特种半导体器件和应用课程练习题及答案.pdf

特种半导体器件和应用课程练习题 第二章 特种可控硅 1 2 可控硅中损耗与频率的关系 通损耗和反向恢复损耗所占总损耗的比例随着频率的增高而加大 而通态损耗占总损耗的比例随着频率增 高而减少 当达到某一频率 表中 5kHz 时降到零 因此 可控硅在低频工作时 通态损耗占主要部分 当频 率增高到某一数值时 开关损耗 开通损耗和反向恢复损耗 和扩展损耗开始占主导地位 进一步增加工作频率 只出现开关损耗和扩展损耗 特别是开通损耗随着频率提高而单调地增加 频率越高 开通损耗越大 大的 开通损耗将使平均结温升高 这一开通损耗并不是分散在整个阴极结面上 而是集中在局部的初始导通区内 引起初始导通区的瞬时温升增高 从而导致器件在短期内出现热疲劳损坏 缩短元件的工作寿命 严重时可 能立即烧毁 3 4 可关断可控硅 GTO 的基本原理 GTO 和普通可控硅一样 均为 PNPN 四层三端元件 只是 GTO 的关断结构和关断机理与普通可控硅有所不 同 GTO 和普通可控硅最重要的区别就是回路增益 1 2 1 而近似等于 1 因而处于临界导通状态 5 GTO 的主要参数 1 最大可关断阳极电流 IATO 2 关断增益 off 3 掣住电流 IL 4 关断时间 toff 6 双向可控硅的触发方式 1 I 触发方式 2 I 触发方式 3 触发方式 4 触发方式 7 画出用开关 S 有切换双向可控硅的三种工作状态 开关 S 在位置 1 上 双向可控硅处于断态 电路不接 通 在位置 2 上 门极只允许半波电流通过 这时双向可控硅相当普通可控硅 在位置 3 上 门极全波接 通 并说出在位置 2 和位置 3 上各自的触发方式 图 b 开关 S 有三种工作状态 开关 S 在位置 1 上 双向可控硅处于断态 电路不接通 在位置 2 上 门极只允许半波电流通过 这时双向可控硅相当于普通可控硅 负载 RL 上得到半波脉动直流功率 触发方式为 I 在位置 3 上 门极全波接通 触发方式为 I 和 8 双向可控硅的重要特点 不管所加触发信号电压 UG 对 T2 是正向还是反向 双向可控硅都能被触发导通 双向可控硅的这个特点 是普通可控硅所没有的 9 双向可控硅的特性参数 1 双向可控硅的伏安特性曲线 2 额定通态平均电流和额定通态平均电压 3 门极可触发电流 IGT 和门极 可触发电压 UGT 4 维持电流 IH 和掣住电流 IL 5 浪涌电流 ITSM 6 换向电流临界下降率 di dt c 7 结温 10 11 画出双向可控硅灯光调节电路并说明其工作原理 双向二极管 2CTS R1 和 C1 组成触发电路 当电源电压为正半周时 电源电压通过 R1 向 C1 充电 电容 C1 上的电压极性是上正下负 当这个电压增高达到双向二极管的转折电压时 双向二极管导通 使双向可控硅 的门极 G 相对主电极 T2 得到一个正向触发脉冲 使双向可控硅导通 这相当于 I 触发方式 在电源电压过 零的瞬间 双向可控硅自动阻断 当电源电压处于负半周时 电源电压对 C1 反向充电 C1 上电压的极性为 下正上负 当这个电压值达到双向二极管的转折电压时 双向二极管导通 使双向可控硅得到一个负向触发 信号 使双向可控硅导通 这相当于 触发方式 在电路中 调节 R1 的阻值 可以改变 R1C1 的时间常数 从而改变了触发脉肿的出现时刻 即改变了双向可控硅的导通角 因而使负载上得到的平均电压不同 达到 调节灯光的目的 电阻 R2 R3 和电容 C2 是为了防止灯从关 开 产生灯突然亮的 突跳 而且可将移相 范围扩大 12 13 光控可控硅的工作原理 可以把元件看成是由两个三极管组成的 一个是 P1N1P2 型三极管 另一个是 N1P2N2 型三极管 如图 a 所示 中间的 N1P2 部分为两个三极管共用 这一部分相当于一个光电二极管 当一定照度的光信号 照射到 J2 处的光敏区时 在光能的激发下 J2 附近产生大量的电子和空穴两种载流子 它们在外加电压的作 用下穿过 J2 结的阻挡层 使光控可控硅从阻断状态变成导通光控可控硅导通之后 即使无光照也不会自行截 止 而只有当加在元件上的正向电压降到零或成为反向电压才会截止 第四章 热敏电阻 1 写出热敏电阻器的几个主要特性和主要参数 1 电阻 温度特性 2 伏 安特性 1 标称电阻值 R25 2 电阻温度系数 1 3 耗散系数 H单位 W 1 4 时间常数 单 位 J 1 5 额定功率 PE 6 测量功率 2 3 写出热敏电阻流量计的原理并画出示意图 它是将两个热敏电阻器分别置于管道中央和温度与流动介质相同 但不受介质流 速影响的小室中 两只热敏电阻 RT1 RT2 和电阻器 R1 电位器 W2 构成电桥 的四臂 电位器 W1 和电位差计 G 作为流量指示器 直流电源 E 通过开关 K 加 到桥路的两个端点上 当介质处于静止状态时 电桥处于平衡状态 电流计没 有指示 当介质流动时 RT1 介质流动要带走热量 它的温度要发生变化使阻 值改变 于是电桥失去平衡 电流计就有指示 电桥的指示直接反映了所测介 质流速 电位器 W2 可以调整电桥平衡的零点 电位器 W1 可以调整表头的灵敏度 4 写出串并联热敏电阻用于温度补偿的方法和电路图 用曲线表示效果 右图 b 所示为串并联温度补偿电路及原理说明 由特性曲线可见 经过补 偿之后 ab 之间的总电阻 Rab 的在 20 80 的范围内阻值变化不超过土 2 5 写出 PTC 热敏电阻的恒温原理 PTC 热敏电阻具有恒温作用 电流通过元件后引起元件温度升高 当超过 居里点温度后 由电阻 温度特性曲线可知 电阻增大 在恒压情况下则电 流下降 相应元件温度亦降低 电阻值减小 这又导致电流增加 元件温 度升高 电阻增加 电流下降 重复上述过程 这样 元体本身就起到了 自动调节温度的作用 6 画出 PTC 热敏电阻用作自动开关的电路并说明其工作原理 以电视机消磁电路为例 在彩色电视接收机中 为了排除由于地磁及各种干扰磁场对机器中某些铁磁部件造成的磁化影响 从而保证 较好的色纯和会聚 提高图象质量 要设置消磁电路 要求消磁线圈中流过如后图 a 所示的振幅随时间衰减 的正弦波电流 后图 b 所示电路就能产生这样的电流 电路中 LDG 是消磁线圈 RT 是正温度系数热敏电阻 K 是开关 刚接通电源时 因为 RT 的冷阻值很小 就有很大的电流流过消磁线圈 同时流过电阻 RT 使其 温度上升 从而 RT 阻值迅速增加 因此流过消磁线圈的电流急剧衰减 三 四秒钟之内电流减至很小 这一 很小的电流既可维持 PTC 热敏电阻 RT 的温度和高阻值 又不致对收看电视节目造成不良影响 这里 PTC 热敏电阻起到了自动开关作用 刚接通电源时开关闭合 几秒钟之后自动将电源切断 忽略掉残存的很小的电 流 第五章 力敏器件 1 固体压阻效应的原因是哪二种 固体产生压阻效应的原因大体上有两个 一是固体外形变化 即长度和截面积变化带来的电阻变化 另一个 是由于应力 固体电导率本身发生变化而带来的电阻变化 2 3 写出半导体应变片的几个特点 1 应变灵敏度系数大 2 可以得到正应变灵敏度系数 伸长形变时电阻增加 和负应变灵敏度系数 伸长形变时 电阻减少 因此 容易制作温度补偿应变片 金属应变片只能得到正应变灵敏度系数 3 应变片阻值变化范 围很大 4 半导体应变片有几种 1 温度自补偿半导体应变片 2 双器件温度补偿型半导体应变片 3 灵敏度补偿型半导体应变片 4 通 用型半导体应变片 5 大功率型半导体应变片 6 超直线性半导体应变片 5 使用半导体应变片时应注意哪几点 1 按照需要和弹性体 试件 的结构形式选择应变片的型号 2 根据应力大小设计弹性体的造形 3 粘贴应变片之前要将弹性体表面处理干净 去除氧化层和油腻 粘贴表面应保持平整 光洁度不低于 v5 放入 40 烘箱烘 15 分钟 4 粘贴时要选用适合的应变胶 如天津产 KY 4 应变胶 贴上应变片 待固定后放置在室温下固化一小时 然后放入 60 烘箱内 再固化一小时 对于测量精度要求不高的传感器 也可在室温下固化五小时后直接使 用 5 贴片时 注意应变片与弹性体之间保证良好的绝缘性 防止产生漏电流 使测量稳定 6 粘贴完毕之后 在应变片上涂一层防护层 以防止大气对应变片的侵蚀 保证应变片长期工作的稳定性 若工作于高温 潮湿 盐雾 腐蚀 汽油等环境下 还应采取隔离和封闭结构 也可涂防护剂 6 在结型场效应力敏器件中压阻和晶向的关系 从半导体压阻理论分析表明 沟道电阻在应力作用下发生改变完全是由于载流子浓度和迁移率发生改变的结 果 而对于不同晶向的迁移率的改变又是不一样的 压阻系数 在不同晶向有着不同的数值 因此 在制造 结型场效应力敏器件时 应当选用压阻效应比较大的晶向 以便获得较高的灵敏度 第六章 1 说出什么是霍尔效应 所谓霍尔效应是指载流半导体位于方向与电流方向垂直的磁场中 在垂直于电流和磁场的方向上产生电压 称 霍尔电压或霍尔电势 的现象 2 写出霍尔器件的主要参数 1 控制电流极内阻 2 霍尔电势极内阻 3 灵敏度 4 不等位电阻 5 最大控制电流 6 霍尔电势温 度系数 7 内阻温度系数 8 寄生直流电势 9 热阻 3 说明什么是磁阻效应 霍尔元件的内阻随磁场绝对值的增加而增加的现象称为磁阻效应 图 7 所示为两种不同的霍尔元件内阻 R 和 磁感应强度 B 之间的关系 图中 R 0 为 B 0 时的内阻 由图可见 不同型号的霍尔元件磁阻效应不同 这不 仅和材料有关 还和元件的几何形状有关 4 什么是零位误差并写出二种补偿方法并画出电路图 霍尔元件的零位误差包括不等位电势 寄生直流电势 感应零电势和自激零电势 其中不等位电势是主要的 零位误差 霍尔元件通过控制电流时 即使不加外磁场 元件的霍尔输出端之间 也存在电位差 这个电位差就称不等位电势 它也可用零磁场阻抗来间接表 示 不等位电势的产生原因如图 14 a 所示 由于两个霍尔电极 c d 在制作 时不可能完全对称地焊接在霍尔片两侧 因此 当控制电流流过霍尔片时 c d 之间就不处在同一电位面上 虽然不加磁场 c d 之间也有不等位电势 此外 元件材料在结晶结构和电性能方面的不均匀性或者霍尔片的几何尺寸 不规则 控制电流极的端面接触不良等 都能引起不等位电势 霍尔电极 c d 的两个不等位面 虚线所示 间的体电阻 R0 称为不等位电阻 r0 U0 I 它是霍尔元件的一个重要参数 可以用 r0 来表示元件不等位电势的大小 r0 越小 不等位电势就越小 5 说出二种霍尔器件温度补偿的方法并画出其电路图 1 串联电阻温度补偿电路 对于霍尔系数 RH 随温度上升而减小的霍尔元件 为了使霍尔输出保持 恒定 可以适当增加控制电流 如图 4 所示 用一个负温度系数的热敏 电阻 Rt 串联在输入回路里 当温度升高时 Rt 阻值减小若供给电压不 变 则可使控制电流加大 在装配时 热敏电阻器应和霍尔元件封在一 起或靠近 以使它们的温度变化一致 2 利用输出回路负载的温度补偿电路 当霍尔电势温度系数和内阻温度系数都为正时 控制电流 I 采用 恒流源供给 可以不考虑输入电阻随温度变化的影响 只考虑输出回 路的温度影响就可以了 虽然输出电阻 霍尔电势极内阻 和霍尔输出 都随温度升高而增加 但输出电阻的增量比霍尔输出的增量大 因此 选择合适的负载 RL 就有可能补偿负载电压 使其保持不变 负载电 阻的最佳值可按下式计算 RL RV 0 式中RV 0 为温度是 0 时的输出电阻 和 分 别是内阻温度系数和霍尔电势温度系数 6 用霍尔元件用于电流测量有二种方法 请分别画出它们的示意图和应用范围 用霍尔传感器测量电流时 常采用环形铁心来集中磁力线 而传感器 霍尔元件 则放置在铁心的间隙中 图 39 是利用线性集成霍尔传感器监测小电流的示意图 用一较好的导磁材料做成磁环 在磁环中开一气隙 然 后将霍尔集成电路固定于气隙内 7 以开集电极输出型开关集成霍尔传感器为例 画出 5 种应用电路 8 说出磁阻效应的原理 在通电的半导体上加磁场时 半导体的电阻将发生变化 这种现象称为磁阻效应 在室温下 半导体的电阻 是随磁场的增强而加大的 这是因为磁场的加入使半导体中运动着的载流子在洛仑兹力的作用下改变了它原 来运动的轨道 使载流子的运动轨道成为弯曲的 这就延长了它们通过元件的路程和时间 也就增加了它们 与晶格 杂质原子和晶格缺陷遭遇的机会 其总的效果是降低了电子的迁移率 宏观上表现为元件体电阻的 增加 磁阻效应和材料的迁移率有关 迁移率高 磁阻也大 同时 磁阻效应还和半导体的几何形状有关 磁敏电阻器是利用磁阻效应制作的半导体器件 在制备磁敏电阻器时 元件的形状对磁阻的影响很大 目前 采用集成工艺在半导体中嵌入很多金属条来克服由于元件长度过长而降低磁阻的缺点 同时 为了克服温度 特性不好的缺点 常做成三端或多端元件来相互抵消温度特性的影响 另外 为了克服弱场下灵敏度不高的 缺点 在磁阻元件上附带永久磁铁 这种磁阻元件还可以克服一般磁阻元件不能辨别磁场极性的缺点 9 10 11 12 以示意图和文字来简述磁敏二极管的原理 当元件加上正向电压时 P 区空穴和 N 区电子的两种载流子双重注入 I 区 在没有磁场作用下 大部分空穴和电子分别流入 N 区和 P 区而产生电流 如图 2 a 所示 仅有很小部分空穴和电子在 I 区复合掉 若加上一个正磁场 H 如图 2 b 所示 由于洛仑兹力作用电子和 空穴偏向 r 区 电子和空穴在 r 区很快复合掉 其复合率要比没有 磁场时大得多 此时 I 区载流子减少 相应 I 区电阻增大 同时外 部电压分配在 I 区的电压增加 由于外加电压一定 加在 P I 和 N I 结的电压减小从而载流子注入 I 区效率降低 使 I 区电阻进一步增 加起到正反馈作用 直到某一稳定状态 所以加上磁场 H 时通过二 极管的正向电流减小 当加上磁场为 H 时 如图 c 所示 与上述情况相反 I 区电阻减小 通过二极管的正向电流增大 由以上分析可知 磁敏二极管是采用注入载流子复合效应的原理 同时由于正反馈作用 大大提高了它的灵 敏度 这是比霍尔元件灵敏度高的原因 此外 这种元件能够判别磁场方向 当外加反向电压时 由于 PN 结 的整流作用仅流过很小的电流 几乎与磁场无关 第七章离子敏感器件 1 离子敏感器件测量离子活度有哪二种方法 画出示意图并说明之 第一种测量方法如图 1 所示 使用这种方法 首先在确定的电压 UDS 下通过改变 UG 测量 ID 随 UG 变化的情况 得出 ID f UG UDS 常数 的曲线 然后 在固定 UG 的条件下 根据输出电流 ID 的变化就可以 从已知的曲线上查出界面电势的变化 根据已知的 ISFET 的阈值电压 和离子活度的关系 就可以确定被测溶液中离子的活度 第二种测量方法是首先在某一标准溶液中调节 UG 使 ID 为某一特定值 记下 UG 值 在 ISFET 浸入待测溶液之后 由于和标准溶液相比 离子 活度发生变化 ID 也将变化 这时可以改变 UG 使 ID 变回到原来的值 UG 改变就是用来补偿溶液引起的 UT 变化 图 2 即是这样的一种测试 电路 只要知道了运放的输出端电压的变化就可以得到阈值电压的变化 UT 从而知道离子活度 图中 R2 和 RP 用来选择设定 ID 值的 2 ISFET 的特性与性能参数 1 阈值电压 2 漏源击穿特性 3 转移特性 4 输出特性 5 可逆特性曲线 6 阶跃响应特性 7 跨导 gm 8 响应与能斯特 Nernst 响应 9 选择系数 10 响应时间 11 灵敏度 3 什么是离子的活度 在强电解质溶液中 各种离子之间及离子与溶剂分子之间存在着一定的相互作用 这就使离子在参加化学反 应或离子交换时的有效浓度小于真实浓度 溶液中真正参加化学反应 或离子交换作用 的离子的有效浓度称为 离子的活度 4 画出 ISFET 的结构示意图并说出参比电极的作用 在一定的温度和压力条件下 当待测溶液的组成改变时 其电极电势 不包括液接电势 保持恒定的电极称参比电极 要求它具有良好的可逆性 重复性和稳定性 第八章 气敏器件和湿敏器件 1 写出气敏器件工作原理的几种机制 1 晶体原子价的调整 2 表面电导的变化 3 由于接触气体的燃烧使元件温度提高 4 隧道效应 5 栅极作用 6 由于吸附气体而形成能级 2 3 4 5 BaTiO3 SrTiO3 半导体陶瓷器件的工作机理 画出等效电路并说明之 这种器件的工作机理是因为 BaTiO3 SrTiO3 陶瓷材料的介电常数与温度 有关 它是理想的热敏陶瓷材料 通过对其掺入少量的具有感湿特性的 MgCr2O4 并利用陶瓷体所具有的多孔网状结构 可制成性能较理想的 湿 温多功能敏感器件 作时的等效电路如图 4 所示 图中 C 为器件的电 容 它明显地随着器件温度的变化而变化 R 为器件的电阻 它的值将 随环境湿度而变化 通过分别对器件电容值和电阻值的测量 即可得知 待测环境的温度和湿度 6 画出交流市电测湿电路 并说明湿敏器件的电源为什么用交变电源 当前各种湿敏电阻都必须工作于交流或换向直流 注意 不是脉动直流 的 回路中 若长期在定向直流下工作 将使湿敏电阻的性能劣化甚至完全失 效 盐类潮解型湿敏电阻的电流主要是靠离子的移动来传导的 当其受到 定向直流的长期作用时 会产生大量正 负离子定向迁移的所谓 电解 现象 从而使感湿层变薄 破坏或断裂 但它在交流或换向直流的条件下 工作则无此缺点 第九章 半导体光敏器件 1 光生伏特效应 图 2 所示为一 PN 结 在光照射下 若入射光子的能量大于禁带宽度 则 PN 结内会产生电子 空穴对 电子 由满带被激发到导带后 在满带中留有空穴 在内电场作用下自由电子流向 N 区 而空穴流向 P 区 这样使 PN 结两端产生电位差 电压 P 端为正 N 端为负 这种电位差值是由于入射光子激发的结果 所以称为光 生伏特效应 2 3 光电池的工作原理 光电池的本质是一个 PN 结 它的结构就是在一 块 P 型硅片上利用热扩散法生