體光電材料制成的，在光的照射下其電阻值隨光的強(qiáng)度變化，光照越強(qiáng)阻值越小，其符號(hào)如圖：

二、三極管

三極管顧名思義，就是器件有三個(gè)電極，本站只做簡(jiǎn)單的介紹；三極管的物理結(jié)構(gòu)是由PN結(jié)構(gòu)成的，這樣因PN

結(jié)有正負(fù)和方向性，所以其不同的組合就構(gòu)成NPN、PNP兩種類型符號(hào)如圖：

NPN型正確使用為Vc>Vb>Ve;PNP型正確使用為：Ve>Vb>Vc

三極管結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：含有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄且摻雜濃度低，集電結(jié)面積大等。以上特點(diǎn)就使三極管具有電流放大的作用。其放大倍數(shù)用β表示，使用時(shí)可以根據(jù)需要選用。原理圖中常用Q1、Q2、Q？等表示。

三極管的主要參數(shù)：

1。電流放大系數(shù)/β、β

（1）共射直流放大倍數(shù)/β：當(dāng)三極管接成共發(fā)射電路時(shí)，在靜態(tài)（無輸入信號(hào)）時(shí)集電極電流Ic（輸出電流）與基極電流Ib（輸入電流）的比值稱為共發(fā)射靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)

/β=Ic/Ib

(2）共射交流電流放大倍數(shù)β：當(dāng)三極管工作在動(dòng)態(tài)（有輸入信號(hào)）時(shí)，基極電流的變化量為△Ib,它引起集電極電流的變化量△Ic.

β=△Ic/△Ib

2。極間反向電流

（1）Icbo為發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向飽和電流，小功率硅管的Icbo小于1uA,諸管的Icbo約為10uA左右。

（2）Iceo為基極開路時(shí)，由集電極穿過基極流入發(fā)射區(qū)的穿透電流，它是Icbo的（1+/β）倍。

Iceo=（1

+/β）*Icbo

由于Icbo受溫度影響很大，故溫度變化對(duì)Iceo和Ic的影響更大，選用管子時(shí)，一般希望極間反向飽和電流盡量小些。

三極管在使用時(shí)其輸出特性分為四個(gè)工作區(qū)：

1。放大區(qū)，在放大區(qū)，Ic=/βIb，Ic和Ib成正比的關(guān)系。三極管處于放大狀態(tài)的條件是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

2。截止區(qū)，硅管Ube小于0.5V時(shí)，即截止，

3。飽和區(qū)，指Ic不能隨Ib的增大而成比例增大，即Ic處于“飽和”狀態(tài)。此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置。

4。擊穿區(qū)，當(dāng)Uce大于某一值后，Ic開始劇增，這個(gè)現(xiàn)象稱為一次擊穿，三極管一次擊穿后，集電極電流突增，只要電路中有合適的限流電阻，擊穿電流不過大，時(shí)間短時(shí)，三極管是不至于燒毀的。在集電極電壓降低后，三極管仍能恢復(fù)正常工作，所以一次擊穿過程是可逆的。

三、電阻

電阻是：起限流、降壓作用。

電阻的分類與命名方法：

第一部分：主稱

第二部分：材料

第三部分：特征分類

第四部分

符號(hào)

意義

符號(hào)

意義

符號(hào)

意義

電阻器

電位器

R

電阻器

T

碳膜

1

普通

普通

W

電位器

H

合成膜

2

S

有機(jī)實(shí)心

3

超高頻

N

無機(jī)

4

高阻

J

金屬膜

5

高溫

Y

氧化膜

6

C

沉積膜

7

精密

I

玻璃

8

高壓

P

硼碳

9

特殊

U

硅碳

G

高功率

X

線繞

T

可調(diào)

M

壓敏

W

微調(diào)

G

光敏

D

多圈

R

熱敏

B

溫度

C

P

旁熱

W

穩(wěn)壓

Z

正溫度

如：RJ7，就表示精密金屬膜電阻器；WXD---表示多圈線繞電位器。

電阻的阻值及精度等級(jí)一般用文字或數(shù)字印于電阻器上，現(xiàn)常用色環(huán)表示；現(xiàn)在電阻有四色環(huán)的也有精度高達(dá)1%的五色環(huán)電阻。顏色和數(shù)字對(duì)應(yīng)如下：

棕

紅

橙

黃

綠

藍(lán)

紫

灰

白

黑

金

銀

半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱LED）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏（簡(jiǎn)稱矩陣管）等。事實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管。一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性及應(yīng)用（一）LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖1所示。假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。（二）LED的特性1．極限參數(shù)的意義（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2．電參數(shù)的意義（1）光譜分布和峰值波長(zhǎng)：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。（2）發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉(mcd)作單位。（3）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔.（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。圖3給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線方向上南嘍苑⒐馇慷任?，離開法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。（5）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。（6）正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。（7）V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10μA以下。（三）LED的分類1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。2．按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國(guó)外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。3．按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。4．按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度>100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。（四）LED的應(yīng)用由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時(shí)，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實(shí)際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下；應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR<0。6VRm。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、錄像機(jī)等的遙控器中。（1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓最高時(shí)應(yīng)使LED的電流小于最大允許電流IFm。（2）圖6(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。圖(a)中的電阻≈（E-VF）/IF；圖(b)中的R≈（1.4Vi-VF）/IF;圖(c)中的R≈Vi/IF式中，Vi——交流電壓有效值。（3）單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號(hào)是否正常，如圖7所示。R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于LED的閾值電壓時(shí)，LED才可能發(fā)光。（4）單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê螅娏麟S電壓變化非?？?，具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3V間，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VF，如圖8所示。（5）電平表。目前，在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號(hào)電平的，即發(fā)光的LED數(shù)目不同，則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當(dāng)輸入信號(hào)電平很低時(shí)，全不發(fā)光。輸入信號(hào)電平增大時(shí)，首先LED1亮，再增大LED2亮……。（五）發(fā)光二極管的檢測(cè)1．普通發(fā)光二極管的檢測(cè)（1）用萬(wàn)用表檢測(cè)。利用具有×10kΩ擋的指針式萬(wàn)用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí)，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或?yàn)椤?，反向電阻值很小或?yàn)?，則易損壞。這種檢測(cè)方法，