光电传感器的原理

光电传感器是利用光电元件作为检测元件的传感器。它首先将测量到的变化转化为光信号的变化，然后进一步借助光电元件将光信号转化为电信号。光电传感器一般由光源、光路和光电元件组成。光电传感器的原理是通过将光强的变化转化为电信号的变化来实现控制。一般来说，光电传感器由三部分组成，分别是发射器、接收器和检测电路。发射器瞄准目标发射光束，光束一般来自半导体光源、发光二极管(LED)、激光二极管、红外发射二极管。连续发射光束，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电晶体管和光电池组成。在接收器的前面，安装了透镜和光圈等光学元件。后面是检波电路，可以过滤掉有效信号，加以应用。此外，光电开关的结构元件包括发射板和光纤。

硅器件在室温下有较佳的特性，且高品质的硅氧化层可由热氧化的方式生长，价格低廉，丰度仅次于氧，工艺发展最为完善。

砷化镓适用于高速和光电器件。

晶格：晶体中原子的周期性排列

Si、Ge金刚石结构（两个面心立方沿对角线 ），共价键、正四面体

只有钋（polonium）属于简立方结构

密度=每立方厘米中的原子数x每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数

密勒指数定义：

①找出晶面在直角坐标系中三个坐标轴上的截距（以晶格常数为单位）

②取三个截距值的倒数，并将其化为最小的整数比

③将此结果以“（hkl）”表示，即为这个晶面的密勒指数

一个自由电子产生的同时，会在共价键中留下一个空位，这个空位可以由邻近的一个价电子填充，从而产生空位的移动，可以把这个空位抽象成类似于电子的一种粒子，这种虚构的粒子称为空穴。

Si禁带宽度112eV，对应波长 nm

如果导带底位于p=0处，这意味着晶体中电子的有效质量在每个晶向上都是相同的，同时，这也表明电子的运动情况与晶向无关。如果导带底位于 ，那么晶体中电子的特性在不同晶向上是不统一的。一般来说，极性（含部分离子键特性）半导体中，导带底倾向于出现在p=0处，这与晶格结构以及价键的离子性成分所占比例有关。

间接带隙需能量 Eg，动量 Pc

发光管二极管和半导体激光器需要直接带隙半导体高效地产生光子。

载流子：参与导电的电子和空穴

产生：①本征激发：电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴。

           ②杂质电离：当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子，当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴。

当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带中，同时，价带中产生空穴，这就是本征激发，电子、空穴成对出现。

当半导体中的杂质数量远小于由热激发产生的电子和空穴时，这种半导体称为本征半导体。

本征半导体中的电子浓度（即单位体积中的电子数），首先计算能量 内的电子浓度。浓度n(E)由单位体积内允许的能态密度N（E）电子占据此能量范围的几率F（E）的乘积得出。

      ，n的单位 ，N（E）单位

一个电子占据能量为E的能态的几率可由费米狄拉克分布函数得出：

k是玻尔兹曼常数，T是以开尔文为单位的绝对温度，费米能级是电子占据率为1/2时的能级能量。

对于本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带中每单位体积的空穴数相同；即n=p=ni，ni称为本征载流子浓度。

一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上升而迅速增加；不同的半导体材料在同一温度下，Eg越大，ni越小。

空穴是由于电子缺失产生的带正电荷的“准粒子”。

有效杂质浓度是经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度。

当半导体被掺入杂质时，半导体变成非本征的（extrinsic），而且被引入了杂质能级。

杂质原子成为晶格中的缺陷，破坏了晶格的周期性，带隙内出现了原先被禁止的能级，换句话说，杂质原子将在带隙中引入一个或多个能级。

非简并半导体：费米能级至少比Ev高3kT，或比Ec低3kT。

简并半导体：当掺杂浓度等于或高于相应的导带或价带有效态密度时，对于很高掺杂的n型或p型半导体，费米能级将高于Ec或低于Ev，这种半导体是简并半导体。高掺杂的重要特点是禁带宽度变窄效应。

完全电离情况下：电子浓度为 ,

同理，完全电离情况下：空穴浓度为 ，

以本征载流子浓度ni及本征费米能级Ei来表示电子和空穴浓度：

热平衡情况下，上式对于本征和非本征、非简并半导体都适用。

当温度上升时，费米能级接近本征能级，即半导体变得本征化。

在低温时，晶体中的热激发不足以电离所有的施主杂质，有些电子被“冻结（frozen）”在施主能级中，因此电子浓度小于施主浓度。温度上升之后，施主杂质能够完全电离（n=Nd），当温度继续上升，电子浓度在一段很宽的温度范围内保持恒定，这段区域被称为非本征区，然而，当温度继续上升至某一温度值时，本征载流子浓度将增加得与施主浓度可比。超过此温度后，半导体将本征化，本征化的温度取决于杂质浓度和禁带宽度。

银的导电性最好，其次是铜和金。

物体传导电流的能力叫做导电性。各种金属的导电性各不相同，通常银的导电性最好，其次是铜和金。 

固体的导电是指固体中的电子或离子在电场作用下的远程迁移，通常以一种类型的电荷载体为主，如：电子导体，以电子载流子为主体的导电；离子导电，以离子载流子为主体的导电；

混合型导体，其载流子电子和离子兼而有之。除此以外，有些电现象并不是由于载流子迁移所引起的，而是电场作用下诱发固体极化所引起的，例如介电现象和介电材料等。

物体导电的能力：一般来说金属、半导体、电解质溶液或熔融态电解质和一些非金属都可以导电。非电解质物体导电的能力是由其原子外层自由电子数以及其晶体结构决定的，如金属含有大量的自由电子，就容易导电，而大多数非金属由于自由电子数很少，故不容易导电。

石墨导电，金刚石不导电，这是由于它们的晶体结构不同造成的。电解质导电是因为离子化合物溶解或熔融时产生阴阳离子从而具有了导电性。

扩展资料：

不导电体

金属和非金属的区别：从化学性质看金属是金属键连接，而非金属是靠离子键或共价键连接。从物理性质看，金属一般具有导电性、导热性、延展性，有金属光泽，并且大多数是固体只有汞常温下是液体。

而非金属大多是绝缘体，只有少数非金属是导体(碳)或半导体(硅)。但是由于科学技术的高速发展，它们之间的区别也越来越不明显。纳米技术的发展更使金属和非金属之间的区别越来越小。

参考资料：

---导电性

电子电工作业，求大神做一下《电工电子技术》作业（二）

一、填空题

1、N型半导体内的多数载流子为  电子 ,少数载流子为空穴 ,不能移动的杂质离子带 正电。

2、P 型半导体内的多数载流子为 空穴,少数载流子为电子 ,不能移动的杂质离子带负 电。

3、PN结正向偏置时，外电场的方向与内电场的方向 相反，有利于多数载流子的扩散

运动而不利于多数载流子的漂移 。

4、基本放大电路的三种组态分别是： 共射放大电路、 共集放大电路

和 共基放大电路。

5、将放大器输出信号的全部或部分通过某种方式回送到输入端，这部分信号叫

做反馈 信号。使放大器净输入信号减小，放大倍数也减小的反馈，称为负 反馈；使放大器净输入信号增加，放大倍数也增加的反馈，称为正 反馈。放大电路中常用的负反馈类型有 电压串联负反馈、 电压并联负反馈、电流串联 负反馈和电流并联 负反馈。

6、对放大电路来说，人们总是希望电路的输入电阻大 越好，因为这可以减轻信号源的负荷。人们又希望放大电路的输出电阻 小越好，因为这可以增强放大电路的整个负载能力。

7、集成运算放大器具有同相和反相两个输入端，相应的输入方式有反相 输入、

同相输入和差动 输入三种。

8、理想运算放大器工作在线性区时有两个重要特点：一是差模输入电压相等，称为 虚断；二是输入电流等于零，称为虚断 。

二、判断题

1、PN结正向偏置时，其内外电场方向一致。。 （X ）

2、二极管只要工作在反向击穿区，一定会被击穿 （X ）

3、当三极管的集电极电流大于它的最大允许电流ICM时，该管必被击穿。（X ）

4、放大电路中的所有电容器，起的作用均为通交隔直。（ X）

5、基本放大电路通常都存在零点漂移现象。（X ）

6、共射放大电路输出波形出现上削波，说明电路出现了饱和失真。（X ）

7、电压比较器的输出电压只有两种数值。（√ ）

8、集成运放在开环状态下，输入与输出之间存在线性关系。（ X）

三、选择题

1、稳压二极管的正常工作状态是（C ）。 

A、导通状态； B、截止状态； C、反向击穿状态； D、任意状态。

2、PN结两端加正向电压时，其正向电流是（A ）而成。 

A、多子扩散； B、少子扩散； C、少子漂移； D、多子漂移。

3、测得NPN型三极管上各电极对地电位分别为VE＝21V，VB＝28V，VC＝44V，此三极管处在（ A）。 

A、放大区； B、饱和区； C、截止区； D、反向击穿区。

4、基本放大电路中，经过晶体管的信号有（ B）。 

A、直流成分； B、交流成分； C、交直流成分均有； D、不确定。

5、电压放大电路首

半导体

semiconductor

电导率(conductivity)介于金属和绝缘体(insulator)之间的固体材料。半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等。

本征半导体(intrinsic semiconductor) 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

杂质半导体(extrinsic semiconductor) 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质，相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色

热敏电阻

热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化．若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：

σ=q（nμn+pμp）

因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线．这就是半导体热敏电阻的工作原理．

热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）．它们的电阻-温度特性如图1所示．热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在01～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强．

由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以在应用方面，它不仅可以作为测量元件（如测量温度、流量、液位等），还可以作为控制元件（如热敏开关、限流器）和电路补偿元件．热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔．

一、PTC热敏电阻

PTC（Positive Temperature Coeff1Cient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器．该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料．其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化．

钛酸钡晶体属于钙钛矿型结构，是一种铁电材料，纯钛酸钡是一种绝缘材料．在钛酸钡材料中加入微量稀土元素，进行适当热处理后，在居里温度附近，电阻率陡增几个数量级，产生PTC效应，此效应与BaTiO3晶体的铁电性及其在居里温度附近材料的相变有关．钛酸钡半导瓷是一种多晶材料，晶粒之间存在着晶粒间界面．该半导瓷当达到某一特定温度或电压，晶体粒界就发生变化，从而电阻急剧变化．

钛酸钡半导瓷的PTC效应起因于粒界（晶粒间界）．对于导电电子来说，晶粒间界面相当于一个势垒．当温度低时，由于钛酸钡内电场的作用，导致电子极容易越过势垒，则电阻值较小．当温度升高到居里点温度（即临界温度）附近时，内电场受到破坏，它不能帮助导电电子越过势垒．这相当于势垒升高，电阻值突然增大，产生PTC效应．钛酸钡半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒模型、丹尼尔斯等人的钡缺位模型和叠加势垒模型，它们分别从不同方面对PTC效应作出了合理解释．

实验表明，在工作温度范围内，PTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用实验公式表示：

RT=RT0expBp（T-T0）

式中RT、RT0表示温度为T、T0时电阻值，Bp为该种材料的材料常数．

PTC效应起源于陶瓷的粒界和粒界间析出相的性质，并随杂质种类、浓度、烧结条件等而产生显著变化．最近，进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度敏感元件，这是体型且精度高的PTC热敏电阻，由n型硅构成，因其中的杂质产生的电子散射随温度上升而增加，从而电阻增加．

PTC热敏电阻于1950年出现，随后1954年出现了以钛酸钡为主要材料的PTC热敏电阻．PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节，还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析和风速机等方面．下面简介一例对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和过热保护方面的应用。

PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”，如图2和3所示．电流通过元件后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用．利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用．

二、NTC热敏电阻

NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料．该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻．其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化．现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料．

NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为：

式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数．陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的．

NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段．1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性．1930年，科学家发现氧化亚铜-氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中．随后，由于晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大进展．1960年研制出了N1C热敏电阻器．NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面．下面介绍一个温度测量的应用实例，NTC热敏电阻测温用原理如图4所示．

它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用．RT为NTC热敏电阻器；R2和R3是电桥平衡电阻；R1为起始电阻；R4为满刻度电阻，校验表头，也称校验电阻；R7、R8和W为分压电阻，为电桥提供一个稳定的直流电源．R6与表头（微安表）串联，起修正表头刻度和限制流经表头的电流的作用．R5与表头并联，起保护作用．在不平衡电桥臂（即R1、RT）接入一只热敏元件RT作温度传感探头．由于热敏电阻器的阻值随温度的变化而变化，因而使接在电桥对角线间的表头指示也相应变化．这就是热敏电阻器温度计的工作原理．

热敏电阻器温度计的精度可以达到01℃，感温时间可少至10s以下．它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量．

三、CTR热敏电阻

临界温度热敏电阻CTR（Crit1Cal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数．构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR为玻璃态热敏电阻．骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变．这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的．若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失．产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移．CTR能够作为控温报警等应用．

热敏电阻的理论研究和应用开发已取得了引人注目的成果．随着高、精、尖科技的应用，对热敏电阻的导电机理和应用的更深层次的探索，以及对性能优良的新材料的深入研究，将会取得迅速发展．

光敏电阻

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图所示。

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

压敏电阻

1、什么是“压敏电阻”

“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。

压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。

在中国台湾，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为"突波吸收器"。压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。

2、压敏电阻电路的“安全阀”作用

压敏电阻有什么用？压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。

3、应用类型

不同的使用场合，应用压敏电阻的目的，作用在压敏电阻上的电压/电流应力并不相同，

因而对压敏电阻的要求也不相同，注意区分这种差异，对于正确使用是十分重要的。

根据使用目的的不同，可将压敏电阻区分为两大类：①保护用压敏电阻，②电路功能用压敏电阻。

31保护用压敏电阻

（1） 区分电源保护用，还是信号线，数据线保护用压敏电阻器，它们要满足不同的技术标准的要求。

（2） 根据施加在压敏电阻上的连续工作电压的不同，可将跨电源线用压敏电阻器可区分为交流用或直流用两种类型，压敏电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同。

（3） 根据压敏电阻承受的异常过电压特性的不同，可将压敏电阻区分为浪涌抑制型，高功率型和高能型这三种类型。

★浪涌抑制型：是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。

★高功率型：是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器，例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周期出现，且周期可知，能量值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但因出现频率高，其平均功率相当大。

★高能型：指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是能量吸收能力。

压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反复作用的，但有时也将它做成电流保险丝那样的"一次性"保护器件。例如并接在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。

32电路功能用压敏电阻

压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作：

（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以上，这是硅稳压管无法达到的。

（2）电压波动检测元件。

（3）直流电瓶移位元件。

（4）均压元件。

（5）荧光启动元件

4、保护用压敏电阻的基本性能

（1）保护特性，当冲击源的冲击强（或冲击电流Isp=Usp/Zs)不超过规定值时，压敏电阻的限制电压不允许超过被保护对象所能承受的冲击耐电压（Urp）。

（2）耐冲击特性，即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流，冲击能量，以及多次冲击相继出现时的平均功率。

（3）寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数。

（4）压敏电阻介入系统后，除了起到"安全阀"的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓"二次效应"，它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万PF），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。

载流子寿命life time of carriers

非平衡载流子在复合前的平均生存时间，是非平衡载流子寿命的简称。在热平衡情况下，电子和空穴的产生率等于复合率，两者的浓度维持平衡。在外界条件作用下（例如光照），将产生附加的非平衡载流子，即电子—空穴对；外界条件撤消后，由于复合率大于产生率，非平衡载流子将逐渐复合消失掉，最后回复到热平衡态。非平衡载流子浓度随时间的衰减规律一般服从exp(-t/τ）的关系，常数τ表示非平衡载流子在复合前的平均生存时间，称为非平衡载流子寿命。在半导体器件中，由于非平衡少数载流子起主导作用，因此τ常称为非平衡少数载流子寿命，简称少子寿命。τ值范围一般是10-1～103μs。复合过程大致可分为两种：电子在导带和价带之间直接跃迁，引起一对电子—空穴的消失，称为直接复合；电子—空穴对也可能通过禁带中的能级（复合中心）进行复合，称为间接复合。每种半导体的r并不是取固定值，将随化学成分和晶体结构的不同而大幅度变化，因此，寿命是一种结构灵敏参数。τ值并不总是越大越好。对于Si单晶棒和晶体管的静态特性来说，希望τ值大些。但是,对于在高频下使用的开关管，却往往需要掺杂（扩散金），以增加金杂质复合中心，降低τ值，提高开关速度。在电力电子器件生产中，常用电子束辐照代替掺金，降低τ值。在Si和GaAs材料、器件和集成电路生产过程中，τ值是必须经常检测的重要参数。

经典的物理理论认为物质由基本粒子组成，它们之间仅以几种不同的方式相互作用。在20世纪70年代，物理学家开发了一套描述这些粒子和相互作用的方程。这些方程共同形成了一个简明的理论，现在被称为粒子物理学的标准模型。

标准模型缺失了一些令人费解的部分（明显缺失的是构成暗物质的假定粒子，那些表达引力的粒子，以及对中微子质量的解释），但它给出了几乎所有其他观察到的现象的极其精确的图像。

然而，标准模型仍然缺乏连贯的可视化。大多数尝试都过于简单，或者忽略了重要的相互联系，或者混乱不堪。

考虑最常见的可视化，它显示了一个粒子周期表：

这种方法并不能洞察粒子之间的关系。带力粒子（即传递电磁力的光子），W和Z玻色子传递弱力，而传递强力的胶子与物质粒子——夸克、电子及其同类——处于相同的地位。此外，像“颜色”这样的关键属性被省略了。

2013年影片《粒子热》（Particle Fever）的另一个表述是：

尽管这种可视化恰当地强调了希格斯玻色子的中心地位，希格斯玻色子被放在光子和胶子旁边，尽管在现实中希格斯玻色子并不影响这些粒子。而圆的象限是有误导性的——例如，这意味着光子只与它接触的粒子偶联，但事实并非如此。

伊利诺伊州费米国家加速器实验室的粒子物理学家克里斯·奎格数十年来一直在思考如何对标准模型进行可视化，希望更强大的可视化表示能够帮助人们熟悉已知的自然粒子并促使他们思考关于这些粒子如何适合更大，更完整的理论框架。奎格的直观表示方式展示了标准模型的更多基本顺序和结构。他称其方案为“双单形”。

让我们从头开始构建双单形。

夸克在底部

物质粒子主要有两种，轻子和夸克。(请注意，对于自然界的每一种物质粒子，都存在一种反物质粒子，它具有相同的质量，但在其他方面都是相反的。正如其他标准模型可视化所做的那样，我们省略了反物质，这会形成一个独立的、反向的双单形。）

让我们从夸克开始，特别是组成原子核中的质子和中子的两种类型的夸克。这两种夸克是上夸克，电荷为单位的2/3；下夸克，电荷为- 1/3。

上下夸克可以是“左旋的”或“右旋的”，这取决于它们相对于运动方向是顺时针旋转还是逆时针旋转。

弱变化

通过一种称为弱力的相互作用，左旋的上下夸克可以相互转换。当夸克交换一种叫做W玻色子的粒子时，就会发生这种变化。W玻色子是弱力的载体之一，带有正负1的电荷。这些弱相互作用用橙色线表示：

奇怪的是，自然界中没有右手的W玻色子。这意味着右旋的上下夸克不能发射或吸收W玻色子，所以它们不会相互转换。

夸克还具有一种叫做颜色的电荷。一个夸克可以有红色、绿色或蓝色电荷。夸克的颜色使它对强力敏感。

这种强力将不同颜色的夸克结合在一起形成复合粒子，如质子和中子，它们是“无色的”，没有净色电荷。

夸克通过吸收或释放胶子来从一种颜色转换为另一种颜色，胶子是强力的载体。这些相互作用形成了三角形的边。因为胶子本身具有色电荷，它们不断地相互作用，就像与夸克相互作用一样。胶子之间的相互作用填充了这个三角形。

现在我们来看轻子，另一种物质粒子。轻子有两种：电子和中微子，前者的电荷为 1，后者为电中性。

与左旋上夸克和左旋下夸克一样，左旋电子和中微子可以通过微弱的相互作用相互转化。然而，在自然界中还没有见过右旋中微子。

单形框架

把我们目前所做的放在一起，我们得到左手性的粒子在左边，右手性的粒子在右边。它们构成了奎格双单形的基本框架。

三代夸克

现在，一个复杂的问题是：由于未知的原因，每种类型的物质粒子存在三种逐渐加重但在其他方面相同的版本。例如，除了上夸克和下夸克之外，还有粲夸克和奇夸克，还有更重的顶夸克和底夸克。轻子也是如此：除了电子和电子中微子，还有μ介子和μ中微子，还有τ子和τ中微子（请注意，中微子的质量虽小但未知）。它们构成了奎格双单形的基本框架。

所有这些粒子都生活在双单形的角落里。值得注意的是，在不同代中，左旋夸克之间会发生少量的弱相互作用，例如，一个上夸克偶尔会吐出W+玻色子，变成一个奇夸克。不同代的轻子偶尔也会以这种方式相互作用。

力和电荷

粒子之间还有什么其他的相互作用方式？我们已经提到过，许多物质粒子都是带电的——事实上，除了中微子，所有的粒子都是带电的。带电的意思是这些粒子对电磁力很敏感。它们通过交换光子相互作用，光子是电磁力的载体。我们用波浪线来表示电磁相互作用，这些波浪线将带电粒子彼此连接起来。请注意，这些相互作用不会使粒子相互转化，在这种情况下，粒子只能感受到推或拉。

弱力比我们之前说的要复杂一点。除了W+和W -玻色子，还有一种弱力的中性载流子，叫做Z_0玻色子。粒子可以吸收或释放Z_0玻色子而不改变其性质。与电磁相互作用一样，这些“弱中性相互作用”只会导致能量和动量的损失或增加。弱中性相互作用在这里用橙色波浪线表示。

弱中性相互作用与电磁相互作用相似，这并非巧合。弱力和电磁力都来自于一个单一的力，在宇宙的最初时刻存在，称为电弱相互作用。

随着宇宙冷却，一个被称为电弱对称破缺的事件将这些力一分为二。这一事件的标志是一个贯穿整个空间的场的突然出现，这个场被称为希格斯场，它与一种叫做希格斯玻色子的粒子有关——这是我们谜题的最后一块。

进入希格斯

希格斯玻色子是标准模型的关键，也是为什么双单形排列有意义的关键。当希格斯场在早期宇宙中出现时，它将左旋和右旋的粒子结合在一起，同时赋予这些粒子我们称之为质量的性质。(请注意，中微子是有质量的，但它的起源仍然是神秘的，因为它源自某种机制，而不是希格斯玻色子。）

当一个粒子（如电子）在空间中移动时，它会不断地与希格斯玻色子——希格斯场的激发态——相互作用。当一个左旋电子与一个希格斯玻色子碰撞时，电子可能会从它身上反弹到一个新的方向，变成右旋电子，然后再与另一个希格斯粒子碰撞，再次变成左旋电子，以此类推。这些相互作用降低了电子的速度，这就是我们所说的“质量”。

一般来说，粒子与希格斯玻色子相互作用越多，它的质量就越大。此外，与希格斯玻色子频繁的相互作用使这些大质量粒子成为左旋和右旋的量子混合物。

这样，我们就有了粒子物理学的标准模型。