电子技术的发展与现状.ppt

电子技术的发展与现状,引言,电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。,引言,进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会，高科技的广泛应用使社会生产力和经济技术得到了空前的发展。,引言,现在的世界，电子技术无处不在：手机、彩电、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。,电子器件的两个发展阶段,分立元件阶段（19051959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959）五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路集成电路,从此电子产业开始了飞速的发展。,分立元件阶段,电子管时代（19051948）为现代技术采取了决定性步骤1906年德福雷斯特制成第一只三极管1922年研制成第一台超外差无线电收音机1934年劳伦斯研制成回旋加速器1940年帕全森等研制成电子模拟计算机1947年肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管,分立元件阶段,晶体管时代（19481959）1948年英国采用最早存储程序数字计算机1952年美国爆炸第一颗氢弹1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年苏联发射第一颗人造地球卫星1958年美国公司研制成第一个集成电路,集成电路阶段,自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。,集成电路阶段,集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。,可编程逻辑器件（PLD）,微控制芯片（MCU）,数字信号处理器（DSP）,大规模存储芯片（RAM/ROM）,电子计算机的发展,伴随着电子技术的发展而飞速发展起来的电子计算机所经历的四个阶段充分说明了电子技术发展的四个阶段的特性。第一代（19461957）电子管计算机第二代（19581963）晶体管计算机第三代（19641970）集成电路计算机第四代（1971至今）大规模集成电路计算机,EDA技术,电子设计技术的核心就是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。,纳米电子技术,纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性。从微电子器件到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。,(1-12),第14章半导体器件,14.1半导体的基本知识14.2PN结14.3半导体二极管14.4特殊二极管14.5半导体三极管,(1-13),14.1.1导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。,14-1半导体的基本知识,(1-14),14.1.2本征半导体,在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电,用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,当收到外界因素影响价电子挣脱束缚形成自由电子，留下空穴。,共价键,N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷。,14.1.3杂质半导体,自由电子为多子,空穴是多子,P型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼。,(1-16),P型半导体,N型半导体,14.2PN结,14.2.1PN结的形成,(1-17),14.2PN结的单向导电性,PN结外加正向电压：P区接正、N区接负电压,PN结加上反向电压：P区加负、N区加正电压,变薄,结论：PN结导通,变厚,结论：PN结截止,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,一、基本结构,14.3半导体二极管,(1-19),14.3半导体二极管,二、伏安特性,U,I,死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,(1-20),三、主要参数,1.最大整流电流IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,(1-21),3.反向电流IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面举个二极管整流的例子。,(1-22),二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,(14-23),符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,伏安特性,稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。,稳压原理：稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。,14.4稳压二极管（面接触型硅二极管）,曲线越陡电压越稳,(14-24),UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,伏安特性,稳压管反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压二极管恢复正常。,使用时要加限流电阻，稳压二极管在电路中可以起到稳压作用。,反向电流超过允许范围时，稳压二极管会发生过热击穿而损坏。,曲线越陡电压越稳,注意：,(14-25),(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数U稳压值受温度变化影响的系数，环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM,(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,稳压二极管的主要参数:,(14-26),例1：已知：Uz=12V，IZM=18mA，R=1.6K。试求：Iz=?限流电阻R的阻值是否合适？,解：,Iz=(20Uz)/R=(20-12)/1.6x103=5mA因：IZIZM故：限流电阻R的阻值合适,P14：例14.4.1,(14-27),14.5晶体管,常见晶体管外形图,(14-28),14.5.1基本结构,常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型,晶体管结构图,(14-29),NPN型晶体管,PNP型晶体管,发射区,集电区,基区,集电结,发射结,基极,发射极,集电极,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,集电极,发射极,基极,晶体管结构示意图,(14-30),基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,结构特点：,集电区：面积最大,(14-31),三极管放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏VBVB,14.5.2电流分配和放大原理,从电位的角度看,集电结,发射结,(14-32),晶体管电流放大的实验电路,设EC=6V，改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：,公共端,基极电路,集电极电路,(14-33),(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)ICIB，ICIE(3)ICIB(4)IB=0时，IC=ICEO0,晶体管的电流放大作用：基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化。,放大实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。,晶体管电流测量数据,结论:,(14-34),晶体管内部载流子运动发射区向基区扩散电子电子在基区扩散和复合集电区收集从发射区扩散过来的电子,发射区,集电区,基区,集电结,发射结,(14-35),电流分配和放大原理,基区空穴向发射区的扩散可忽略.,进入P区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IBE,基区要薄，浓度小，使绝大多数电子扩散到集电结.,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,(14-36),EB,RB,EC,IC=ICE+ICBOICE,集电结反偏，由少子形成的反向电流ICBO，受温度影响比较大。,从发射区扩散到基区到达集电区边缘的电子被拉入集电区形成ICE。,IB=IBEICBOIBE,N,N,P,IC,(14-37),直流电流放大倍数：ICE与IBE之比,要使晶体管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,(14-38),NPN型晶体管,PNP型晶体管,晶体管起放大作用的条件：,发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,电流方向和发射结与集电结的极性,(14-39),14.5.3特性曲线,管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,(14-40),输入回路,输出回路,B,E,C,(14-41),一、输入特性曲线,0,(14-42),特点:非线性,工作压降硅管UBE0.60.7V锗管UBE0.20.3V,死区电压硅管0.5V锗管0.1V,(14-43),二、输出特性曲线,IC(mA),IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,0,(14-44),线性放大区,IC(mA),0,UCE大于一定数值时,IC只与IB有关,IC=IB,发射结正偏，集电结反偏,(14-45),0,深度饱和时硅管UCES0.3V锗管UCES0.1V,IB的变化对IC的影响小，IBIC,UCEUBE,发射结正偏，集电结正偏，,饱和区,(14-46),0,IB=0,IC=ICEOUBEUBE,(14-48),(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。ICIB，ICUCC/RC，UCE0,UCE0发射极和集电极之间如同开关接通，电阻很小。,UCEUBE,(14-49),(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。IB=0，IC=ICEO0，UCEUCC,IC0发射极和集电极之间如同开关断开，电阻很大。,UBEVePNP:Vc=min,VeVbVc,方法：先确定b、e、c脚,然后确定材料、类型,a：脚2=b脚脚3=e脚脚1=c脚硅管,NPN管,b：脚2=b脚脚3=e脚脚1=c脚锗管,PNP管,PNP管,NPN管,(14-56),三、主要参数,前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1.电流放大倍数和,(14-57),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,(14-58),4.集电极最大允许电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,基极开路时，加在集-射极之间的最大允许电压，称为集-射极反向击穿电压。手册上给出的数值是25C的值。温度上升时，其值将降低。,(14-59),6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,安全工作区,ICUCE=PCM,(14-60),14.6光电器件,发光二极管光电二极管光电晶体管,有兴趣的同学自学！,第十四章课后习题,P13:14.3.8-二极管的应用(双)：限幅P32：14.3.8-二极管的应用：与门P34:14.4.3-稳压管的应用14.5.8-晶体管：工作区14.6.1-发光二极管及综合P35:14.5.11-综合应用(选做),(1-62),结束,(14-63),1半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。2采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。3二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。,内容小结,(14-64),4.三极管工作时，有两种载流子参与导电，称为双极型晶体管。5.是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。6.晶体管特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。7.有三个工作区：饱和区、放大区和截止区。,(14-65),例3：已知：Ui=10sinwtV，二极管为理想元