半导体器件从肯有2个管脚的二极管到最新的系统LSI、超大功率器件均有广泛的研究,且被广泛地运用于手机、数码家电产品、车载设备、计量仪、甚至高速铁路、制铁等工业用设备上。
现在被称作半导体器件的种类如下所示。按照其制造技术可分为分立器件半导体、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、存储器等大类,一般来说这些还会被再分成小类。此外,IC除了在制造技术上的分类以外,还有以应用领域、设计方法等进行分类,最近虽然不常用,但还有按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。
半导体器件的种类:
一、分立器件
1、 二极管
A、一般整流用
B、高速整流用:
①FRD(Aast Recovery Diode:高速恢复二极管)
②HED(Figh Efficiency Diode:高速高效整流二极管)
③SBD(Schottky Barrier Diode:肖特基势垒二极管)
C、定压二极管(齐纳二极管)
D、高频二极管
①变容二极管
②PIN二极管
③穿透二极管
④崩溃二极管/甘恩二极管/骤断变容二极管
2、 晶体管
①双极晶体管
②FET(Fidld Effect Transistor:场效应管)
Ⅰ、接合型FET
Ⅱ、MOSFET
③IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极晶体管)
3、 晶闸管
①SCR(Sillicon Controllde Rectifier:硅控整流器)/三端双向可控硅
②GTO(Gate Turn off Thyristor:栅极光闭晶闸管)
③LTT(Light Triggered Thyristor:光触发晶闸管)
二、光电半导体
1、LED(Light Emitting Diode:发光二极管)
2、激光半导体
3、受光器件
①光电二极管(Photo Diode)/太阳能电池(Sola Cell)
②光电晶体管(Photo Transistor)
③CCD图像传感器(Charge Coupled Device:电荷耦合器)
④CMOS图像传感器(complementary Metal Oxide Semiconductor:互补型金属氧化膜半导体)
4、光耦(photo Relay)
①光继电器(photo Relay)
②光断路器(photo Interrupter)
5、光通讯用器件
三、逻辑IC
1、通用逻辑IC
2、微处理器(Micro Processor)
①CISC(Complex Instruction Set Computer:复杂命令集计算机)
②RISC(Reduced instruction SET Computer:缩小命令集计算机)
3、DSP(Digital Signal processor:数字信号处理器件)
4、AASIC(Application Specific integrated Circuit:特殊用途IC)
①栅陈列(Gate-Array Device)
②SC(Standard Cell:标准器件)
③FPLD(Field programmable Logic Device:现场可编程化逻辑装置)
5、MPR(Microcomputer peripheral:微型计算机外围LSI)
6、系统LSI(System LSI)
四、模拟IC(以及模拟数字混成IC)
1、电源用IC
2、运算放大器(OP具Amp)
3、AD、DA转换器(AD DA Converter)
4、显示器用驱动器IC(Display Driver IC)
五、存储器
1、DRAM(Dynamic Random Access Memory:动态随机存取存储器)
2、SRAM(Static Random Access Memory:静态随机存取储器)
3、快闪式存储器(Flash Memory)
4、掩模ROM(mask Memory)
5、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory:强介电质存储器)
6、MRAM(Magnetic Random Access Memory:磁性体存储器)
二极管的种类及其用法
二极管是一种具有1个PN接合的2个端子的器件。具有按照外加电压的方向,使电流流动或不流动的性质。
二极管的基本特性
利用PN接合的少数载子的注入和扩散现象,只能一个方向(正向)上流通电流。如果在PN接合二极管的N型半导体加上负压、在P型半导体加上正电压,就可使电流流通。我们将该电流的流动方向叫做正向。如果外加正、负压与上述反方向的电压,则几乎不会流通电流。我们将该方向叫做反向。如果提高PN接合二极管的反向电压,则电流在某个电压值会急剧增加。我们将该电流叫做击穿电流。此时的电压值对电流而言基本上为定值。
二极管的特性曲线和图形记号、结构
下图表示二极管的特性曲线和图形记号、结构图。
二极管的特性曲线
二极管的图形记号、结构
二极管的种类和应用
1)一般整流二极管
二极管在一般的应用上,有利用电流只在一个方向上流通的功能的交流电压主的整流电路。
2)齐纳二极管(Zener Diode)
利用PN接合二极管的反向击穿电压的即为齐纳二极管(恒定电压二极管)。由于该电压对于电流来说基本上为定值,因此用于恒定电压调节器的基准电压源或浪涌电压(异常电压)吸收等用途。
3)其它二极管
.进一步提高一般二极管的开关特性的高速恢复二极管(FRD);
. 接合金属和半导体来替代PN接合的肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode);
. 变容二极管、混合二极管、夹在真性半导体的I层中的PIN二极管等高频用二极管。
二极管的封装
1)单体
在一个封装中装一个器件的类型,使用最多。
2)中心抽头
用于一个封装内组装两个器件,且使用带有中心抽头的双绕线变压器的全波整流电路等。
3)串联
指两个二极管在内部串联,用于半波倍电压整流电路等。
4)桥式连接
如图所示,指装有四个二极管,用于将交流作全波整流时。
整流二极管的各种连接
二极管的各种封装
大电流整二极管的外观
高速开关二极管
可以改善二极管的反向恢复特性,实现高速开关的二极管。用于在较高开关频率下动作的反相器、开关整流器的还流二极管、整流二极管。同时正向损失也可降低。
特 征
PN接合二极管由于利用了少数载子,因此导电调制效果虽然可以降低正向电压,但少数载子所带有的反向恢复特性会阻碍高速切换。FRD和HED虽然都是PN接合二极管的一咱,但是将白金等重金属加入Si单结晶中,增加电子和空穴的再结合中心,能迅速消灭关断后的少数载子。同时,肖特基势垒二极管主要是由多数载子在运动,因此不会出现反向恢复特性。因此,运行也更快速。
反向恢复特性
PN接合二极管在正向电流的状态下突然施加反向电压的话,应付以在瞬间有较大的反向电流流通。这是因为从PN接合注入的少数载子反向移动,而该电流将流通直到少数载子流出或消灭为止。高速开关二极管用于缩短反向电流变为零为止的时间(反向恢复时间:trr)、改善反向电流波形的平滑性。
外加反向恢复电压时的少数载子的动作
反向恢复电流波形
种 类
1)高速恢复二极管(FRD:Fast Recovery Diode)
高速恢复二极管在结构上和一般整流二极管基本相同,但它是一种有白金、金等掺杂物质扩散在Si结晶中,增加了电子和空穴的再结合中心,关闭后少数载子会立刻被消灭的二极管。因此可以提高二极管的反向恢复特性(反向恢复时间:trr),实现高速动作。
2)高效二极管(HED:High Efficiency Diode)
高效二极管比上述FRD速度更快,损失更低(正向电压较低),因此它使用外延晶圆,在利用导电调制效果(参考PIN二极管)来降低正向电阻的同时,通过追加重金属扩散,能在不损坏正向特性的情况下,提高反向恢复特性。HED用于比FRD更为高速的开关电路。
3)肖特基势垒二极管(SBD:Schottky Barrier Diode)
真空能量等级和传导带等级的能量的差(称为电子亲和力)是利用金属和半导体的不同,根据和PN接合不同的原理,通过改变外加电压的方向来控制电流开合的。它和利用少数载子扩散电流的PN接合不同,主要是利用多数载子的漂移电流,因此可以实现高速开关。肖特基势垒二极管和PN接合二极管相比反向电流较大,因此在高压下使用时容易发生热故障,使用时要非常小心。
肖特基势叠二极管的通电状态和记号
肖特基势叠二极管的阻止状态
封装
稳压二极管(齐纳二极管)
这是利用了PN接合的反向特性的二极管。用于基准电压源和浪涌电压的吸收。
结构、动作
如果将PN接合二极管的反向电压逐渐提升的话,PN接合部的电场会升高,某个电压点会产生较大的电流。齐纳二极管(也叫稳压二极管)正是积极利用了这种电压电流特性。这种电流开始急剧流动的现象就是由齐纳击穿,或者雪崩击穿引起的。齐纳击穿是由隧道效应引起的,由于强大的电场将束缚电子拉离了接合,成为自由电子,并形成了电流,因此该电压会保持负的温度系数。而所谓雪崩击穿,是空乏层的电场中被加速的电子、或者空穴的高能量赋予了束缚电子以能量,而成为自由电子的现象,这种新的电子也被加速,并让其他束缚电子成为自由电子的现象重复的结果,就是形成了较大的电流,该电压会保持正的温度系数。大约6V以下主要是齐纳击穿,而6V以上则主要是由雪崩击穿引起的。因此,大约在5V时温度系数为零。
齐纳(稳压)二极管的图形记号、结构
齐纳(稳压)二极管的特性
用 途
齐纳二极管用于串联稳压器的在准电压源或汽车的电源线、电话线的浪涌电压(异常高压脉冲电压)的吸收,或者连接在计算机等的连接器上,来保护连接连接器时产生的ESD(静电压破坏)等。
高频二极管
高频波用的二极管也分成如下各种类型
1)变容二极管;
2)PIN二极管;
3)穿透二极管;
4)雪崩二极管;
5)甘恩二极管;
6)阶跃恢复二极管。
(1)变容二极管
给二极管外加反向电压时产生的空乏区域,其电荷以空间性分离,因此其发挥如同电容器的作用。当外加在二极管上的电压(反向)增加的话,则空乏层的宽度随之扩大,正如电容器的2片电极之间的间隔变宽那样,因此二极管的容量不断变小。利用这种特性,用于调谐器等同步电路、调谐电路等。
变容二极管的图形记号、结构图
(2 )PIN二极管
PN接合之间夹着本征半导体(I型),外加正向电压的话,P型半导体和N型半导体会向本征半导体注入很多空穴、以及相同密度度的电子,从而降低比电阻。这种现象叫“导电调制效果”。PIN二极管正向流通直流电流的话,在导电调制效果下会显示出较低的电阻值,但外加反向直流电压的话,I层的空乏层会扩大,结果会显示出非常小的电容值。利用这种特性,可作为高频带的开关与共振电路的频段开关和减衰器。
PIN二极管的正向
PIN二极管的反向
(3)穿透(江崎)二极管
在添加高浓度杂质的P型、N型区域外加低电压时所形成的狭小空乏层,载子以穿透现象流通。该现象在正向电流流通前的低电压时产生,因此一部分显示负的斜率特性,而该二极管即使用这种特性。
穿透二极管的特性曲线
(4)雪崩二极管
将反向电压加在PN接合面,如果超出雪崩电压,则会发生载子的累增雪崩现象。如果将共振器的频率调谐在载子的累增雪崩所穿透的I区域的长度所规定的到达时间上,那么3-300GHZ之间可以产生大输出的振荡器或放大器。
雪崩二极管的模式图
(5)甘恩(Gunn)二极管
以N型砷化镓(GaAs)的结晶构成。虽然由于电压可使电子的速度增加,但在某个临界值,电子的运动能量会被结晶格子所吸收,而使速度降低。而且外加大于临界值的电压时,在负电极附近会发生高电场区域,并在结晶中移动。由于这种高电场区域的产生、移动、消灭都是以周期性进行,因此用于5-50GHZ的微波振荡器等。
甘恩(Gunn)二极管的模式图
(6)阶跃恢复二极管
将PN接合上的电压从正向切换到反向的话,电荷会聚积起来并被释放出去,但这个过程含有很多的高次谐波,因此很容易得到高输出微波。
阶跃恢复二极管的模式图
晶体管的种类和使用方法
具有信号放大功能的3个端子的半导体器件。作为电流载体,有利用电子及空穴两个载子的双极晶体管,以及只利用电子或空穴任何一种的场效应管(FET)。
晶体管的分类
双极晶体管中根据半导体的组合方式分为NPN型和PNP型。另一方面,场效应管因结构而分为接合型场效应管(结构FET)和MOS型场效应管(MOSFET)。还可再分为N通道、P通道,N通道中电流的主体为电子,P通道中为空穴。双极晶体管用于模拟IC、高频器人年、或者音频输出、串联调节器等模拟用途。另一方面,MOSFET的ON-OFF切换动作迅速,由于结构简单,且可由开关耗电量小的CMOS栅组合而成,而且通过微细加工技术可以提高性能,从而成为数字LSI器件上的必须构件。功率MOSFET是一种适用于改变ON-OFF循环时间而控制功率的开关领域的器件。
晶体管的分类
各种晶体管封装
双极晶体管
具有2个PN接合,利用电子以及空穴两个载子作用放大或开在动作的晶体管。
结构、运作
NPN晶体管中,为了消除基极、发射极接合面的电位势垒而外加正向电压的话,电子将从发射极的范围注入基极范国。削薄基极层的厚度后,几乎所有的电子都会作为扩散电流到达基极、集电极接合面,而成为集电极电流。同时空穴也从基极注入发射极,成为基极电流,但将发射极的杂质浓度提高到基极杂质100倍的话就可以降低电流的比例,依靠微小的基极电流可以控制较大的集电极电流。
NPN晶体管中电子虽为电流的主体,但PNP晶体管中空穴为主体,因此电流的流动方向相反。
应用及用途
高频特性良好,特性由物理量决定,因此偏差少,适合于无线设备的高频电路等模拟电路。而且电流驱动能力较大,因此作为电源、音频输出、电视机的水平偏向用等功率器件被广泛使用。
双极晶体管的结构
晶体管的图形符号
NPN晶体管的动作原理
场效应管(FET)
场效应管和双极晶体管不同,仅以电子或空穴中的一种载子动作的晶体管。按照结构、原理可以分为:
.接合型场效应管
.MOS型场效应管
★接合型场效应管(结型FET)
原 理
N通道接合型场效应管如图所示,以P型半导体的栅极从两侧夹住N型半导体的结构。将PN接合面上外加反向电压时所产生的空乏区域用于电流控制。
N型结晶区域的两端加上直流电压时,电子从源极流向漏极。电子所通过的通道宽度由从两侧面扩散的P型区域以及加在该区域上的负电压所决定。
加强负的栅极电压时,PN接合部分的空乏区域扩展到通道中,而缩小通道宽度。因此,以栅极电极的电压可以控制源极-漏极之间的电流。
用 途
即使栅极电压为零,也有电流流通,因此用于恒定电流源或因低噪音而用于音频放大器等。
结型FET的图形记号
结型FET的动作原理(N通道)
★MOS型场效应管
原 理
即使是夹住氧化膜(O)的金属(M)与半导体(S)的结构(MOS结构),如果在(M)与半导体(S)之间外加电压的话,也可以产生空乏层。再加上较高的电压时,氧华膜下能积蓄电子或空穴,形成反转层。将其作为开关利用的即为MOSFET。
在动作原理图上,如果栅极电压为零,则PN接合面将断开电流,使得电流在源极、漏极之间不流通。如果在栅极旧外加正电压的话,则P型半导体的空穴将从栅极下的氧化膜-P型半导体的表面被驱逐,而形成空乏层。而且,如果再提高栅极电压的话,电子将被吸引表表面,而形成较薄的N型反转层,由此源杖(N型)和漏极(N型)之间连接,使得电流流通。
用 途
因其结构简单、速度快,且栅极驱动简单、具有耐破坏力强等特征,而且使用微细加工技术的话,即可直接提高性能,因此被广泛使用于由LSI的基础器件等高频器件到功率器件(电力控制器件)等的领域中。
MOS FET的图形记号
MOS FET的动作原理(N通道)
高频晶体管
具有高速电子移动率、低噪音特性、高fr(断开频率)等优良的特性。以使用化合物半导本为主。GaAaMESFET、HEMT、HBT等为代表一晶体管,用于移动通讯、卫星通讯等领域。
★FET系列高频晶体管
GaAs MESFET
GaAs MESFET:是利用了半导一材料中比Si移动性好的GaAs (Ⅲ-V族的化合物半导体)的接合型FET。具有高频、高增益、低噪音的特征。
基本结构
和Si不同, GaAs无法得到优质的栅极氧化膜,因此无法形成MOSFET.是一种使用金属-半导体接合面(肖特基接合面)作为栅极结构的接合型FET。在半绝缘性的基板的表面侧注入离子,或通过外延成长所作的N型GaAs通道层,上面有附加肖特基接合面的栅极电极和欧姆接点的源极、漏极电极。
动作原理
动作原理是将在金属-半导体接合面延伸到通道层内的空乏层,通过栅极电压加以控制,从而控制源极、漏极电流的结构。
高频晶体管
GaAs MESFET的结构
HEMT(高电子移动度晶体管;简称HEMT)
所谓HEMT,是指将AIGaAs/GaAs层混合接合部界面所产生的电子积蓄层作为通道的晶体管。因为可以直接通过栅极电极控制通道,因此除了低噪音、高增益以外,还具有特别优良的GHz带的高频波的特征。
基本结构
将在Ⅲ-V族化合物半导体混合接合面部分合面)所产生的高移动率的电子层(或空穴层)作为通道的肖特基栅极型FET。将栅极电极设置在AIGaAs层上,使其厚度变薄,在外加栅极电压时,使AIGaAs层完全空乏。
动作原理
由混入AIGaAs层的施体不纯物提供的电子横切混合接合面后,向能量较低的GaAs侧移动,移动后的电子被AIGaAs侧施体离子的库仑力吸引到混合接合界面,形成极薄的通道层。通过栅极电压控制该2次元电子气体的浓,控制源极、漏极之间的电流。这样,电子和不纯物离子被分离,GaAs中的电子可以不受到不纯物散乱的影响,高速移动。
GaAs系列HMET的结构
★双极系列高频晶体管
HBT(混合接合双极晶体管)及其动作原理
HBT是用于高频开发出的双极晶体管的一种。和一般的双极晶体管(单接合双极晶体管)中,发射极、基极采用相同的半导体材料制成的相反,HBT的基极、发射极使用不同的半导体材料。一般的双极晶体管为了提高高频特性,将基极的不纯物浓度提高,将在极层弄薄,但由于电流放大率会下降,因此有一定的界限。制成HBT结构,就能利用构成发射极和基极的半导体材料的能量差的不同,在不降低电流放大率的的情况下,提高不纯物浓度,进一步提高高频特性。
SiGe基本结构
其结构就是将通常的Si的NPN晶体管的基极通过外延成长转换为SiGe混晶基极。可以使用和一般硅双极相同的制程、设备制成,因此可以制造具有优良高频特性、价格便宜的半导体器件。适用于混合双极晶体管和CMOS的高频BiCMOSLSI用。
高频器件的用途
高频器件用于手机、个人机器GPS天线、卫星广播接收机等。
大功率晶体管(功率MOSFET)的种类和使用方法
大功率MOSFET绝大部分被用于开关。因此ON电压(ON电阻)的降低和调制的高速化很重要。大功MOSFET是具有高速性和高破坏耐量的理想型功率控制哭件。
★功率MOSFET结构及种类
一般MOSFET,其电流方向与芯片表面的方向平行,相反功率MOSFET是在芯片的垂直方向流经电流。这种结构中,ON电阻下降,可以流经大电流。
功率MOSFET的栅极结构中有栅极在芯片的表面方向形成的平面型栅极以及在垂直方向上形成的沟槽型栅极2种。一般情况下,沟槽型栅极结构的ON电阻可以进一步减小,但一旦变为高耐的话,在价格×性能面反而平面型栅极结构更利。
用 途
功率MOSFET因为特性比较稳定,使用方便,因此广泛使用。在DC-DC转换器等开关电源、照明设备的反相电路、马达的反相电路及速度控制等多方面得到广泛的使用。
MOSFET的结构的种类
各种功率MOSFET
★超接MOSFET
结构及动作
一般MOSFET的缺点,是提高耐压的话ON电阻就会急增加。超接MOSFET就是为了改善这个缺点而发明出来的一种器件。纵向延伸的薄板状N层和P层相邻配置,令N层和P层的杂质浓度一致。在ON状态下电子流过比电阻较低的N层,可以获得较低的ON电阻。此外,在OFF状态下使N层-P层空乏化,就能得到和本征半导体相同的平坦的电场分布,从而实现高耐压。
可以在保持MOSFET的高速开关特性的同时,获得高耐压、低ON电阻的特性。
用 途
可用于高耐开关电源、PFC(功率改善)等领域。
超级MOSFET的结构
I G B T
IBGT是高耐压MOSFET的一种。它利用导电调制效果(参照PIN二极管)改善了一般MOSFET的缺点----伴随着高耐压化而产生的ON电阻的增加。
结构及动作
要实现MOSFET的高压化。需要杂质浓度比较低,且层厚比较厚的漏极N-区域。因此,MOSFET在ON状态下的ON电阻会增大。IGBT就是在相当于MOSFET漏极的部位增加了正向的PN接合,从P型半导体向N型半导体注入空穴。这样一来,就能在该区域形成电子、空穴密度非常高的状态,实现较低的ON电阻。
用 途
IGBT被广泛应用于变频空调、IH烹调设备等白色家电产品及工业设备、泵、稳压电源、风力发电等工业用途,以及混合动力汽车、燃料电池车、还有铁路车辆的马达控制等领域。
IGBT的图形记号、结构
和一般的晶体管外观相同的IGBT
大型IGBT的外观
晶闸管(SCR)和三端双向控硅开关(TRIAC)
晶闸管(硅控制整流器件)具有NPNP的4层结构,可以通过栅极信号控制正向电流通电时间的开关用半导体器件。三端双向可控硅开关具有NPNPN的5层结构,是一种可以控制交流电压的元件。
★晶闸管
结构及动作
晶闸管具有NPNP的4层结构。从等价电路的角度来说,相当于NPN晶体管和PNP晶体管各自的基极作为内部结构连接到了对方的集电极上。因此,NPN的基极上一旦从外部流入电流后,相应产生的NPN的集电极电流就成为PNP的基极电流,该基极电流所对应PNP的集电极电流就成为NPN的基极电流,这样的循不不断重复完全成为ON状态(栅闩状态)。
晶闸管可以通过栅极关闭电流,但无法像晶体管一样自已切断电流。要进入OFF状态,需要将电流降低到一定电流(维持电流)以下,或者进入一定时间反阻止状态。
动作可分成3个状态。
.反阻止状态:对于阴术来说,阳极上外加负电压的情况下,电流和栅极状态无关,不能流通
.OFF状态:对于阴极来说,即使阳极变正时,栅极电流对于阴极成负乃至零的情况下,电流也不能流通。
.ON状态:对于阴极来说,当阳极为正时,如果在栅极上加正电压,就会产生电流。
用 途
适合于交流电压的开关及相位控制电路、电容器电压的放电电路、继电器及螺线管的开关。
以下是一些实际的应用举例:电源线的开关及灯的调光控制、加热器的功率控制、气体点火电路 点燃客点火电
路、漏电断路机、频闪闪光电路等。
晶闸管的图形记号、结构
晶闸管的特性曲线
晶闸管
★三端双向可控硅
结构及动作
三端双向可控硅的结构是将2个晶闸管相互反向并联。和晶闸管不同,可控制正反任一方向的电流。电流可双向流动是因为总有一个晶闸管是正向ON状态的。
三端双向可控硅最大特征是可以双向控制AC电流。而且正负任何一栅极输入也可以打开三端双向可控硅。
实际上在第4象限上的控制常常得不到保障,因此使用时通常用第1限限和第3象限的组合,或者第2象限和第3象限的组合。和晶闸管一样,要进入OFF状态,需要将电流降低到一定电流(维持电流)以下。利用具有三端双向可控硅输出的光耦的话,就能很方便地利用第1象限加第3象限的组合。
用 途
使用商用电源的机器,特别在洗衣机及吸尘器等家电设备及复印机等OA设备、AC马达的旋转控制及加热器功率控制、灯的调光控制、继电器及螺线管的开关电路等方面被广泛使用。
三端双向可控硅的图形记号、结构
三端双向可控硅的特性曲线
三端双向可控硅的驱动法
高电压、大电流晶闸管
作为数千V、数百A的电力控制用器件,分成GTO(门极关断晶闸管)和LTT(光触发晶闸管)
★门极关断晶闸管(GTO)
GTO结构和表一般的晶闸管类似,和一般的晶闸管一样在栅极和阴极之间外加正向电压的话,就会进入ON状态。此外,在栅极上外加反向电压主,让阳极电流被栅极侧吸收的话,就能进入OFF状态的自已消弧型晶闸管。
用 途
.铁路电车驱动装置
.工业用马达驱动装置
GTO的结构、图形记号
★光触发晶闸管(LTT)
一般的晶闸管在栅极上外加电气信号后进入ON状态,而如果是LTT的话,则在栅极上照射光仟送过来的光信号,进入ON状态。可以从电力上将主电力系统和驱系统分离开来,因此能令装置的结构更加间单。
用 途
.直流输电用电力变换装置
.周围端数变换装置、无效电力补偿装置
半导体传感器和种类和使用方法
利用光、温度、磁性、压力、加速度等外部环境的变化引起半导体内部的载子、空乏层、接合部分电容等的变化,作为电压及电容变化取出的即为半导体传感器。
半导体传感器的种类
下图所示代表性半导体传感器的种类、传感的对象以及用途。
比如,光电传传感器有光电二极管。这是将进入接合部分的光量变换为电荷的传感器,可以将排列多个光电二极管的电荷通过时钟脉冲像“水桶传接”般取出的即为CCD图像传感器。
磁性传感器的动作原理
这里就属于磁性传感器的霍尔器件(Hall element)作说明
霍尔器件的动作原理
如果在半导体芯片中流通控制电流(IH),在电流垂直的方向上外加磁场(磁束密度B)的话,电流和磁场呈垂直的方向上将产生电压。这种现象叫做霍尔效应,产生的电压叫做霍尔电压(VH)。利用这种霍尔效应,检测出磁场的传感器即为霍尔器件,材料主要适用Si、 GaAs。
内置放大输出电压的电路等的器件叫做霍尔IC。
霍尔电压VH用
VH=KH.IH.B来表示。
KH:积感应系数(常数)
用 途
用于马达旋转测、乘法电力计等。
霍尔器件的外观
霍尔器件的动作原理
光电半导体的体系
我们将使用半导体,将电气信号变换为光信号或反过来将光信号变换为电气信号的器件叫做光电半导体。光电半导体有各种种类。按照功能、动作原理、结构、用途分类,主要的光电半导体可以分为以下几类。
光电半导体的体系
发光二极管(LED)的动作原理
LED是放射光的二极管,流通电流的话,将发射可见光或红外线光。
L:Lingt
E:Emitting
D:Diode
动作原理:
LED是具有PN接合面的半导体。外加正向电压的话,电子将从N型区域,空穴将从P型区域向PN接合部分移动后再结合,电子带来的能量就转换为光。也就是说,自由电子和空穴进入结合状态时所产生的能量变成光后放射出来。
光的颜色(光的波长)由半导体的种类和添加物决定,各种化合物半导体的用法如下。
主要LED用半导体的种类
发光二极管的结构
发光二极管的动作原理
发光二极管的图形记号
可见光LED的种类和使用方法
可见光LED属于诉诸于视觉的器件,因此针对颜色、形状、结构有各种种类
★LED灯
指用透明树脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等构成的LED芯片器件。发光的部分主要呈圆屋顶形状,可以根据用途转变为三角形、四角形、凸形等。如果是高亮度LED的话,则可以获得5cd(烛光)以上的光量。
用 途
汽车用停止灯、铁路用信号机、道路信息板等
LED灯的外观
★SMD LED灯的外观
SMD LED是一种和一般的圆形LED灯相比,以小型薄型为特征的表面安装用器件。由于近年来电子设备小型化,需要急速增加。
用 途
手机、移动设备
SMD LED灯的外观
★白色LED
为了用LED作全色显示,必须采用发出3原色(红色、绿色、蓝色)光的LED。白色LED就是将各种发光芯片内置在1个封装内的器件。此外,还有在蓝色LED里内置补色荧光体,用蓝色以及蓝色能量激起的补色来发出白色光的器件。
用 途
全色液晶面板用背景光、低耗电灯
白色LED的原理
★LED显示器
指将LED芯片固定在印刷基板及金属引线上,用成形的树脂外壳封住数字及文字的器件。7段数字显示显器为代表器件。
用 途
.TV、TVR
.音响
.家用电器
.OA设备
LED显示器的外观
★显示用LED
除了高亮度化、多色化以外,还可以发挥所谓高可靠性、低耗电、高速应答性等LED特征,实现多色显示。安装多色显示。安装驱动LSI的点陈式显示为代表性器件。
用 途
.车站的目的地显示板
.各种信息显示板
.商场、棒球场、赛马场的室外大画面显示器
显示用LED的外观
激光半导体的动作和使用方法
激光半 体也被称为“激光二极管”(Leser Diode).激光是一种通过诱导放出来将光放大的器件。而发出人眼可以识别的波长的叫做VLD(Visible Laser Diode).
动作原理
激光半导体(LD与LED不同,不是由注入的少数载子简单地重新结合起来,而是由于光的刺激而再结合起来,发出相位一致的光来)。 而且,芯片的一对端面呈镜面状,由激光共振器构成。光在该共振器内往返的过程中放大后,取出到芯片外部。
特征
因为LD的主体是被称为诱导放出的发光过程,因此可以得到波长及相位整齐集中在一起(相干性)的光。为此,指向性及能量集中性相当优良。
激光半导体的外观
激光半导体的动作原理
结晶的种类的振荡波长
使用的结晶材料不同,激光的振荡波长也不一样。大致可分为如左图所示几大类。而且,可以由1个器件发出2种不同波长振荡的二波长激光半导体也已经大量生产。
主要的应用领域
InGaAIP激光:光盘(DVD)、条形码读取头
GaAIAS激光:光盘(CD/MD)、激光束打印机
InGaAsP激光:光通信
InGaN激光:光盘(HD-DVD、蓝光光碟)
结晶的种类的振荡波长
激光半导体的封装结构
受光器件的种类和使用方法
半导体的基本机构之一PN接合部对光是非常敏感的。受光器件就是利用了这个特点,将光信号变换为电气信号(电流或电压)
★光电二极管
一旦光射入PN接合二极管,结合在晶格内的电子被解放,成为自由电子,会产生一对自由电子及空穴。反向电压引发的空乏层内,或者其附近由于光的照射而产生的自由电子和空穴对将会会离,成为强度与光的强弱成比例的反向电流。这就叫光电流。空乏层以外的区域产生的自由电子和空穴对会再次接合成为热,并消失。
用途
光传感器
摇控器(红外光受光)
检测出光的断开
光电二极管的动作原理
光电二极管的图形记号
★太阳电池
利用光电二极管,将光能量变换为电气能量的器件即为太阳电池。 如果加了正向电压其电压仍然较低的话,由于电位势垒存在空乏层,因此光照射而产生的自由电子和空穴对会分离,在正向电压状态下会流出输出电流。在要求较高变换效率的用途中,使用单结晶硅或化合物半导体的GaAs等,在即使变换效率某种程度上较低,但要求大面积、低价格的用途中,使用非晶质硅等。
用途
钟、电子计算器
太阳光发电系统
★光电晶体管
可以视为光电二极管中安装放大器的晶体管。 形成基极、集电极的PN接合是一种感光的二极管。通过光,在这个接合面产生的光电流将向发射极流动。通过晶体管的放大作用,这种发射极电流将放大到最初光电流的几百倍。
用途
光电传感器
光电开关
受光晶体管的外观
光电晶体管的动作原理
光电晶体管的图形记号
CCD图像传感器的动作和使用方法
这是将矩阵状分配的多个光电二极管和CCD集成到一起的光电传感器。CCD是一种将光电二极管内产生的面系列电荷依次转送并转换成时间系列的器件。(C:Charge C:Couple D:Device)
CCD的结构和动作原理
CCD具有形成于基板表面的N型不纯物层的上面像链条一样并排多个MOS型电极的结构。转发电极是重合2层或3层多晶硅的结构,尽可能缩小电极和电极的间隔形成。沿着排放的转发电极,施加以时钟脉冲的话,存在于电极之下的电荷将按顺序向旁边的电极之下移动。
CCD的结构
CCD图像传感器
在P型不纯物层的上部形成光电二极管、CCD、信号检测电路。光电二极管将光变换为电子(电荷),CCD将该电荷发送到信号检测电,电荷变换为电压信号。我们将光电二极管一维排列的传感器叫作线性传感器,将二维排列的传感器叫作面阵图像传感器。
CCD图像传感器(线性)的外观
特征
高感应度
高解析度
低噪音
用途
图像扫描仪
多功能打印机
复印机
CMOS图像传感器的动作和使用方法
这是将矩阵状分配的多个光电二极管和MOS模拟开关集成到一起的光电传感器。矩阵状配置的MOS模拟开关是将光电二极管中产生的面系列电荷转换成时间系列的器件。
CMOS图像传感器
CMOS图像传感器由半导体基板上的光电二极管和每个光电二极管形成的读取晶体管电路以及指定地址的扫描电路构成。读取在扫描电路上指定的光电二极管的电荷,然后在晶体管中依次作为输出信号读取。CCD图像传感器按照顺序转发电荷,输出图像信息,碉CMOS图像传感器将纵向和横向的晶体管动作组合后输出图像信息。
特征
低耗电
单一电源驱动
系统集成电路化简单
用途
插秧机、便携式信息终端机、数码相机、PC相机、图像辨识(指纹检测、二维条形码等)
CMOS图像传感器(面陈型)的外观
CMOS图像传感器的结构
CCD图像传感器和CMOS图像传感器的动作比较
光耦的动作和使用方法
这是一种将发光器件和受光器件进行光学性结合(耦合),安装在1个封装内的光复合器件。可以在电路和电路之间电气性绝缘的情况下传达信号。
内部结构
安装在个别框架内的发光器件(一般情况下为红外线LED)和受光器件在光结合的状态下放置,并且彩绝缘性的树脂塑膜定型。
光耦的内部结构
动作原理
通过电气输入信号从发光器件(LED)放射出来的光通过受光器件再次变换为电气信号输出。输入信号和输出信号都是电气信号,但器件内部是通过光来执行信号传输的。因此,该器件的特征就是输入侧和输出侧电气性处于数千V的绝缘分离状态。
光耦的动作原理
种 类
根据应用电路,存在具有各种受光器件的光耦
晶体管输出
达林顿晶体管输出
晶闸管输出
三端双向可控硅输出
IC(逻辑)输出.
光耦的外观
光耦的种类
用 途
电子设备中,微控制器等直流电压系统、交流电压系统、电话线等不同的电源系统安装在相同的装置内,相互传达信号。
将这些不同的电源系统直接结合的话,可能会引起动作上或安全上各种故障,而如果使用光耦的话,可以在各电源系统之间绝缘的状态下传达信号。
家电产品、AV机器
电源、充电器
电话、计算机
光继电器的动作和使用方法
和光耦结构类似,而特别把用源极共通连接起来的2个MOSFET构成输出段的器件叫作光继电器。
光继电器的外观
动作原理
将受光器件的光电二极管作为太阳电池使用。红外线LED发射光的话,受光器件(太阳电池)就会产生光起电力。这个电力通过控制电路令MOSFET的栅极电压上升,就能让MOSFET进入ON状态。控制电路能缩短 MOSFET的关闭时间,将OFF期间的栅极电压保持为0,防止MOSFET误启动。
光继电器的动作原理
特 征
作为对机器进行ON/OFF控制的器件,有机械式继电器(机械式接点)。光继电器和信号用机械式继电器相比,具有以下优点。
动作速度较快
无机械性磨损,寿命长
可以实现小型、薄型化
用 途
电话、交换机、调制解调器
测定器、测试器
光断路器的动作和使用方法
指以将发光器件和受光器件在套筒内一体化,通过光的遮光或反射以检测出物体为目的的器件。
光断路器的外观
★透过型光断路器
动作原理
保持某一间隔,使发光二极管和受光器件相对,通过受光侧的光量变化,以非接触的方法测出通过该间隔的物体。
透过型光断路器的结构
★反射型光断路器
动作原理
将发光二极管和受光器件配置在一个方向,通过物体将发光二极管的光反射,用受光器件进行检测。也叫做反射型光传感器。
反射型光断路器的结构
用 途
OA机器(打印机、复印机)
AV机器(VTR、唱机)
家电产品(电子微波炉、换气加热器)
光通讯用器件(OCD)和种类和使用方法
将发光侧(LED或激光二极管)的信号用光纤传送到受光侧(光电二极管)的光通信系统中所使用的就是光通讯用器件(OCD:Optical Communication Device)。
光通讯的原理
1) 输入电气信号通过发光器件变换为光信号。
2) 光信号通过光纤传输到受光器件。
3) 光信号经由受光器件转换为电气信号后输出。
光通讯的原理
光通讯的特征
和使用电线,保持电气信号的状态传输信号时,或通过电波传输时相比,具有以下特征。
光纤不受到电磁噪音的影响
不从光纤放射电磁噪音(信号不泄漏)
可以传输大容量信号
光通讯系统的种类和使用器件
光通讯系统大致可以分为以下几类。
光通讯用器件的外观(短*中距离用)
光通讯用器件的外观(中*长距离用)