半導(dǎo)體分立器件

5.1熱敏元器件5.1.1熱敏電阻的概念1．定義熱敏電阻是指阻值隨溫度的改變而發(fā)生顯著變化的敏感元件，它可以將熱量（溫度）直接轉(zhuǎn)換為電量。它們多由金屬氧化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成，也有由單晶半導(dǎo)體、玻璃和塑料等制成。2．熱敏電阻器的工作原理半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式是載流子(電子、空穴)導(dǎo)電。由于半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目遠(yuǎn)比金屬中的自由電子少得多。隨著溫度的變化，半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目就會急劇變化，故半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化明顯。熱敏電阻器正是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的熱敏元件。它是由某些金屬氧化物按不同的配方制成的，在一定的溫度范圍內(nèi)，通過測量熱敏電阻阻值的變化，便可得到被測介質(zhì)的溫度變化。3．分類熱敏電阻的分類方法很多，一般可按其阻溫特性、結(jié)構(gòu)、形狀、用途、材料、使用范圍等分別進(jìn)行分類。（1）按阻溫特性分類熱敏電阻按阻溫特性可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和正溫度系數(shù)熱敏電阻兩種。它們又可分別分為開關(guān)型和緩變型兩種。正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）是指在工作溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度升高而增加的熱敏電阻。金屬材料具有正電阻溫度系數(shù)，如圖所示。開關(guān)型緩變型溫度阻值（a）正溫度系數(shù)熱敏電阻（1）按阻溫特性分類負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）是指在工作溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度升高而減小的熱敏電阻。合成氧化物半導(dǎo)體材料具有負(fù)電阻溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻其溫度系數(shù)在-1~6（×10-2/℃），如圖（b）所示。開關(guān)型緩變型溫度阻值（b）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（1）按阻溫特性分類開關(guān)型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR），又稱臨界負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，是指在特定溫度范圍內(nèi)，其阻值急劇下降的熱敏電阻。開關(guān)型正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC-S），又稱臨界正溫度系數(shù)熱敏電阻，是指在特定溫度范圍內(nèi)，其阻值急劇上升的熱敏電阻。緩變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻或緩變型正溫度系數(shù)熱敏電阻是指在一定溫度范圍內(nèi)，其阻溫特性與開關(guān)型相似，但變化不如開關(guān)型陡峭，即變化比較緩慢的熱敏電阻。（2）按加熱方式分類熱敏電阻按加熱方式可分為直熱式和旁熱式兩種。直熱式是利用電阻體本身通過電流取得熱源而改變阻值。旁熱式是盡量減低自加熱所產(chǎn)生的電阻變化，而用管形熱敏電阻中央或珠形、片型熱敏電阻外部加熱器的加熱電流來改變阻值。（3）按材料分類熱敏電阻按材料可分為陶瓷熱敏電阻、半導(dǎo)體單晶熱敏電阻、玻璃熱敏電阻、塑料熱敏電阻、金剛石熱敏電阻等。（4）按溫度范圍分類熱敏電阻按溫度范圍可分為常溫型熱敏電阻、高溫型熱敏電阻、低溫型熱敏電阻三種。常溫型熱敏電阻：溫度范圍在-60~+350℃高溫型熱敏電阻：溫度范圍大于+350℃低溫型熱敏電阻：溫度范圍小于-60℃（5）按用途分類熱敏電阻按用途可分為補償型熱敏電阻、測溫型熱敏電阻、控溫型熱敏電阻和穩(wěn)壓型熱敏電阻。5.1.2熱敏電阻的特性參數(shù)

1．阻溫特性熱敏電阻的阻溫特性是指電阻的實際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系，即正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，如圖所示。2．伏安特性在靜態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端電壓U的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏安特性。如圖為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性。當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時，熱敏電阻的伏安特性遵循歐姆定理，當(dāng)電流增大到一定值后，由于熱敏電阻本身溫度的升高，使之出現(xiàn)負(fù)阻特性，雖然電流增大，但電阻卻減小，端電壓下降。

I(mA)U(V)圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性曲線，當(dāng)熱敏電阻的耗散功率增大時，電阻體溫度超過環(huán)境溫度，引起阻值增大，曲線開始彎曲。當(dāng)電壓增加到Um時，電流達(dá)到最大值Im。如果電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起的阻值增加超過了電壓的增加速度，電流反而減小，曲線斜率變負(fù)。

U(V)UmI(mA)Im3．額定功率熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下，長期連續(xù)工作所允許消耗的最大功率，稱為額定功率。在此功率下，電阻體自身溫度不應(yīng)超過其最高工作溫度。4．實際阻值RT實際阻值是指在一定的環(huán)境溫度下，采用引起阻值變化不超過0.1％的測量功率所測得的電阻值，又稱為零功率電阻值、不發(fā)熱功率電阻值、冷電阻值。阻值大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。熱敏電阻的實際阻值與其自身溫度關(guān)系為：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：正溫度系數(shù)熱敏電阻：式中：RT為絕對溫度T時的實際電阻值；

R0、R∞為常數(shù)，它們與電阻體的幾何 尺寸和材料的物理特性有關(guān)；

B為材料常數(shù)；

A為常數(shù)。5．標(biāo)稱阻值R25標(biāo)稱阻值R25是指環(huán)境溫度為25℃時的實際阻值。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：正溫度系數(shù)熱敏電阻：

6．溫度系數(shù)

表示溫度變化1℃時，電阻實際值的相對變化量：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：正溫度系數(shù)熱敏電阻：7．材料常數(shù)材料常數(shù)是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個參數(shù)，又稱熱靈敏指標(biāo)。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：正溫度系數(shù)熱敏電阻：式中：R1、R2分別為熱力學(xué)溫度T1、T2時的電阻值。8．測量功率測量功率是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體受測試電流加熱所引起的阻值變化不超過0.1%時所消耗的功率。絕緣電阻是指在規(guī)定的環(huán)境條件下，熱敏電阻的電阻體與加熱器或密封外殼之間的電阻值。9．絕緣電阻10．最大電壓最大電壓是指在規(guī)定環(huán)境溫度下，熱敏電阻不引起失控所允許連續(xù)施加的最大直流電壓。在正常工作狀態(tài)下，熱敏電阻規(guī)定的名義電流值。11．額定工作電流12．熱耦合系數(shù)當(dāng)熱敏電阻分別采用直熱式和旁熱式加熱方式，使旁熱式熱敏電阻的電阻體達(dá)到相同的熱電阻值時，其直熱功率P1與旁熱功率P2之比，稱為熱耦合系數(shù)。即：它是功率被有效利用的一個參數(shù)，其大小取決于熱敏電阻的結(jié)構(gòu)，其值通常大于0.5。13．最高工作溫度最高工作溫度是指在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，熱敏電阻長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。耗散常數(shù)是指熱敏電阻的溫度增加1℃時所耗散的功率。其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀及介質(zhì)種類有關(guān)。定義為：式中：H為耗散常數(shù)

△P為溫度變化△t時，耗散功率的變化量

△t為溫度的變化量14．耗散常數(shù)5.1.3熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易于實現(xiàn)遙控遙測等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。1．熱敏電阻溫度計如圖所示，熱敏電阻作為一個橋臂電阻接入電橋。當(dāng)溫度t為零度時，調(diào)整電橋達(dá)到平衡。當(dāng)t≠0時，電橋失去平衡，檢流計G不指零，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)即可測出溫度值，并可在表盤上直接以溫度刻度。這種溫度計精密度高，能遙測遙控，若配上不同規(guī)格的熱敏電阻，可進(jìn)行多點固定溫度的測量和快速測量。Rt2．熱敏電阻開關(guān)如圖所示，Rt為開關(guān)型z正溫度系數(shù)熱敏電阻，R為加熱絲，恒溫箱溫度固定在開關(guān)型熱敏電阻的臨界溫度上。當(dāng)恒溫箱溫度超過臨界溫度時，Rt阻值急劇增加幾個數(shù)量級，且遠(yuǎn)大于R，這相當(dāng)于電源被切斷，加熱絲R不發(fā)熱，使得恒溫箱溫度下降。當(dāng)恒溫箱溫度低于臨界溫度時，Rt阻值急劇減小，且遠(yuǎn)小于R，這相當(dāng)于電源接通，加熱絲R發(fā)熱，恒溫箱溫度升高。3．溫度補償如圖所示，Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。當(dāng)溫度升高時，由于晶體管為熱敏感器件，其集電極電流Ic增加。但同時NTC熱敏電阻Rt的阻值相應(yīng)減小，使晶體管基極電位Ub下降，從而使基極電流Ib減小。由于Ib隨溫度升高而減小，抑制了Ic的增加，故達(dá)到了穩(wěn)定靜態(tài)工作點的目的。Rt5.1.4熱敏電阻的測量用萬用表測量負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻1．測量零功率下標(biāo)稱電阻值測量條件要求環(huán)境溫度在25℃，且測量功率不超過規(guī)定值。如MF12-1熱敏電阻，其額定功率為1W，測量功率為P1=0.2mW，假定標(biāo)稱值為10kΩ，則測量電流為：1．測量零功率下標(biāo)稱電阻值

應(yīng)選擇R×1kΩ檔比較合適，該檔滿刻度電流I通常為幾十到一百多微安。如500型萬用表的R×1kΩ檔，其滿刻度電流為150微安。對于低阻值的熱敏電阻應(yīng)盡量選擇較高的電阻檔，以減小因測試電流所引起熱效應(yīng)造成的測量誤差。2．估測電阻的溫度系數(shù)在常溫T1下，測得電阻值為RT1。用電吹風(fēng)機或電烙鐵作為熱源，靠近熱敏電阻，然后測的電阻值為RT2，并用標(biāo)準(zhǔn)溫度計量出熱敏電阻表面的平均溫度T2。熱敏電阻的溫度系數(shù)可用下面公式進(jìn)行估算：對于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，測量計算得

小于零。5.1.5熱電偶

5.1.5熱電偶熱電偶是由兩種金屬或合金構(gòu)成，當(dāng)兩種不同金屬材料的導(dǎo)體焊接成閉合回路時，由于兩種材料的自由電子密度不同，在接觸面電子擴(kuò)散率不同，會產(chǎn)生熱電動勢，且與溫度成正比。如圖所示，A、B是兩種不同材料的導(dǎo)體，設(shè)A的電子密度大于B的電子密度，在接觸面電子擴(kuò)散的結(jié)果使A端電子濃度降低而帶正電，B端電子濃度升高而帶負(fù)電。達(dá)到平衡時，A、B端產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電位差，形成接觸電動勢。此電動勢與接觸點溫度T成正比，可用電壓表測出其值，這樣就可得出接觸點溫度T的值。

5.1.6半導(dǎo)體制冷器

吸熱

P

N

正極

負(fù)極

放熱

冷端

熱端

5.1.6半導(dǎo)體制冷器半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)在兩種不同材料導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中加上直流電壓后，由于載流子在不同導(dǎo)體中的勢能不同，在接觸面上產(chǎn)生吸熱、放熱現(xiàn)象的原理而構(gòu)成的。5.2光敏器件

5.2.1光敏電阻1光敏電阻的概念一、定義光敏電阻是光電傳感元件之一，它是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種元件，阻值隨入射光的強弱來改變。一般情況下，入射光增強，電導(dǎo)率增大，電阻值減小。2．種類光敏電阻的種類很多，可按不同的原則進(jìn)行分類。光敏電阻按照光譜特性，一般可分為紫外光敏電阻、可見光敏電阻和紅外光敏電阻等幾類。按光譜特性分類一般可分為紫外光敏電阻、可見光敏電阻和紅外光敏電阻等幾類。

光敏電阻按所用半導(dǎo)體材料不同可分為單晶光敏電阻和多晶光敏電阻。3．特點（1）光敏電阻的阻值隨入射光的強弱而改變，有較高的靈敏度。（2）光敏電阻在直流和交流電路中均可使用，性能穩(wěn)定。（3）體積小，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，可廣泛用于檢測、自動控制、通信、自動報警等電路中。5.2.2光敏電阻的特性參數(shù)1．光照特性光敏電阻的光照特性是指阻值隨光照變化而變化的規(guī)律。所有光敏電阻的光照特性都是非線性的。如圖所示，為硫化鎘光敏電阻的光照特性。由圖可見，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值迅速下降，然后逐漸趨于飽和，這時即使光照再增強，阻值變化也很小。2．伏安特性

伏安特性是描述光敏電阻上外加電壓和所流過的電流之間的關(guān)系。如圖所示，為燒結(jié)膜光敏電阻的伏安特性。由圖可見，所加電壓越高，光電流越大且無飽和現(xiàn)象，同時，不同的光照，其伏安特性具有不同的斜率。電阻R(kΩ)10050500照度L(lX)0硫化鎘光敏電阻光照特性電流I(A)電壓U(V)100lX10lX0硫化鎘光敏電阻伏安特性曲線3．亮電阻和亮電流在一定的外加電壓下受到光照時，通過光敏電阻的電流稱為亮電流。亮電流IL與外加電壓U和入射光照度L的關(guān)系為：式中：α為電壓指數(shù)；β為照度指數(shù)。光敏電阻在受到光照時所具有的阻值稱為亮電阻RL。一般測試條件照度為10lX。4．暗電阻和暗電流在一定的外加電壓下，沒有光照時，流過光敏電阻的電流稱為暗電流ID。亮電流與暗電流之差稱為光電流IP。光敏電阻在不受光照時所具有的阻值稱為暗電阻RD。定義為當(dāng)照度為0lX時，光敏電阻具有的阻值。規(guī)定在光源關(guān)閉30s后進(jìn)行測量。5．靈敏度表示靈敏度的參數(shù)有阻值變化倍數(shù)、電阻靈敏度、電流靈敏度、比靈敏度、靈敏閥等。阻值變化倍數(shù)是指暗電阻與亮電阻的比值。即：K值越大，說明光敏電阻的靈敏度越高。電阻靈敏度是指暗電阻與亮電阻之差同暗電阻之比。即：5．靈敏度電流靈敏度是指單位入射光通量下的光電流，可表示為光電流IP與照射在光敏電阻上的光通量之比。即： （微安/流明）光電流的大小除了與光通量有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。當(dāng)外加電壓為1V時，光電流靈敏度稱為比靈敏度，亦稱積分靈敏度。即： （微安/流明·伏）6．時間常數(shù)當(dāng)光敏電阻上的光照躍增（或躍減）時，亮電阻需要經(jīng)過一段時間才能躍減（或躍增）到最終的穩(wěn)定值，這就是光敏電阻的時間延遲現(xiàn)象。從光照躍變開始至達(dá)到穩(wěn)定亮電流的63％（即1-1/e）時，所需的時間稱為時間常數(shù)τ。τ越小，說明響應(yīng)越快。7．額定功率額定功率是指光敏電阻在規(guī)定條件下，長期連續(xù)負(fù)荷所允許消耗的最大功率。在此功率下，電阻器自身的溫度不應(yīng)超過最高工作溫度。光敏電阻在額定功率下，所允許承受的最高電壓稱為最高工作電壓。8．最高工作電壓5.2.4光敏電阻的測量用萬用表檢測光敏電阻時，首先選擇R×1kΩ檔，表筆分別與兩引線相接。先用黑紙擋住光敏電阻，測量的電阻值應(yīng)接近無窮大。去掉黑紙，再加光照，電阻值將減小。也可以把光敏電阻的管帽對準(zhǔn)光線方向，用黑紙片在上面晃動，不斷改變照度，萬用表的指針會隨著光線的強弱變化而左右擺動。假如指針始終停留在無窮大，說明光敏材料損壞或內(nèi)部引線開路。5.2.5光敏二極管1．光敏二極管的結(jié)構(gòu)光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上相似。如光敏二極管的結(jié)構(gòu)圖。光敏二極管有一個能射入光線的玻璃透鏡，管芯的PN結(jié)面積較大，電極面積較小，PN結(jié)的結(jié)深比普通半導(dǎo)體二極管淺，在硅片上有一層SiO2保護(hù)層，可減少暗電流。2．光敏二極管的工作原理光敏二極管與普通二極管一樣，其PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。因此，光敏二極管工作時應(yīng)加上反向電壓。當(dāng)無光照時，光敏二極管截止；當(dāng)有光照射時，PN結(jié)附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價電子吸收光子能量而被激發(fā)產(chǎn)生電子―空穴對，使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓作用下，反向飽和漏電流增加，形成光電流，該光電流隨入射光強弱變化而相應(yīng)變化，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能。3．光敏二極管的測量用萬用表檢測光敏二極管時，應(yīng)選擇R×1檔。先用黑紙擋住光敏二極管進(jìn)光口，測量二極管的單向?qū)щ娦?。正向電阻?yīng)為10～20，反向電阻應(yīng)為無窮大。去掉黑紙，測二極管反向電阻，看光敏二極管的光照特性，光照較好時，光敏二極管反向電阻應(yīng)從無窮大變?yōu)橐粋€較小值，變化越大說明靈敏度越高。5.2.6光敏三極管1．光敏三極管的結(jié)構(gòu)光敏三極管的結(jié)構(gòu)與普通三極管沒有本質(zhì)區(qū)別，只不過將集電結(jié)做成光敏二極管的形式，該集電結(jié)既是一個光敏二極管，又是三極管的一個組成部分。這種結(jié)構(gòu)等效于一個光敏二極管加上一個晶體管放大器。3．光敏三極管的測量用萬用表檢測光敏三極管時，應(yīng)選擇R×1檔。先用黑紙擋住光敏三極管進(jìn)光口，測量它的漏電情況。此時正接、反接電阻都應(yīng)為無窮大。去掉黑紙，測光敏三極管的光照特性。光照較好時，NPN型光敏三極管，c極接黑表筆，e極接紅表筆時阻值應(yīng)小于30，反接仍為無窮大。5.2.7光電耦合器1．光電耦合器的概念光電耦合器(簡稱光耦)是指把發(fā)光元件(如紅外發(fā)光二極管)和受光元件(如光電池、光電二極管、光電三極管、達(dá)林頓型光電三極管等)共同封裝于一個殼內(nèi)，完成電―光、光―電的轉(zhuǎn)換，且使輸入和輸出信號在電氣上絕緣的一類器件。光電耦合器能使電子器件實現(xiàn)無反饋的直流隔離耦合，故又被稱為光隔離器。具有容易與邏輯電路配合、壽命長、體積小、耐沖擊、反應(yīng)速度快以及無觸點等優(yōu)點，在電子儀器、儀表以及自動控制設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。2．光電耦合器的工作原理在光電耦合器的輸入端加上電信號后，發(fā)光元件發(fā)光，受光元件在光照后，由于光電效應(yīng)產(chǎn)生光電流，由輸出端引出。這樣，就實現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。3．光電耦合器的結(jié)構(gòu)常見的幾種光電耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。通常，其外殼形式和普通三極管的外殼形式相同或與集成電路中常用的雙列直插式外殼相同。封裝形式有金屬殼、雙列直插和扁平封裝等。(a)通用型(無基極引線)；(b)光敏晶閘管型；(c)通用型(有基極引線)；(d)光敏場效應(yīng)管型；(e)達(dá)林頓型；(f)光集成電路型；(g)光纖型5.2.8硅光電池1．硅光電池的結(jié)構(gòu)硅光電池是一種能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。本質(zhì)上是一個大面積的半導(dǎo)體PN結(jié)。硅光電池的基體材料為P型單晶硅薄片，在它的表面上利用熱擴(kuò)散法生成一層N型受光層，交接處形成PN結(jié)，在N型受光層上做柵狀電極。另外在受光面上還均勻覆蓋有抗反射膜，增加電池對入射光的吸收率。以硅材料為基體的硅光電池，可以使用單晶硅、多晶硅、非晶硅制造。單晶硅光是目前應(yīng)用最廣的一種，它有2CR和2DR兩種類型，其中2CR型硅光電池采用N型單晶硅制造，2DR型硅光電池則采用P型單晶硅制造。2．硅光電池的工作原理當(dāng)光照射在硅光電池的PN結(jié)區(qū)時，會在半導(dǎo)體中激發(fā)出光生電子―空穴對。PN結(jié)兩邊的光生電子―空穴對在內(nèi)電場的作用下，多數(shù)載流子不能穿越阻擋層，而少數(shù)載流子卻能穿越阻擋層，使得P區(qū)的光生電子進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的光生空穴進(jìn)入P區(qū)，將每個區(qū)中的光生電子―空穴對分離開。光生電子在N區(qū)的集結(jié)使N區(qū)帶負(fù)電，光生空穴在P區(qū)的集結(jié)使P區(qū)帶正電。P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生光生電動勢。當(dāng)硅光電池接入電路后，光電流從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，電路中即可得到電能輸出。3．硅光電池的特性1)光譜特性從曲線可見，硅光電池的光譜響應(yīng)范圍在0.5μm～1.0μm光波長之間，可以在可見光到紅外光區(qū)的范圍內(nèi)使用。2)伏安特性伏安特性表示負(fù)載為電阻時，受光照射的硅光電池輸出電壓與電流的關(guān)系。選擇合適的負(fù)載電阻，可獲得硅光電池的最大功率。3)光電特性光電特性表示光照度與光電流及光生電動勢的關(guān)系。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，當(dāng)光照度為2000lx時，開路電壓趨于飽和。短路電流與光照度的關(guān)系，在很大的光照度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。4)溫度特性硅光電池的參數(shù)受環(huán)境溫度的影響較大，開路電壓的溫度系數(shù)一般為－2.1mV/℃，短路電流的溫度系數(shù)一般為＋78μA/℃。5)頻率特性作用于硅光電池上的光交變頻率對其輸出電流具有明顯的作用，其響應(yīng)時間為1×s～1×s。5.3壓敏元器件5.3.1壓敏電阻1．定義壓敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的非線性特性原理而制成的，是指其伏安特性為非線性的電阻。非線性是由電壓引起的，在正常工作狀態(tài)下，隨著電壓的微小變化，阻值發(fā)生急劇變化。2．分類壓敏電阻種類很多，可按不同的方式進(jìn)行分類。（1）按材料分類壓敏電阻可分為氧化鋅壓敏電阻、碳化硅壓敏電阻、硅鍺壓敏電阻、金屬氧化物壓敏電阻、鈦酸鋇壓敏電阻、硒化鎘和硒壓敏電阻等。（2）按物理結(jié)構(gòu)分類壓敏電阻一般可分為體型壓敏電阻、結(jié)型壓敏電阻和薄膜型壓敏電阻等。體型壓敏電阻是指其伏安特性的非線性主要由電阻體本身的半導(dǎo)體性質(zhì)所形成。結(jié)型壓敏電阻是指其伏安特性的非線性主要由電阻體和金屬電極間的非歐姆接觸所形成。（3）按伏安特性分類壓敏電阻可分為對稱性（無極性）壓敏電阻和非對稱性（有極性）壓敏電阻兩種。（a）為非對稱性壓敏電阻的伏安特性曲線，（b）為對稱性壓敏電阻的伏安特性曲線。非對稱性只能在直流場合使用，對稱性可用于交直流場合，但如果將兩只非對稱性壓敏電阻反向并聯(lián)，則也可用于交流場合。I0UI0U(a)(b)5.3.2壓敏電阻的特性參數(shù)1．標(biāo)稱電壓標(biāo)稱電壓是指通過1mA電流時，壓敏電阻器兩端的電壓，又稱為壓敏電壓。2．電壓溫度系數(shù)當(dāng)通過壓敏電阻的電流保持恒定時，溫度每改變1℃，電壓的相對變化稱為壓敏電阻的電壓溫度系數(shù)。3．通流能力（耐浪涌能力）浪涌是指由于某種原因，使電路中產(chǎn)生的瞬時電壓或電流超過正常值的許多倍，分別稱為浪涌電壓和浪涌電流。壓敏電阻能夠承受浪涌電壓或浪涌電流的最大能力稱為通流能力或耐浪涌能力。通流能力的大小用耐浪涌能量（J/cm2）、耐浪涌電壓（V/cm2）或耐浪涌電流（A/cm2）來表示。4.電壓比電壓比是指壓敏電阻通過1mA電流時的端電壓與通過0.1mA電流時的端電壓之比。5．殘壓比在強電流脈沖的情況下，經(jīng)常用殘壓比來表示壓敏電阻的伏安特性。殘壓是指某一脈沖電流通過壓敏電阻時所產(chǎn)生電壓的峰值。而殘壓比則是這個峰值電壓與標(biāo)稱電壓的比值。對于同一個脈沖電流來說，若殘壓比較小，說明電阻的非線性較好；反之，則說明電阻器的非線性不好。5.3.3壓敏電阻的應(yīng)用壓敏電阻的主要用途是在各種電氣和電子電路中抑制浪涌。壓敏電阻還可以用于高壓穩(wěn)壓、非線性補償和自動增益控制、高壓元件的均壓電阻（其效果優(yōu)于線性電阻）。利用碳化硅壓敏電阻電流和電壓之間穩(wěn)定的二次方到三次方關(guān)系可以在模擬運算電路里，方便地實現(xiàn)對數(shù)和乘除運算。1．半導(dǎo)體器件的過電壓保護(hù)為了防止半導(dǎo)體器件工作時由于某些原因產(chǎn)生過電壓被燒毀，常常使用壓敏電阻加以保護(hù)。在晶體管集電極和發(fā)射極之間，或者在變壓器的初級間聯(lián)接壓敏電阻器，能有效地抑制過電壓對晶體管的損傷。1．半導(dǎo)體器件的過電壓保護(hù)對于二極管或可控硅元件來說，一般將壓敏電阻器與這些半導(dǎo)體器件并聯(lián)或者與電源并聯(lián)聯(lián)接。而且應(yīng)該滿足如下兩個要求，一是重復(fù)動作的反向電壓要大于壓敏電阻的殘壓，二是非重復(fù)動作的反向電壓也要大于壓敏電阻的殘壓。+U0+U0UVVVRR0R1CDGTO2．對接觸器、繼電器的保護(hù)當(dāng)切斷含有繼電器、接觸器、電磁離合器等感性負(fù)荷的電路時，其過電壓可以超過電源電壓好多倍。過電壓造成接點間電弧和火花放電，損壞觸頭，縮短設(shè)備壽命。由于壓敏電阻在高電位時具有分流作用，可以在觸點斷開的瞬間防止火花放電，從而保護(hù)了觸點。壓敏電阻保護(hù)繼電器等的聯(lián)接方法如圖所示。壓敏電阻與線圈并聯(lián)時，觸點間的過電壓等于電源電壓與壓敏電阻殘壓之和，壓敏電阻吸收的能量為線圈存儲的能量。壓敏電阻與觸點并聯(lián)時，觸點間的過電壓等于壓敏電阻的殘壓，壓敏電阻吸收的能量為線圈存儲能量的12倍。EEKKRRLVVL3．穩(wěn)壓電路在電路中，當(dāng)輸入電壓Ui的大小發(fā)生變化時，由于壓敏電阻伏安特性的非線性，從負(fù)載電阻RL中流過的電流變動很小，所以輸出電壓U0的電壓變化率小于輸入電壓Ui的電壓變化率，使電路起到穩(wěn)壓作用。R1RLVUOUi4．電壓變化倍增電路當(dāng)輸入電壓Ui增加或減小ΔU時，如果電路中兩只電阻均為普通電阻，則輸出電壓的變化率。當(dāng)R1為壓敏電阻時，由于它具有相似于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性，輸入電壓的變化部分ΔUi幾乎全部到達(dá)輸出端，使電路輸出電壓的變化率大于輸入電壓變化率，起到電壓變化倍增作用。這種電路可用于將某一量變換為電壓之后，取出其變化量的裝置。RVUOUi5.3.4瞬態(tài)電壓抑制二極管瞬態(tài)電壓抑制二極管是一種安全保護(hù)器件，對電路中瞬間出現(xiàn)的浪涌電壓脈沖可起到分流鉗位作用，能有效降低由于雷電及電路中開關(guān)通斷時感性元件產(chǎn)生的高壓脈沖，避免對電子設(shè)備的損壞。1．瞬態(tài)電壓抑制二極管的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)電壓抑制二極管通常采用二極管式的軸向引線封裝。其核心單元為芯片，芯片由半導(dǎo)體硅材料擴(kuò)散制成，分為單極型和雙極型兩種結(jié)構(gòu)。單極型瞬態(tài)電壓抑制二極管有一個PN結(jié)，雙極型瞬態(tài)電壓抑制二極管有兩個PN結(jié)。它們都是利用現(xiàn)代半導(dǎo)體制作工藝在同一塊硅片正反兩個面上制作出的兩個背對背的PN結(jié)。瞬態(tài)電壓抑制二極管芯片的PN結(jié)經(jīng)過玻璃純化保護(hù)后由引線引出，再由惰性環(huán)氧樹脂封裝而成。2．瞬態(tài)電壓抑制二極管的特性其正向特性與普通二極管相同，反向特性為突變型的PN結(jié)雪崩擊穿特性。在瞬態(tài)脈沖電壓作用下，流過瞬態(tài)電壓抑制二極管的電流，由原來的反向漏電流上升到擊穿電流，其兩端電壓則由反向關(guān)斷電壓上升到擊穿電壓，此時瞬態(tài)電壓抑制二極管反向擊穿。隨著峰值脈沖電流的增大，通過的電流立即達(dá)到峰值脈沖電流，但瞬態(tài)電壓抑制二極管兩端的電壓被鉗位于最大鉗位電壓。電極引線芯片環(huán)氧樹脂包封5.3.5氣體放電管1．氣體放電管的結(jié)構(gòu)及原理氣體放電管主要由電極及絕緣瓷管組成，在電極的有效電子發(fā)射表面上涂有激活化合物，電極間的距離一般小于lmm，以提高電子的發(fā)射能力。為了保證氣體放電管能快速將浪涌電壓限制在低電位，在陶瓷絕緣管內(nèi)表面置有一導(dǎo)電帶，通過其作用電場來加速放電區(qū)域的電離，使放電管具有快速響應(yīng)特性和可恢復(fù)性。為了提高氣體放電管的工作穩(wěn)定性，管內(nèi)一般充有氖或氬等惰性氣體。氣體放電管有二極放電管及三極放電管兩種類型。中央電極c電極a電極b電極引線瓷管導(dǎo)電帶放電間隙電極電極瓷管激活化合物導(dǎo)電帶電極引線5.4力敏元器件力敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的壓力電阻效應(yīng)制成的新型半導(dǎo)體元件。壓力電阻效應(yīng)（亦稱壓阻效應(yīng)）是指電阻的阻值隨著外加應(yīng)力的大小而發(fā)生改變。目前最常見的力敏元器件是電阻應(yīng)變片。

5.4.1電阻應(yīng)變片的概念電阻應(yīng)變片是一種能將被測體上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的敏感器件，是應(yīng)變式傳感器的主要組成部分。1．電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。電阻應(yīng)變片是應(yīng)用很廣的力電轉(zhuǎn)換元件，通常它需要和電橋電路一起使用，由于其輸出信號微弱，還需要經(jīng)放大器將信號放大。2．金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲電阻應(yīng)變片和金屬箔電阻應(yīng)變片兩種，其結(jié)構(gòu)由保護(hù)片、敏感柵、基底及引線4部分組成。敏感柵可由金屬絲或金屬箔制成，被貼在絕緣基底上，在其上面再粘貼一層絕緣保護(hù)片，然后在敏感柵的兩個引出端焊上引出線。3．半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片主要是利用硅半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的。如果在半導(dǎo)體晶體上施加作用力，晶體除產(chǎn)生應(yīng)變外，其電阻率也會發(fā)生變化。這種由外力引起半導(dǎo)體材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。5.5磁敏元器件5.5.1磁敏電阻磁敏電阻是利用磁電效應(yīng)而制成的。磁電效應(yīng)是指磁場強度改變時，其阻值發(fā)生變化。磁敏電阻的阻值隨著穿過它的磁通量密度的不同而變化。磁敏電阻的顯著特點是在弱磁場中阻值與磁場的關(guān)系成平方律變化；在強磁場中阻值按線性關(guān)系變化，并有很高的靈敏度。5.5.2霍爾元件1．霍爾元件的概念霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)(Halleffect)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的磁敏元件。具有體積小、重量輕、壽命長、噪聲低以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，廣泛用于磁場檢測、位移量檢測、位開關(guān)等。2．霍爾元件結(jié)構(gòu)及工作原理5.5.3磁敏二極管磁敏二極管也是一種磁電轉(zhuǎn)換元件，它可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無觸點、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點，可廣泛應(yīng)用于磁場檢測、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量、電流測量、無觸點開關(guān)以及無刷直流電機等技術(shù)領(lǐng)域。1．磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是平面型結(jié)構(gòu)的二極管。在高純度半導(dǎo)體鍺的兩端用合金法做成高摻雜P型區(qū)和N型區(qū)。i區(qū)是高純空間電荷區(qū)，該區(qū)的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載流子擴(kuò)散的長度。在i區(qū)的一個側(cè)面上，用擴(kuò)散、研磨或擴(kuò)散雜質(zhì)等方法制成高復(fù)合區(qū)r，在r區(qū)域內(nèi)載流子的復(fù)合速率較大。磁敏三極管是一種新型的磁電轉(zhuǎn)換器件，具有靈敏度高、無觸點、輸出功率大、響應(yīng)速度快、體積小及成本低等優(yōu)點。在磁力探測、無損探傷、料位測量、轉(zhuǎn)速測量及自動控制中得到了廣泛應(yīng)用。5.5.4磁敏三極管1．磁敏三極管的結(jié)構(gòu)磁敏三極管由鍺材料或硅材料制成。圖所示為磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖。它是在高阻半導(dǎo)體材料i上制成結(jié)構(gòu)，在發(fā)射區(qū)的一側(cè)用噴砂等方法破壞一層晶格，形成載流子高復(fù)合區(qū)r。元件采用平板結(jié)構(gòu)，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)設(shè)置在它的上、下表面。5.5.5磁頭磁頭有音頻磁頭和視頻磁頭兩種類型，前者主要應(yīng)用于收錄機、錄音機以及單放機(也稱為隨身聽)中，后者主要應(yīng)用于攝像機、錄像機以及放像機中。其共同點都是把電信號轉(zhuǎn)變成磁信號并記錄在磁帶上，或是把磁帶上已記錄的磁信號轉(zhuǎn)變成電信號。圖5.45所示為磁頭的工作原理圖，磁頭就是通過它的磁芯縫隙泄露出來的磁力線，實現(xiàn)與磁帶的信息傳遞。1．錄放音磁頭線圈磁隙鐵芯(a)(c)B(b)輸出引線磁帶導(dǎo)向槽磁頭工作面2．視頻磁頭視頻磁頭多采用的是旋轉(zhuǎn)磁頭，以提高磁頭、磁帶間的相對速度。因此，視頻磁頭被做成鼓型，稱為磁頭鼓或磁鼓。圖5.47所示為VHS家用錄像機的磁鼓實物圖。它分為旋轉(zhuǎn)的上磁鼓和固定的下磁鼓兩部分。視頻磁鼓的磁隙一般為0.3μm～1μm，肉眼無法看到。VHS錄像機采用兩磁頭螺旋磁頭掃描方式，如圖5.48所示，磁帶走向與磁頭旋轉(zhuǎn)方向之間有一定角度，旋轉(zhuǎn)的磁鼓上相隔180°角裝有兩個磁頭。磁帶通過導(dǎo)柱的調(diào)節(jié)和下磁鼓上的磁帶引導(dǎo)線定位，卷繞在磁鼓半圓圈上，在進(jìn)帶和出帶之間形成一定高度差，利用磁鼓的旋轉(zhuǎn)和走帶，兩個磁頭輪流接觸磁帶，掃描出一條條傾斜的磁跡，來記錄視頻信息。

上磁頭鼓下磁頭鼓磁帶引導(dǎo)線5.6氣敏電阻氣敏電阻是利用金屬氧化物半導(dǎo)體表面吸收某種氣體分子時，發(fā)生氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)，而使電阻值發(fā)生改變的特性制成的一種新型的半導(dǎo)體敏感元件。二、氣敏電阻的主要參數(shù)1．測量電壓氣敏電阻的測量電壓是指輸入端所加的電壓大小。.2．加熱功率加熱功率是指加熱電壓與加熱電流的乘積。3．允許工作電壓范圍允許工作電壓范圍是指在保證氣敏電阻正常工作的情況下，工作電壓所允許的變化范圍。