基本的半导体器件有哪些?它们的结构、工作原理、功能特点?

基本的半导体器件主要有以下几种：pn结二极管，金属氧化物场效应晶体管（MOS）,双极晶体管（BJT）,结型场效应晶体管。pn结二极管结构：其中pn结二极管由n型半导体和p型半导体接触产生。工作原理：由于二者接触后产生由n型半导体指向p型半导体的内建电场，当外加电压由n型半导体指向p型半导体时进一步增强了其内建电场，因而其电流会很小，当外加电压由p型指向n型时，内建电场降低，电流可顺利通过pn结，形成单向导电的特性。MOS结构：主要由栅极，漏极及源极三部分构成。工作原理：通过栅极控制沟道载流子浓度实现对源极及漏极电流的控制。BJT结构：由发射极，基极，集电极构成。基本原理：通过控制发射极与基极之间的电压以及集电极与基电极之间的电压实现电流的放大，截至等效应。结型场效应晶体管：与MOS构成类似，不同点仅在于其栅极位于沟道的上下两侧。工作原理：上下栅极同时控制沟道的载流子浓度及沟道的宽度实现对电流的控制。

分类: 理工学科 >>工程技术科学

问题描述:

谢谢大家 阿

解析:

线性光耦；

介绍新型精密线性光耦器件HCNR200的工作原理，并且给出了两种用 HCNR200和运算放大器实现的检测电机电流的隔离传输电路，并推导出其外围电阻的计算方法。

关键词：线性光耦 线性隔离 模拟信号 线性度 HCNR200

现代电气测量、控制中，常常需要用低压器件去测量、控制高电压、强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。线性光耦HCNR200可以较好的实现模拟量与数字量之间隔离，隔离电压峰值达8000伏；输出跟随输入变化，线性度达0.01％。

HCNR200/201简介

HCNR200型线性光耦的原理如图 1所示。它是由发光二极管 D1、反馈光电二极管 D2、输出光电二极管 D3组成。当 D1通过驱动电流 If 时，发出红外光(伺服光通量 )。该光分别照射在 D2、D3上，反馈光电二极管吸收 D2光通量的一部分，从而产生控制电流 I1 (I1 = 0.005 If )。该电流用来调节 If 以补偿 D1的非线性。输出光电二极管 D3产生的输出电流 I2与 D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K1= I1 / If ， 正向增益 K2 = I2 / If；则传输增益K3= K2 / K1 =I2 / I1， K3的典型值为 1 。

图1 HCNR200结构示意图

电流检测电路

光电导模式下的电流检测电路设计

HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图2所示，信号为正极性输入，正极性输出。隔离电路中，R1调节初级运放输入偏置电流的大小，C1起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免HCNR200的铝砷化镓发光二极管LED受到意外的冲击 。但是随着频率的提高，阻抗将变小， HCNR200的初级电流增大，增益随之变大，因而C1的引入对通道在高频时的通道增益有一定影响，虽然减小C1的值可以拓展带宽，但是这样会影响初级运放的增益，同时，初级运放输出的较大毛刺信号不易被滤除 。R3可以控制LED的发光强度，从而对控制通道增益起了一定作用。

光电压模式下的电流检测电路设计

HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图3所示，信号为正极性输入，正极性输出。R1、R2、R3、C1的作用与在光电导模式下作用基本相同。放大器A1调节电流If 。当输入电压Vin增加时，I1增加，同时放大器A1"+"输入端电压增加，促使电流If增加。由于D1与D2之间的联系，I1就会把"+"输入端电压重新拉回0V，形成负反馈。如果放大器A1的输入电流很小，那么流经R1的电流就为：Vin / R1＝I1 。显而易见，I1与Vin之间是线性比例关系。I1稳定线性变化，If也稳定线性变化。因为D3受到D1光照，I2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R2将I2转化成电压VOut=I2 R2 。

图2 光电导模式下的电流检测电路（略）

图3 光电压模式下的电流检测电路（略）

图4 驱动级等效电路（略）

运放的选择

HCNR200/201是电流驱动,其LED的工作电流要求为 1~ 20mA，因此运放A1的驱动电流也必须可以达到20mA，能达到这种输出电流能力的运放一般其输出级为双极型，因此选双极型运放较合适。同时，根据输入电压范围，也要求运放有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电HA17324集成运放,其输龅缌骺纱?0mA。

电阻R1、R2、R3的选择

下面将以在光电导模式下电阻的选择加以讨论。

A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中Rf 是等效反馈电阻。该等效电路是典型的同相型放大器，故 U+ =U-，且 U+ =Vin,则Vin =U+ =U-。

由图 2显见：

I f ＝ (Vo1－VD1) / R2 (1)

式中 VD 1为 D1的正向压降。

由图4显见：

If ＝ U- / R1

因为 If ＝ 0.005I1 ，所以

(Vo1－VD 1) / R2 ＝ 200U- / R3

将式 ( 1 )代入上式

（Vo1－VD 1）/ R2 ＝ 200 Vin / R1 ，则

Vo1－VD 1 ＝ 200 Vin R2 / R1

令 R1＝200R2 ，则

Vo1=Vin +VD1 (2)

因为R2 =（Vo1－VD1）/ I1

将式 ( 2 )代入上式

R2=Vin / I1

R3的估算：

由图 2得

Vout ＝I2 R2

由图 2及式 ( 1)得

Vin = I1 R1

因为是线性光耦合器模拟信号隔离电路，所以令

Vout = Vin,则

I2 R2 = I1 R1

又因为 K3 = I2 / I1 = 1,所以 R2= R1。

由于器件参数的离散性， I1 近似等于 0.005 If ，K3 = I2 / I1≈ 1所以 R1、R2、R3尚需在估算值附近调整， 力求获得最佳线性度。

例如，本设计中，Vin＝0 ～ 10V， Vcc1=Vcc2=15V。

R1＝Vin / I1＝10 / (20 10－3 0.005)＝100 103

R2＝R1＝100 103

R3＝R1 0.005＝500 ，但经调节后，最佳线性度时为220 。

结论

(1)应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路,线性度好,电路简单,有效地解决了模拟信号与单片机应用系统电气隔离问题。若驱动级、缓冲级采用组合型运算放大器,可使线性度提高。

(2)HCNR200可以广泛地应用在需要良好稳定性、线性度和带宽的模拟信号隔离场合。利用两片HCNR200，可以工作在双极信号输入双极性输出模式；同时，其还可以工作在交直流电路、变换器的隔离、热电偶的隔离、4~20mA模拟电流环发射／接收等多种模式下,因而可广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制等方面。

(3)将该器件用于电机电流测量中,电流反馈准确可靠,在实现电流闭环控制中发挥了作用。

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譬如在一块Si片上，同时制作两个n-MOSFET，由于MOSFET本身结构的特点，毋需专门的隔离，那么这两个n-MOSFET就具有“自隔离”性能。即是说，各个晶体管的电流在各自的沟道内流通，互相并不相干。

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