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文档简介

电子线路 第五版 梁明理邓仁清主编尹旻主讲Email yinm 主要参考书 模拟电子技术基础清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编 电子技术基础模拟部分华中理工大学电子学教研室编主编康华光副主编陈大钦 主要参考书 数字电子技术基础清华大学电子学教研组编阎石主编 电子技术基础数字部分华中理工大学电子学教研室编主编康华光副主编邹寿彬 绪论 使学生初步掌握模拟电子电路的基本理论 基本知识和基本技能 模拟电子技术基础课程是入门性质的基础课 具有能够继续深入学习电子技术新发展的能力和将所学知识用于本专业的能力 目的 一 模拟电子技术基础课程的特点 了解各元件参数对电路性能的影响是正确调试的前提 对所测试电路原理的深入理解 对基本知识的熟练掌握是正确判断故障的基础 本课程的主要特点 工程性 实践性 实际工程需要证明其可行性 在定量分析时容许存在一定的误差范围 近似分析要 合理 估算不同参数需采用不同模型 掌握电子仪器的使用方法 模拟电子电路的测试方法 故障的判断方法和排除方法 从工程的观点思考和处理问题 实用的电子电路几乎都是通过调试才能达到预期的指标 二 如何学习模拟电子技术基础课 重点掌握基本概念 基本电路和基本分析方法 基本概念的含义是不变的 但应用是灵活的 对于任何一个基本概念 至少应了解引入这一概念的必要性及其物理意义 如果是一个物理参量 则还应了解其求解方法及求解过程中的注意事项 模拟电子电路千变万化 应抓住本质才可能学通 基本电路是指具有同样结构特征的所有电路 本课程中每章都有基本电路 掌握这些电路是学好这门课程的关键 基本分析方法包括电路的识别方法 性能指标的估算方法 在特定需求下电路的选择等 不同类型的电路满足不同的需求 具有不同的结构特征 需用不同的参数描述 而不同参数有各自的求解方法 三 如何考查模拟电子技术基础课 一般通过是否 会看 会算 会选 会调 四个方面来考查 会看 电路的识别及定性分析 会算 电路的定量分析 会选 在已知需求情况下选择电路形式 在已知功能情况下选择元器件类型 在已知性能指标情况下选择电路参数 会调 掌握模拟电子电路的测试方法 仪器的选用 故障的判断和排除 第一章基本半导体器件 半导体器件基础 1半导体基础知识 2PN结 3半导体二极管 4半导体三极管 5场效应管 半导体器件特性 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间 最常用的半导体材料 物体根据其导电能力 电阻率 分 半导体基础知识 原子结构示意图 1本征 intrinsic 半导体 立体结构 1 本征半导体 本征半导体就是完全纯净的半导体 每个原子周围都有四个最近邻 这个原子处在正四面体的中心 而其它四个原子位于四面体的顶角上 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 每个原子和周围四个原子组成四个共价键 共价键 价电子 每个原子与其相邻的原子之间形成共价键 共用一对价电子 平面结构 本征激发产生电子和空穴 自由电子 空穴 共价键上留下一个空位 称为空穴 价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 电子空穴成对产生 本征半导体中两种载流子 即自由电子和空穴数量相等 电子空穴复合 成对消失 电子空穴复合 成对消失 电子和空穴产生过程动画演示 小结 本征激发和复合的过程 本征半导体中两种载流子 即自由电子和空穴数量相等 价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 共价键上留下一个空位 称为空穴 电子空穴对 载流子 Carrier 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 本征激发 热激发 T 0K时 复合 自由电子落入空穴 使自由电子和空穴成对消失的过程 价电子完全被共价键束缚 本征半导体的导电能力为零 半导体导电机理 在外电场作用下 价电子填补空穴而使空穴移动 形成空穴电流 半导体导电机理动画演示 1 在半导体中有两种载流子 这就是半导体和金属导电原理的本质区别 a 电阻率大 2 本征半导体的特点 b 导电性能随温度变化大 小结 本征半导体不能在半导体器件中直接使用 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体 根据掺杂的不同 杂质半导体分为 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 如磷 砷 的半导体 2杂质半导体 掺入少量五价杂质元素磷 多出一个电子 出现了一个正离子 半导体中产生了大量的自由电子和正离子 N型半导体形成过程动画演示 c 电子是多数载流子 简称多子 空穴是少数载流子 简称少子 d 因电子带负电 称这种半导体为N negative 型或电子型半导体 e 因掺入的杂质给出电子 又称之为施主杂质 b N型半导体中产生了大量的 自由 电子和正离子 小结 a N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形成的 2 P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼等 出现了一个空位 负离子 空穴 半导体中产生了大量的空穴和负离子 P型半导体的形成过程动画演示 c 空穴是多数载流子 电子是少数载流子 d 因空穴带正电 称这种半导体为P positive 型或空穴型半导体 e 因掺入的杂质接受电子 故称之为受主杂质 a P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素形成的 b P型半导体产生大量的空穴和负离子 小结 当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时 可将N型转为P型 杂质半导体的转型 当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时 可将P型转为N型 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 温度越高 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 第一部分小结 本征半导体 杂质半导体 本征半导体缺点 1 电子浓度 空穴浓度 2 载流子少 导电性差 温度稳定性差 杂质半导体 在本征半导体中人为掺入某种 杂质 元素形成的半导体 N型半导体 P型半导体 杂质半导体 在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体 在本征Si和Ge中掺入微量 族元素后形成的杂质半导体 1 N型半导体 电子型半导体 掺杂 特点 多数载流子 自由电子 主要由杂质原子提供 少数载流子 空穴 由热激发形成 施主杂质为正离子 少量掺入五价杂质元素 如 磷 掺入V族元素称为施主杂质 简称施主 施主 能提供自由电子 2 P型半导体 空穴型半导体 掺杂 少量掺入三价杂质 如硼 镓和铟等 特点 多子 空穴 主要由杂质原子提供 少子 电子 由热激发形成 受主杂质为负离子 掺入 族元素称为受主杂质简称受主 受主 能提供孔穴 3 杂质对半导体导电性的影响 影响很大 载流子数目剧增 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 典型数据如下 1形成 2实质 4电容效应 3单向导电性 PN结 以N型半导体为基片 通过半导体扩散工艺 1PN结的形成 使半导体的一边形成N型区 另一边形成P型区 1 在浓度差的作用下 电子从N区向P区扩散 2 在浓度差的作用下 空穴从P区向N区扩散 在浓度差的作用下 两边多子互相扩散 在P区和N区交界面上 留下了一层不能移动的正 负离子 即PN结 空间电荷层 PN结 将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面 界面附近形成一个极薄的特殊区域 称为PN结 形成内电场 内电场方向 内建电场 由N区指向P区的电场E 阻止两区多子的扩散 PN结一方面阻碍多子的扩散 另一方面加速少子的漂移 当多子扩散和少子漂移达到动态平衡 形成PN结 势垒U0 形成电位势垒 当扩散与漂移作用平衡时 a 流过PN结的净电流为零 b PN结的厚度一定 约几个微米 c 接触电位一定 约零点几伏 PN结形成过程动画演示 当N区和P区的掺杂浓度不等时 离子密度大 空间电荷层较薄 离子密度小 空间电荷层较厚 高掺杂浓度区域用N 表示 1 PN结正向偏置 PN结正向偏置 当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时 称PN结正向偏置 简称正偏 PN结反向偏置 当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时 称PN结反向偏置 简称反偏 2PN结的单向导电性 PN结正向偏置 内电场被削弱 PN结变窄 PN结呈现低阻 导通状态 多子进行扩散 PN结正偏动画演示 内电场增强 PN结变宽 PN结呈现高阻 截止状态 不利多子扩散有利少子漂移 2 PN结反向偏置 因少子浓度主要与温度有关 反向电流与反向电压几乎无关 此电流称为反向饱和电流 记为IS PN结反偏动画演示 1 势垒电容CB Barrier 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成 表现为 势垒电容CB barrier 扩散电容CD diffusion 4电容效应 PN结变窄 空间电荷层中的电荷量减少 a 当PN结正反偏置电压降低时 PN结变宽 空间电荷层中的电荷量增大 b 当PN结反向偏置电压升高时 可见 空间电荷量随着PN结偏置电压的变化而变化 这种电容效应用势垒电容CB表征 非平衡少子的积累 PN结处于平衡状态时的少子

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