电子器件2敏感器件.docx

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电子器件2敏感器件

*

第二篇敏感器件

第五章光敏器件

§5.1光敏器件及基础知识

一、基础知识

光电效应：

受光激发→能带跃迁→光电导效应、光伏特效应。

本征半导体情况PN结情况

半导体的光电效应示意图

*完全纯净的半导体称为本征半导体（或I型半导体）。

硅和锗都是四价元素，其原子核最外层有四个价电子。

它们都是由同一种原子构成的“单晶体”，属于本征半导体。

在绝对温度零度和没有外界能量激发时，价电子受共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不导电的。

但是，当温度升高或受光照等外界因素的影响，某些价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下空穴。

把热激发产生的这种跃迁过程称为本征激发。

显然，本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。

主要特性：

光电特性光谱响应频率响应（明暗交替）

（日光灯频谱单一，白炽灯频谱较宽）（如R、L）

另外，还有伏安特性、温度特性等。

二、光敏器件举例

光敏电阻光敏二极管光敏三极管光敏电池光耦（光耦合器）

各种光敏器件的伏安特性等参看书上。

§5.2光敏器件的应用

一、光敏电阻应用

测光（温度→跃迁→发光）测温

（如相机）（如白炽灯）（如热铁块）

*注意加限流电阻。

（当心节能灯、体温表的危害！

）

光控调光电路光控开关电路

二、光敏二极管应用

光电变换器照度传感器（调制光：

可消除背景干扰）▲

（如相机）

光控开关*可输出调制光的电路

三、光敏三极管应用

光控报警电路▲光敏逻辑电路

带自锁的光控开关灵敏光控开关

四、光耦应用

隔离性好，抗干扰强。

（隔离电阻1010～1011Ω，隔离电压0.5～10kV，隔离电容＜2pF）

光耦固体开关光耦组合开关

脉冲放大电路线性放大电路

单稳态触发电路电平转换电路

此外，光敏器件还可构成其他应用电路。

（参看书上）

第六章热敏器件

§6.1热敏电阻的基本情况

一、原理特性

原理：

振动碰撞或能带跃迁等→阻值变化

分类：

正温度系数（T↑→R↑），负温度系数（T↑→R↓）。

能带跃迁热敏电阻的温度特性、电路符号及伏安特性

二、参数及工作点选择

主要参数：

标称阻值R25，温度系数α，耗散系数H（即温差1℃所耗散的功率），时间常数τ（即C/H，热容量C即电阻变化1℃所吸放的热量），额定功率PE（即长期连续负荷所允许的耗散功率）等。

工作点：

选择恰当与否，直接影响测控效果。

通常分为三个区域，各有相应的应用场合。

工作点选择（T0↑→R↓→Um↓）

§6.2热敏电阻的基本应用

应根据使用目的和要求的不同，选择合适的热敏电阻类型、电参数及工作区域等。

一、温度测量

简单电路桥式电路

两种测温电路（器件相同，精度悬殊。

为何？

）

Uab＝Ua－Ub＝E·RT/（R1＋RT）－E·R3/（R2＋R3）

电桥平衡时：

Uab＝0

电桥失衡时：

△Uab＝E·△RT/（R1＋RT＋△RT）≈△RT·E/（R1＋RT）

热敏电阻温度计

二、温度控制

自动温控（T→RT→U→J）过热保护（T→RT→BT→J）

基本电路结构

自动温度控制电路实例

热敏电阻过热保护电路实例

三、温度补偿

串联补偿串并联补偿▲

四、其他应用（不易测、间接测）

可用于测定湿度、气压、流量、风速等，还可用于恒温加热、自动开关等。

测流量▲测液位

（RT2消除温度影响）

*6.3热电偶及其应用

（原理、优点）

原理：

热电效应→电动势（包括接触电势和温差电势。

*均由电子浓度不同扩散所致。

）

接触电势的形成温差电势的形成

热电效应（如：

铁棒木棒、传热有异）

∵接触电势eAB（T）=kT/q·ln（nA/nB），温差电势

（很小）

∴EAB（T,T0）=[eAB（T）-eAB（T0）]+[eB（T,T0）-eA（T,T0）]≈eAB（T）-eAB（T0）

热电偶测温优点：

精度高、范围广（－250～+1800℃）、简单方便等。

应用及补偿：

热电偶冰水补偿热电偶电桥补偿

▲习题三

1、简述图5-17（a）电路和图5-23电路的工作原理。

2、简述图6-10（b）电路和图6-19电路的工作原理。

第七章压敏器件

（V更敏感。

V为能量，I为通量）

§7.1压敏电阻的原理特性

（VDR：

Voltage Dependent Resistor）

一、原理特性

非对称型（用于直流场合）对称型（交直流均可）

压敏电阻的结构、符号压敏电阻的伏安特性

原理：

齐纳击穿。

（介层薄，电场强）

特性：

I=（U/C）α=kUα。

分为：

非对称型，对称型。

二、主要参数

主要参数：

非线性系数α（越大越好，1～102），C值（即电流1A时的电压值，相当于电阻），标称电压U1mA，通流能力，固有电容，残压比（U残/U1mA，越小越好）等。

几种主要压敏电阻特点简介：

氧化锌：

非线性系数高（可达110左右），允许电流大，温度系数小，电压范围宽，应用最广。

碳化硅：

非线性系数低（约为3～7），特性对称，耐压高（可达几万伏），热稳定性好，用于接点消弧、电路稳压、异常电压吸收等。

碳酸钡：

非线性系数较高（20左右），压敏电压在几伏以下，寿命长，价格低。

§7.2压敏电阻的基本应用

（如印尼海啸）

压敏电阻用途很广，主要用于抑制浪涌（即能量的突然释放），如雷电浪涌、电感电流或电容电压引起的暂态冲击等。

Rv选用应适当。

一、过压保护

三相单相

电视天线通信线路

电气设备避雷保护（102～104V）

电路保护

（如：

干电电感击打）

开关保护▲开关保护

继电器保护

开关保护（侧重点不同：

源，K）

VT保护VT保护

晶闸管保护▲IC保护

器件保护

二、其他应用

稳压电路（UL↑→IRV

→UR1

→UL↓）倍增电路（△UO/UO＞△Ui/Ui）

彩显消磁电流彩电消磁电路

（开始：

RT小，RV小，iL大；随后：

RT↑，RV↑，iL↓。

）

*7.3电感与电容的冲击影响及消除方法

C、L回顾（有何用途危害？

如何兴利除弊？

）是药三分毒，核电两面性

（两端建V需Q，需多少与面积有关，故C正比于S）（有何异同？

）

电容能量：

Ec＝∫iVdt＝∫（CdV/dt）Vdt＝C∫VdV＝CV2/2＝Q2/2C

C：

C=Q/V，即Q=CV，而i=dQ/dt=CdV/dt，∴V=1/C∫idt，

故：

Vc只能渐变。

从而可导致放电大电流冲击。

（如：

湖泊泄洪）

L：

L=Φ/i，即Φ=Li，而v=dΦ/dt=Ldi/dt，∴i=1/L∫vdt，

（自感电势E=-dΦ/dt）水闸阻流升位

故：

iL只能渐变。

从而可导致续流高电压冲击。

（如：

列车惯性）

（动能制动：

E=FS，即dE/dt≈FdS/dt，可见时间越短、冲击越大。

如：

伦敦地铁灾难）

如：

稳压、镇流，开关慢、冲击大

要点：

C：

储存电荷，减缓dv/dt变化，导致充放电流。

（利：

储电、稳压；弊：

v慢、放电冲击）

L：

储存磁场，减缓di/dt变化，导致感应电压。

（利：

储磁、缓流；弊：

i慢、续流冲击）

（电抗特性：

抵抗电变化，致使响应慢。

）

C的放电保护与L的续流保护

第八章磁敏器件

§8.1霍尔元件

（Halleffect，1879发现）

一、特性参数

霍尔效应原理图电路符号霍尔元件的基本电路

原理：

洛仑兹力（Lorentzforce）作用，导致电荷偏转累积，形成霍尔电势。

UH=K·IBcosθ

*实践证明：

霍尔器件的长宽比越大，霍尔电压越接近理论值。

但比值过大，电阻增加，故长宽比一般不超过2。

温度补偿零位补偿（或不等位电势补偿）

主要参数：

输入内阻RI，输出内阻RV，灵敏度KH，不等位电阻r0，最大控制电流Imax，霍尔电势温度系数α，内阻温度系数β等。

二、应用举例

磁读头无损探伤

测电流（不用断线）

乘法器（测功率）▲

测转速测流量

磁控开关霍尔键盘（避免接触不良）

集成霍尔器件应用

§8.2其他磁敏器件

一、磁敏电阻

磁阻效应：

磁场增强，半导体的电阻增大。

磁阻效应与所加磁场的频率、半导体材料的种类和几何形状等均有关系。

磁敏电阻应用非常广泛，如：

电流计、磁通计、功率计、放大计等。

磁敏电阻特性及符号位移测量交流放大（交直叠加Ui→RM→Uo）▲

（类于T，电导调制，但隔离好。

RM1消除温度影响）

二、磁敏二极管

体积小、灵敏度高，能判别磁场的方向，电路简单。

但噪声大。

磁敏二极管（P+-I-N+型）的结构、符号及工作原理

（正向磁场：

复合增加，载流子减少；反向磁场：

分离增多，载流子增加。

）（如吹汽）

（反向运动的电子、空穴，受磁场力作用，偏向同一侧）

*由于载流子复合效应等，磁敏二极管的灵敏度大大提高，且能判别磁场的方向。

（旋转→脉冲→计数，响应快）

磁敏二极管特性及符号基本电路（测磁）流量计

（*为何采用桥式电路？

灵敏度、对称性、温度补偿性均好。

）

简易测磁电路

三、磁敏三极管

灵敏度高，温漂小，线性好，稳定可靠。

因此应用广泛。

如开关电路、测磁电路等。

磁敏三极管的结构和符号

磁敏三极管测磁电路

*其中，两个磁敏三极管组成差分电路，电容反馈可消除噪声和提高稳定性。

此电路可检测10Gs左右的微弱磁场。

▲习题四

1、简述图7-11（a）电路和图7-15电路的保护原理。

2、写出霍尔电压表达式及其含义，并简述图8-14电路的测磁原理和图8-25电路的放大原理。