特種半導體器件和應用課程練習題 第二章 特種可控硅 1 2 可控硅中損耗與頻率的關系 通損耗和反向恢復損耗所占總損耗的比例隨著頻率的增高而加大 而通態損耗占總損耗的比例隨著頻率增 高而減少 當達到某一頻率 表中 5kHz 時降到零 因此 可控硅在低頻工作時 通態損耗占主要部分 當頻 率增高到某一數值時 開關損耗 開通損耗和反向恢復損耗 和擴展損耗開始占主導地位 進一步增加工作頻率 只出現開關損耗和擴展損耗 特別是開通損耗隨著頻率提高而單調地增加 頻率越高 開通損耗越大 大的 開通損耗將使平均結溫升高 這一開通損耗并不是分散在整個陰極結面上 而是集中在局部的初始導通區內 引起初始導通區的瞬時溫升增高 從而導致器件在短期內出現熱疲勞損壞 縮短元件的工作壽命 嚴重時可 能立即燒毀 3 4 可關斷可控硅 GTO 的基本原理 GTO 和普通可控硅一樣 均為 PNPN 四層三端元件 只是 GTO 的關斷結構和關斷機理與普通可控硅有所不 同 GTO 和普通可控硅最重要的區別就是回路增益 1 2 1 而近似等于 1 因而處于臨界導通狀態 5 GTO 的主要參數 1 最大可關斷陽極電流 IATO 2 關斷增益 off 3 掣住電流 IL 4 關斷時間 toff 6 雙向可控硅的觸發方式 1 I 觸發方式 2 I 觸發方式 3 觸發方式 4 觸發方式 7 畫出用開關 S 有切換雙向可控硅的三種工作狀態 開關 S 在位置 1 上 雙向可控硅處于斷態 電路不接 通 在位置 2 上 門極只允許半波電流通過 這時雙向可控硅相當普通可控硅 在位置 3 上 門極全波接 通 并說出在位置 2 和位置 3 上各自的觸發方式 圖 b 開關 S 有三種工作狀態 開關 S 在位置 1 上 雙向可控硅處于斷態 電路不接通 在位置 2 上 門極只允許半波電流通過 這時雙向可控硅相當于普通可控硅 負載 RL 上得到半波脈動直流功率 觸發方式為 I 在位置 3 上 門極全波接通 觸發方式為 I 和 8 雙向可控硅的重要特點 不管所加觸發信號電壓 UG 對 T2 是正向還是反向 雙向可控硅都能被觸發導通 雙向可控硅的這個特點 是普通可控硅所沒有的 9 雙向可控硅的特性參數 1 雙向可控硅的伏安特性曲線 2 額定通態平均電流和額定通態平均電壓 3 門極可觸發電流 IGT 和門極 可觸發電壓 UGT 4 維持電流 IH 和掣住電流 IL 5 浪涌電流 ITSM 6 換向電流臨界下降率 di dt c 7 結溫 10 11 畫出雙向可控硅燈光調節電路并說明其工作原理 雙向二極管 2CTS R1 和 C1 組成觸發電路 當電源電壓為正半周時 電源電壓通過 R1 向 C1 充電 電容 C1 上的電壓極性是上正下負 當這個電壓增高達到雙向二極管的轉折電壓時 雙向二極管導通 使雙向可控硅 的門極 G 相對主電極 T2 得到一個正向觸發脈沖 使雙向可控硅導通 這相當于 I 觸發方式 在電源電壓過 零的瞬間 雙向可控硅自動阻斷 當電源電壓處于負半周時 電源電壓對 C1 反向充電 C1 上電壓的極性為 下正上負 當這個電壓值達到雙向二極管的轉折電壓時 雙向二極管導通 使雙向可控硅得到一個負向觸發 信號 使雙向可控硅導通 這相當于 觸發方式 在電路中 調節 R1 的阻值 可以改變 R1C1 的時間常數 從而改變了觸發脈腫的出現時刻 即改變了雙向可控硅的導通角 因而使負載上得到的平均電壓不同 達到 調節燈光的目的 電阻 R2 R3 和電容 C2 是為了防止燈從關 開 產生燈突然亮的 突跳 而且可將移相 范圍擴大 12 13 光控可控硅的工作原理 可以把元件看成是由兩個三極管組成的 一個是 P1N1P2 型三極管 另一個是 N1P2N2 型三極管 如圖 a 所示 中間的 N1P2 部分為兩個三極管共用 這一部分相當于一個光電二極管 當一定照度的光信號 照射到 J2 處的光敏區時 在光能的激發下 J2 附近產生大量的電子和空穴兩種載流子 它們在外加電壓的作 用下穿過 J2 結的阻擋層 使光控可控硅從阻斷狀態變成導通光控可控硅導通之后 即使無光照也不會自行截 止 而只有當加在元件上的正向電壓降到零或成為反向電壓才會截止 第四章 熱敏電阻 1 寫出熱敏電阻器的幾個主要特性和主要參數 1 電阻 溫度特性 2 伏 安特性 1 標稱電阻值 R25 2 電阻溫度系數 1 3 耗散系數 H單位 W 1 4 時間常數 單 位 J 1 5 額定功率 PE 6 測量功率 2 3 寫出熱敏電阻流量計的原理并畫出示意圖 它是將兩個熱敏電阻器分別置于管道中央和溫度與流動介質相同 但不受介質流 速影響的小室中 兩只熱敏電阻 RT1 RT2 和電阻器 R1 電位器 W2 構成電橋 的四臂 電位器 W1 和電位差計 G 作為流量指示器 直流電源 E 通過開關 K 加 到橋路的兩個端點上 當介質處于靜止狀態時 電橋處于平衡狀態 電流計沒 有指示 當介質流動時 RT1 介質流動要帶走熱量 它的溫度要發生變化使阻 值改變 于是電橋失去平衡 電流計就有指示 電橋的指示直接反映了所測介 質流速 電位器 W2 可以調整電橋平衡的零點 電位器 W1 可以調整表頭的靈敏度 4 寫出串并聯熱敏電阻用于溫度補償的方法和電路圖 用曲線表示效果 右圖 b 所示為串并聯溫度補償電路及原理說明 由特性曲線可見 經過補 償之后 ab 之間的總電阻 Rab 的在 20 80 的范圍內阻值變化不超過土 2 5 寫出 PTC 熱敏電阻的恒溫原理 PTC 熱敏電阻具有恒溫作用 電流通過元件后引起元件溫度升高 當超過 居里點溫度后 由電阻 溫度特性曲線可知 電阻增大 在恒壓情況下則電 流下降 相應元件溫度亦降低 電阻值減小 這又導致電流增加 元件溫 度升高 電阻增加 電流下降 重復上述過程 這樣 元體本身就起到了 自動調節溫度的作用 6 畫出 PTC 熱敏電阻用作自動開關的電路并說明其工作原理 以電視機消磁電路為例 在彩色電視接收機中 為了排除由于地磁及各種干擾磁場對機器中某些鐵磁部件造成的磁化影響 從而保證 較好的色純和會聚 提高圖象質量 要設置消磁電路 要求消磁線圈中流過如后圖 a 所示的振幅隨時間衰減 的正弦波電流 后圖 b 所示電路就能產生這樣的電流 電路中 LDG 是消磁線圈 RT 是正溫度系數熱敏電阻 K 是開關 剛接通電源時 因為 RT 的冷阻值很小 就有很大的電流流過消磁線圈 同時流過電阻 RT 使其 溫度上升 從而 RT 阻值迅速增加 因此流過消磁線圈的電流急劇衰減 三 四秒鐘之內電流減至很小 這一 很小的電流既可維持 PTC 熱敏電阻 RT 的溫度和高阻值 又不致對收看電視節目造成不良影響 這里 PTC 熱敏電阻起到了自動開關作用 剛接通電源時開關閉合 幾秒鐘之后自動將電源切斷 忽略掉殘存的很小的電 流 第五章 力敏器件 1 固體壓阻效應的原因是哪二種 固體產生壓阻效應的原因大體上有兩個 一是固體外形變化 即長度和截面積變化帶來的電阻變化 另一個 是由于應力 固體電導率本身發生變化而帶來的電阻變化 2 3 寫出半導體應變片的幾個特點 1 應變靈敏度系數大 2 可以得到正應變靈敏度系數 伸長形變時電阻增加 和負應變靈敏度系數 伸長形變時 電阻減少 因此 容易制作溫度補償應變片 金屬應變片只能得到正應變靈敏度系數 3 應變片阻值變化范 圍很大 4 半導體應變片有幾種 1 溫度自補償半導體應變片 2 雙器件溫度補償型半導體應變片 3 靈敏度補償型半導體應變片 4 通 用型半導體應變片 5 大功率型半導體應變片 6 超直線性半導體應變片 5 使用半導體應變片時應注意哪幾點 1 按照需要和彈性體 試件 的結構形式選擇應變片的型號 2 根據應力大小設計彈性體的造形 3 粘貼應變片之前要將彈性體表面處理干凈 去除氧化層和油膩 粘貼表面應保持平整 光潔度不低于 v5 放入 40 烘箱烘 15 分鐘 4 粘貼時要選用適合的應變膠 如天津產 KY 4 應變膠 貼上應變片 待固定后放置在室溫下固化一小時 然后放入 60 烘箱內 再固化一小時 對于測量精度要求不高的傳感器 也可在室溫下固化五小時后直接使 用 5 貼片時 注意應變片與彈性體之間保證良好的絕緣性 防止產生漏電流 使測量穩定 6 粘貼完畢之后 在應變片上涂一層防護層 以防止大氣對應變片的侵蝕 保證應變片長期工作的穩定性 若工作于高溫 潮濕 鹽霧 腐蝕 汽油等環境下 還應采取隔離和封閉結構 也可涂防護劑 6 在結型場效應力敏器件中壓阻和晶向的關系 從半導體壓阻理論分析表明 溝道電阻在應力作用下發生改變完全是由于載流子濃度和遷移率發生改變的結 果 而對于不同晶向的遷移率的改變又是不一樣的 壓阻系數 在不同晶向有著不同的數值 因此 在制造 結型場效應力敏器件時 應當選用壓阻效應比較大的晶向 以便獲得較高的靈敏度 第六章 1 說出什么是霍爾效應 所謂霍爾效應是指載流半導體位于方向與電流方向垂直的磁場中 在垂直于電流和磁場的方向上產生電壓 稱 霍爾電壓或霍爾電勢 的現象 2 寫出霍爾器件的主要參數 1 控制電流極內阻 2 霍爾電勢極內阻 3 靈敏度 4 不等位電阻 5 最大控制電流 6 霍爾電勢溫 度系數 7 內阻溫度系數 8 寄生直流電勢 9 熱阻 3 說明什么是磁阻效應 霍爾元件的內阻隨磁場絕對值的增加而增加的現象稱為磁阻效應 圖 7 所示為兩種不同的霍爾元件內阻 R 和 磁感應強度 B 之間的關系 圖中 R 0 為 B 0 時的內阻 由圖可見 不同型號的霍爾元件磁阻效應不同 這不 僅和材料有關 還和元件的幾何形狀有關 4 什么是零位誤差并寫出二種補償方法并畫出電路圖 霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢 寄生直流電勢 感應零電勢和自激零電勢 其中不等位電勢是主要的 零位誤差 霍爾元件通過控制電流時 即使不加外磁場 元件的霍爾輸出端之間 也存在電位差 這個電位差就稱不等位電勢 它也可用零磁場阻抗來間接表 示 不等位電勢的產生原因如圖 14 a 所示 由于兩個霍爾電極 c d 在制作 時不可能完全對稱地焊接在霍爾片兩側 因此 當控制電流流過霍爾片時 c d 之間就不處在同一電位面上 雖然不加磁場 c d 之間也有不等位電勢 此外 元件材料在結晶結構和電性能方面的不均勻性或者霍爾片的幾何尺寸 不規則 控制電流極的端面接觸不良等 都能引起不等位電勢 霍爾電極 c d 的兩個不等位面 虛線所示 間的體電阻 R0 稱為不等位電阻 r0 U0 I 它是霍爾元件的一個重要參數 可以用 r0 來表示元件不等位電勢的大小 r0 越小 不等位電勢就越小 5 說出二種霍爾器件溫度補償的方法并畫出其電路圖 1 串聯電阻溫度補償電路 對于霍爾系數 RH 隨溫度上升而減小的霍爾元件 為了使霍爾輸出保持 恒定 可以適當增加控制電流 如圖 4 所示 用一個負溫度系數的熱敏 電阻 Rt 串聯在輸入回路里 當溫度升高時 Rt 阻值減小若供給電壓不 變 則可使控制電流加大 在裝配時 熱敏電阻器應和霍爾元件封在一 起或靠近 以使它們的溫度變化一致 2 利用輸出回路負載的溫度補償電路 當霍爾電勢溫度系數和內阻溫度系數都為正時 控制電流 I 采用 恒流源供給 可以不考慮輸入電阻隨溫度變化的影響 只考慮輸出回 路的溫度影響就可以了 雖然輸出電阻 霍爾電勢極內阻 和霍爾輸出 都隨溫度升高而增加 但輸出電阻的增量比霍爾輸出的增量大 因此 選擇合適的負載 RL 就有可能補償負載電壓 使其保持不變 負載電 阻的最佳值可按下式計算 RL RV 0 式中RV 0 為溫度是 0 時的輸出電阻 和 分 別是內阻溫度系數和霍爾電勢溫度系數 6 用霍爾元件用于電流測量有二種方法 請分別畫出它們的示意圖和應用范圍 用霍爾傳感器測量電流時 常采用環形鐵心來集中磁力線 而傳感器 霍爾元件 則放置在鐵心的間隙中 圖 39 是利用線性集成霍爾傳感器監測小電流的示意圖 用一較好的導磁材料做成磁環 在磁環中開一氣隙 然 后將霍爾集成電路固定于氣隙內 7 以開集電極輸出型開關集成霍爾傳感器為例 畫出 5 種應用電路 8 說出磁阻效應的原理 在通電的半導體上加磁場時 半導體的電阻將發生變化 這種現象稱為磁阻效應 在室溫下 半導體的電阻 是隨磁場的增強而加大的 這是因為磁場的加入使半導體中運動著的載流子在洛侖茲力的作用下改變了它原 來運動的軌道 使載流子的運動軌道成為彎曲的 這就延長了它們通過元件的路程和時間 也就增加了它們 與晶格 雜質原子和晶格缺陷遭遇的機會 其總的效果是降低了電子的遷移率 宏觀上表現為元件體電阻的 增加 磁阻效應和材料的遷移率有關 遷移率高 磁阻也大 同時 磁阻效應還和半導體的幾何形狀有關 磁敏電阻器是利用磁阻效應制作的半導體器件 在制備磁敏電阻器時 元件的形狀對磁阻的影響很大 目前 采用集成工藝在半導體中嵌入很多金屬條來克服由于元件長度過長而降低磁阻的缺點 同時 為了克服溫度 特性不好的缺點 常做成三端或多端元件來相互抵消溫度特性的影響 另外 為了克服弱場下靈敏度不高的 缺點 在磁阻元件上附帶永久磁鐵 這種磁阻元件還可以克服一般磁阻元件不能辨別磁場極性的缺點 9 10 11 12 以示意圖和文字來簡述磁敏二極管的原理 當元件加上正向電壓時 P 區空穴和 N 區電子的兩種載流子雙重注入 I 區 在沒有磁場作用下 大部分空穴和電子分別流入 N 區和 P 區而產生電流 如圖 2 a 所示 僅有很小部分空穴和電子在 I 區復合掉 若加上一個正磁場 H 如圖 2 b 所示 由于洛侖茲力作用電子和 空穴偏向 r 區 電子和空穴在 r 區很快復合掉 其復合率要比沒有 磁場時大得多 此時 I 區載流子減少 相應 I 區電阻增大 同時外 部電壓分配在 I 區的電壓增加 由于外加電壓一定 加在 P I 和 N I 結的電壓減小從而載流子注入 I 區效率降低 使 I 區電阻進一步增 加起到正反饋作用 直到某一穩定狀態 所以加上磁場 H 時通過二 極管的正向電流減小 當加上磁場為 H 時 如圖 c 所示 與上述情況相反 I 區電阻減小 通過二極管的正向電流增大 由以上分析可知 磁敏二極管是采用注入載流子復合效應的原理 同時由于正反饋作用 大大提高了它的靈 敏度 這是比霍爾元件靈敏度高的原因 此外 這種元件能夠判別磁場方向 當外加反向電壓時 由于 PN 結 的整流作用僅流過很小的電流 幾乎與磁場無關 第七章離子敏感器件 1 離子敏感器件測量離子活度有哪二種方法 畫出示意圖并說明之 第一種測量方法如圖 1 所示 使用這種方法 首先在確定的電壓 UDS 下通過改變 UG 測量 ID 隨 UG 變化的情況 得出 ID f UG UDS 常數 的曲線 然后 在固定 UG 的條件下 根據輸出電流 ID 的變化就可以 從已知的曲線上查出界面電勢的變化 根據已知的 ISFET 的閾值電壓 和離子活度的關系 就可以確定被測溶液中離子的活度 第二種測量方法是首先在某一標準溶液中調節 UG 使 ID 為某一特定值 記下 UG 值 在 ISFET 浸入待測溶液之后 由于和標準溶液相比 離子 活度發生變化 ID 也將變化 這時可以改變 UG 使 ID 變回到原來的值 UG 改變就是用來補償溶液引起的 UT 變化 圖 2 即是這樣的一種測試 電路 只要知道了運放的輸出端電壓的變化就可以得到閾值電壓的變化 UT 從而知道離子活度 圖中 R2 和 RP 用來選擇設定 ID 值的 2 ISFET 的特性與性能參數 1 閾值電壓 2 漏源擊穿特性 3 轉移特性 4 輸出特性 5 可逆特性曲線 6 階躍響應特性 7 跨導 gm 8 響應與能斯特 Nernst 響應 9 選擇系數 10 響應時間 11 靈敏度 3 什么是離子的活度 在強電解質溶液中 各種離子之間及離子與溶劑分子之間存在著一定的相互作用 這就使離子在參加化學反 應或離子交換時的有效濃度小于真實濃度 溶液中真正參加化學反應 或離子交換作用 的離子的有效濃度稱為 離子的活度 4 畫出 ISFET 的結構示意圖并說出參比電極的作用 在一定的溫度和壓力條件下 當待測溶液的組成改變時 其電極電勢 不包括液接電勢 保持恒定的電極稱參比電極 要求它具有良好的可逆性 重復性和穩定性 第八章 氣敏器件和濕敏器件 1 寫出氣敏器件工作原理的幾種機制 1 晶體原子價的調整 2 表面電導的變化 3 由于接觸氣體的燃燒使元件溫度提高 4 隧道效應 5 柵極作用 6 由于吸附氣體而形成能級 2 3 4 5 BaTiO3 SrTiO3 半導體陶瓷器件的工作機理 畫出等效電路并說明之 這種器件的工作機理是因為 BaTiO3 SrTiO3 陶瓷材料的介電常數與溫度 有關 它是理想的熱敏陶瓷材料 通過對其摻入少量的具有感濕特性的 MgCr2O4 并利用陶瓷體所具有的多孔網狀結構 可制成性能較理想的 濕 溫多功能敏感器件 作時的等效電路如圖 4 所示 圖中 C 為器件的電 容 它明顯地隨著器件溫度的變化而變化 R 為器件的電阻 它的值將 隨環境濕度而變化 通過分別對器件電容值和電阻值的測量 即可得知 待測環境的溫度和濕度 6 畫出交流市電測濕電路 并說明濕敏器件的電源為什么用交變電源 當前各種濕敏電阻都必須工作于交流或換向直流 注意 不是脈動直流 的 回路中 若長期在定向直流下工作 將使濕敏電阻的性能劣化甚至完全失 效 鹽類潮解型濕敏電阻的電流主要是靠離子的移動來傳導的 當其受到 定向直流的長期作用時 會產生大量正 負離子定向遷移的所謂 電解 現象 從而使感濕層變薄 破壞或斷裂 但它在交流或換向直流的條件下 工作則無此缺點 第九章 半導體光敏器件 1 光生伏特效應 圖 2 所示為一 PN 結 在光照射下 若入射光子的能量大于禁帶寬度 則 PN 結內會產生電子 空穴對 電子 由滿帶被激發到導帶后 在滿帶中留有空穴 在內電場作用下自由電子流向 N 區 而空穴流向 P 區 這樣使 PN 結兩端產生電位差 電壓 P 端為正 N 端為負 這種電位差值是由于入射光子激發的結果 所以稱為光 生伏特效應 2 3 光電池的工作原理 光電池的本質是一個 PN 結 它的結構就是在一 塊 P 型硅片上利用熱擴散法生