半導(dǎo)體電子元器件基本知識

半導(dǎo)體電子元器件基本知識四、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，信號單向傳輸而無反饋影響。具有抗干擾能力強、響應(yīng)速度快、工作可靠等優(yōu)點，因而用途廣泛。如在：高壓開關(guān)、信號隔離轉(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到濾波和平滑電壓的目的以及電路之間信號的耦合。電解電容是有極性的（有+、-之分）使用時注意極性和耐壓。

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?，即在P端加正電壓，N端接負時PN結(jié)電阻很低，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，加反向電壓時，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)引出的電極稱為陽極（正極），N結(jié)引出的電極稱為陰極（負極），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)字式萬用表的二極管檔可直接測量出正極和負極。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}動電壓。

使用注意事項：

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）或并聯(lián)使用，串聯(lián)使用時，每個二極管應(yīng)并聯(lián)一個均壓電阻，其大小按100V（峰值）70K左右計算，并聯(lián)使用時，每個二極管應(yīng)串聯(lián)10歐的電阻均流，以免個別元件過載。

4、二極管在容性負載線路中使用時，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度的增加而上升，反向電流與照度成正比。其可用于光的測量，當制成大面積的光電二極管時，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度變化，光照越強阻值越小，其符號如圖：

二、三極管

三極管顧名思義，就是器件有三個電極，本站只做簡單的介紹；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)有正負和方向性，所以其不同的組合就構(gòu)成NPN、PNP兩種類型符號如圖：

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)上的特點是：含有兩個背靠背的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：當三極管接成共發(fā)射電路時，在靜態(tài)（無輸入信號）時集電極電流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：當三極管工作在動態(tài)（有輸入信號）時，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，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，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Iceo和Ic的影響更大，選用管子時，一般希望極間反向飽和電流盡量小些。

三極管在使用時其輸出特性分為四個工作區(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，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)。此時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置。

4。擊穿區(qū)，當Uce大于某一值后，Ic開始劇增，這個現(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，時間短時，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

意義

符號

意義

符號

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

有機實心

3

超高頻

N

無機

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1%的五色環(huán)電阻。顏色和數(shù)字對應(yīng)如下：

棕

紅

橙

黃

綠

藍

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（簡稱LED）、數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(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)?，反向截止、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)。進入對方區(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。理論和實踐證明，光的峰值波長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。比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，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：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。（2）發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發(fā)光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(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峰值光強所對應(yīng)兩波長之間隔.（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強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發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比）。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，相對發(fā)光強度越小。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)光時的正向電流值。在實際使用中應(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時測得的。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，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，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，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（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。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圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強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)用以組成自動檢測系統(tǒng)。（2）標準型。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)光強度和工作電流分按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強度>100mcd）；把發(fā)光強度在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)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應(yīng)根據(jù)實際需要進行恰當選擇。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，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實際電流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、錄像機等的遙控器中。（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表示輸出信號是否正常，如圖7所示。R為限流電阻。只有當輸出電壓大于LED的閾值電壓時，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?，電流隨電壓變化非?？?，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。當輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先LED1亮，再增大LED2亮……。（五）發(fā)光二極管的檢測1．普通發(fā)光二極管的檢測（1）用萬用表檢測。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時，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或為∞，反向電阻值很小或為0，則易損壞。這種檢測方法，