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文檔簡介
電子技術(shù)基礎(chǔ)
FundamentalsofElectronicTechnique信息工程學(xué)院自動(dòng)化系田建艷9/27/20241電子技術(shù)基礎(chǔ)?
“電子技術(shù)基礎(chǔ)”是電類各專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。它是研究各種半導(dǎo)體器件的性能、電路及其應(yīng)用的學(xué)科。根據(jù)學(xué)科內(nèi)容大的方面來劃分,分為:模擬電子技術(shù)(AnalogElectronicsTechnology)和數(shù)字電子技術(shù)(DigitalElectronicsTechnology)。根據(jù)自動(dòng)化系的課程安排,將電子技術(shù)分為:基礎(chǔ)、模電和數(shù)電三門課。9/27/20242電子技術(shù)難學(xué)嗎?
電子技術(shù)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課。要求學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)要很好地掌握基本概念、基本工作原理以及基本分析方法。
總的要求是:熟練掌握基本概念,在定性分析的基礎(chǔ)上作定量估算。9/27/20243第一節(jié):半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第二節(jié):半導(dǎo)體二極管第三節(jié):晶體三極管第四節(jié):場效應(yīng)管第五節(jié):集成電路中的元件第一章:常用半導(dǎo)體器件9/27/20245本章要求:
半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子電路的基本元件。具有體積小、重量輕、使用壽命長、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。
半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性、熱敏性、光敏性、摻雜性。本章要求掌握常用半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。
9/27/20246導(dǎo)體(conductor):自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體,金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體(insulator):有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電,稱為絕緣體,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體(semiconductor):另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間,稱為半導(dǎo)體,如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。Semiconductorsareaspecialclassofelementshavingaconductivitybetweenthatofagoodconductorandthatofaninsulator.9/27/20247第一節(jié):半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1、半導(dǎo)體(semiconductor)硅silicon、鍺germanium;導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、光敏性、熱敏性、摻雜性2、本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶體,如圖所示。9/27/202481.1.2本征半導(dǎo)體GeSi通過一定的工藝過程,可以將半導(dǎo)體制成晶體。硅和鍺的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)。9/27/20249本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖共價(jià)鍵covalentbond束縛電子bondedelectron9/27/202410本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對溫度T=0K和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著,本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子(即載流子carrier),它的導(dǎo)電能力為0,相當(dāng)于絕緣體。在常溫下T=300K
,由于熱激發(fā),使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛,成為自由電子,同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位,稱為空穴。載流子:自由電子和空穴9/27/202411本征半導(dǎo)體:*本征激發(fā):T=0K300K,熱激發(fā)freeelectronhole9/27/202412+4+4+4+4在其它力的作用下,空穴吸引附近的電子來填補(bǔ),這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移,而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng),因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子,即自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體中電流:自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流和空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。9/27/202413小結(jié)本征半導(dǎo)體:(1)兩種載流子(carrier:自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子):自由電子freeelectrons(負(fù)電Negative)、空穴holes(正電Positive)、數(shù)目相等;(2)載流子的運(yùn)動(dòng):擴(kuò)散(diffusion)運(yùn)動(dòng)、漂移(drift)運(yùn)動(dòng)(3)自由電子和空穴均參與導(dǎo)電—導(dǎo)電特殊性本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力差(4)載流子的濃度指數(shù)規(guī)律于溫度,故其溫度穩(wěn)定性差,但可制作熱敏器件。9/27/2024143、雜質(zhì)(extrinsic)半導(dǎo)體Asemiconductormaterialthathasbeensubjectedtothedopingprocessiscalledanextrinsicsemiconductor.*根據(jù)摻入(doping)雜質(zhì)元素不同,分為:N型(Ntype)半導(dǎo)體、P型(Ptype)半導(dǎo)體
9/27/202415N型半導(dǎo)體:摻五價(jià)元素(如磷)多子:電子少子:空穴多子:電子majority少子:空穴minorityDonorimpurities雜質(zhì)9/27/202416P型半導(dǎo)體:摻三價(jià)元素(如硼)多子:空穴少子:電子Acceptorimpurities雜質(zhì)9/27/202417------------------------P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體9/27/202418
Putverysimplyasemiconductormaterialisonewhichcanbe‘doped’toproduceapredominanceofelectronsormobilenegativecharges(N-type);or‘holes’orpositivecharges(P-type).占優(yōu)勢、多余的簡單地說又稱或者可移動(dòng)的總結(jié):(1)多子、少子:(2)電中性:(3)多子和少子的濃度:9/27/2024194、PN結(jié)(junction)
(1)形成采用不同的摻雜工藝,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上,在它們的交界面就形成PN結(jié)。
9/27/202420PN結(jié)的形成:多子的擴(kuò)散、少子的漂移名稱:*PN結(jié)*空間電荷區(qū)*耗盡層*阻擋層*勢壘區(qū)9/27/202421PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
(1)外加正向電壓(正向偏置、正偏)——導(dǎo)通(2)外加反向電壓(反向偏置、反偏)——截止P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。9/27/202422PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通9/27/202423PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止9/27/202424PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的電流方程:
(1)正向特性、(2)反向特性、(3)反向擊穿T=300K時(shí),UT約為26mV9/27/202425PN結(jié)的伏安特性(1)正向特性(2)反向特性(3)反向擊穿齊納擊穿(高摻雜)雪崩擊穿(高反壓)9/27/202426PN結(jié)的電容效應(yīng):P16
(1)勢壘電容Cb:等效電容隨反向電壓變化——變?nèi)荻O管(2)擴(kuò)散電容Cd
:擴(kuò)散區(qū)內(nèi),電荷的積累和釋放過程與電容器充放電過程相同。
PN結(jié)的結(jié)電容Cj
——高頻考慮PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路:勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd9/27/202427第二節(jié):半導(dǎo)體二極管*PN結(jié)(PNjunction)的形成(多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;名稱:PN結(jié)、空間電荷區(qū)、耗盡層、阻擋層、勢壘區(qū))*PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕ㄕ妥鑼?dǎo)通、反偏高阻截止)9/27/202428圖1.2.1二極管的幾種外形1、半導(dǎo)體二極管(Diode)的外形與結(jié)構(gòu)
----P18
9/27/202429圖1.2.2二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)(a)點(diǎn)接觸型;(b)面接觸型;(c)平面型;
(d)二極管的符號(hào)9/27/2024302、半導(dǎo)體二極管伏安特性
(1)正向?qū)ā?2)反向截止、(3)反向擊穿開啟電壓Uon:死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V導(dǎo)通電壓U:硅管0.6~0.8V,鍺管0.1~0.3V——P19表1.2.1溫度對二極管伏安特性的影響:溫度每升高1℃,正向壓降減小2~2.5mV溫度每升高10℃,反向電流約增大一倍9/27/2024313、二極管的主要參數(shù)*主要參數(shù):IF、UR、IR、fM(P20)4、二極管的等效電路9/27/2024325、二極管的應(yīng)用*應(yīng)用:限幅、整流、門電路例1:P68例2:補(bǔ)充(見下頁)例3:P69RUo2VDUD=0.7V9/27/202433補(bǔ)充:RUo6VD112VD29/27/202434RuiuoVRD正弦波的峰值Vim大于VR
uiVRuo9/27/202435(1)輸出電壓波形:u1u2aTbDRLuoiL9/27/202436橋式整流電路+-u2正半周時(shí)電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo9/27/202437橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時(shí)電流通路9/27/202438u2>0時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A
D1
RL
D3Bu2<0時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:B
D2
RL
D4A輸出是脈動(dòng)的直流電壓!u2橋式整流電路輸出波形uou2D4D2D1D3RLuoAB9/27/2024396、穩(wěn)壓二極管:Zenerdiode9/27/202440圖1.2.11穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓管:工作在反向擊穿狀態(tài)
穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路:串、反、并
KCL
、
KVLP24參數(shù)返回UZ9/27/2024417、發(fā)光二極管(用于顯示)
LED:light-emittingdiodes發(fā)光二極管包括:可見光,不可見光,激光
可見光發(fā)光二極管:紅,綠,黃,橙等
開啟電壓大:紅1.6~1.8V綠2V9/27/202442P27例1.2.3電路圖9/27/202443ATmega16單片機(jī)的封裝與引腳ATmega16單片機(jī)的封裝有兩種:40引腳的PDIP和44引腳的TQFP。D端口A端口C端口B端口9/27/202444發(fā)光二極管:導(dǎo)通電壓1.6V、正向電流5~20mA才能發(fā)光。單片機(jī)輸出低電平0.7V,輸出電流20mA。135~540Ω
510Ω×2
9/27/2024459/27/2024468、光電二極管(光能與電能轉(zhuǎn)換)作業(yè):P679/27/202447例Ifamouseisinstalledinacomputer,thentheavailablememoryspaceforuserwillreduce.9/27/2024481.3晶體三極管(Transistor)
晶體管的結(jié)構(gòu)及類型晶體管的電流放大作用晶體管的共射特性曲線晶體管的主要參數(shù)---P34溫度對晶體管特性及其參數(shù)的影響9/27/202449晶體管的幾種常見外形9/27/202450
雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的器件。它有三個(gè)電極,所以又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管。因兩種極性電荷的載流子同時(shí)參與導(dǎo)電,故稱雙極型晶體管BJT(BipolarJunctionTransistor)。9/27/202451becNNP基極base發(fā)射極emitter集電極collectorNPN型PNP集電極b基極發(fā)射極BcePNP型1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)和類型9/27/202452becIBIEICNPN型三極管becIBIEICPNP型三極管9/27/202453becNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū):較薄,摻雜濃度低集電區(qū):面積較大發(fā)射區(qū):摻雜濃度較高9/27/202454becNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)Je集電結(jié)Jc9/27/2024551.3.2晶體管的電流放大作用電流放大條件:內(nèi)部條件:發(fā)射區(qū)摻雜濃度高;基區(qū)??;集電區(qū)面積大。外部條件:發(fā)射結(jié)正偏;集電結(jié)反偏。NPN:Uc>Ub>UePNP:Uc<Ub<Ue放大時(shí)各電極的電位關(guān)系:9/27/202456一、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子
(2)電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合
(3)擴(kuò)散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集
9/27/202457基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略IEP。發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散,形成發(fā)射極電流IEN。進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合,形成電流IBN,多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。集電結(jié)反偏,有少子形成的反向電流ICBO。從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子,漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集,形成ICN。9/27/202458二、晶體管的電流分配關(guān)系外部電流關(guān)系:
IE=IC+IB9/27/202459為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICN與基區(qū)復(fù)合電流IBN之間的比例關(guān)系,定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)為其含義是:基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子,則有電子擴(kuò)散到集電區(qū)去。值一般在20~200之間。9/27/202460確定了值之后,可得式中:
稱為穿透電流。因ICBO很小,在忽略其影響時(shí),則有9/27/202461為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICN與射極注入電流IEN的比例關(guān)系,定義共基極直流電流放大系數(shù)為:顯然,<1,一般約為0.97~0.99。不難求得9/27/202462
由于,都是反映晶體管基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系,只是選取的參考量不同,所以兩者之間必有內(nèi)在聯(lián)系。由,的定義可得:9/27/202463BJT的三種組態(tài)1.3.3晶體管的共射特性曲線特性曲線是描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線。三種基本接法(組態(tài)),分別稱為共發(fā)射極、共基極接法和共集電極。其中,共發(fā)射極接法更具代表性,所以我們主要討論共發(fā)射極伏安特性曲線。9/27/202464ICmA
AVVUCEUBERBIBVCCVBB
實(shí)驗(yàn)線路9/27/202465一、共發(fā)射極輸入特性共射輸入特性曲線是以u(píng)CE為參變量時(shí),iB與uBE間的關(guān)系曲線,即典型的共發(fā)射極輸入特性曲線如圖所示。
9/27/202466UCE
1ViB(
A)uBE(V)204060800.40.8工作壓降:硅管UBE0.6~0.8V,鍺管UBE0.1~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓,硅管0.5V,鍺管0.1V。一、共發(fā)射極輸入特性9/27/202467二、共發(fā)射極輸出特性曲線共射輸出特性曲線是以iB為參變量時(shí),iC與uCE間的關(guān)系曲線,即輸出特性可以劃分為三個(gè)區(qū)域,對應(yīng)于三種工作狀態(tài)。9/27/202468iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=
IB稱為線性區(qū)(放大區(qū))。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí),IC只與IB有關(guān),IC=
IB。1、放大區(qū)9/27/202469iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCE
UBE,集電結(jié)正偏,IB>IC,UCE0.3V稱為飽和區(qū)。2、飽和區(qū)9/27/202470iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓,稱為截止區(qū)。3、截止區(qū)9/27/202471放大區(qū):發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。即:IC=IB,且
IC
=
IB(2)飽和區(qū):發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏。即:UCE
UBE
,
IB>IC,UCE0.3V
(3)截止區(qū):
UBE<死區(qū)電壓,IB=0,IC=ICEO
0
輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):9/27/202472例:
=50,UCC=12V,
RB=70k,RC=6k
當(dāng)UBB=-2V,2V,5V時(shí),晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)?當(dāng)UBB
=-2V時(shí):ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEIB=0,IC=0Q位于截止區(qū)
9/27/202473IC<
ICmax(=2mA),
Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEUBB
=2V時(shí):IC最大飽和電流:9/27/202474UBB
=5V時(shí):Q位于飽和區(qū),此時(shí)IC
和IB已不是倍的關(guān)系。9/27/202475前面的電路中,三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn),稱為共射接法,相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù):工作于動(dòng)態(tài)的三極管,真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?;鶚O電流的變化量為
IB,相應(yīng)的集電極電流變化為
IC,則交流電流放大倍數(shù)為:1.電流放大倍數(shù)和
1.3.4晶體管的主要參數(shù)——P349/27/202476例:UCE=6V時(shí):IB=40A,IC=1.5mA;
IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中,一般作近似處理:
=9/27/202477共基極直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO都很小,在數(shù)值上β≈,α≈。所以在以后的計(jì)算中,不再加以區(qū)分。
β值與測量條件有關(guān)。一般來說,在iC很大或很小時(shí),β值較小。只有在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi),β值才比較大,且基本不隨iC而變化。因此,在查手冊時(shí)應(yīng)注意β值的測試條件。尤其是大功率管更應(yīng)強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。9/27/2024782.發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)的反向飽和電流ICBO
AICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流,受溫度的變化影響。9/27/202479ICEO=
(1+
)ICBO3.基極開路時(shí)集-射極間
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