计算基础硬件 10

第2章电子元器件基础计算机硬件基础

本章导读：电子元器件是构成计算机硬件的基石，计算机和其他电子产品都是由一个个电子元器件组成的，本章给出电子元器件基础知识，主要内容有：电阻、电容和电感三种基本电子元器件的概念、特征、作用、性能参数、选用方法及分类；欧姆定律及基尔霍夫定律等电路定律；半导体基础知识、二极管、三极管和场效应管的基本概念、工作原理、主要参数及应用方法；蜂鸣器、继电器、光耦器件、数码管及液晶显示器简介等计算机硬件基础电子元器件及电路概念：

广义上，电子元器件这个术语是对电子元件和电子器件的总称。

电子元件指在生产加工时不改变分子成分的产品，如电阻、电容、电感等，电子元件本身不产生电子，它对电压、电流无控制和变换作用，所以又称无源器件。

电子器件指在生产加工时改变了分子结构的产品，例如晶体管、电子管、集成电路，因为其本身能产生电子，对电压、电流有控制和变换作用，所以又称有源器件。

电路是由金属导线将各电子元器件连接在一起形成的导电回路，通常的语境下，电路本身就包含电子元器件。2.1基本电子元器件第2页共51页计算机硬件基础

特别强调：欧姆定律中的U特指该电阻两端的电压，电流为通过该电阻的电流2.1.1电阻第3页共51页计算机硬件基础

2.1.2电容第4页共51页计算机硬件基础

2.1.3电感第5页共51页计算机硬件基础

电路模型由实际电路抽象而成，近似地反映实际电路的电气特性，电路定律是反映电路特性的客观规律。可利用电路定律对指定电路模型的电气功能分析，也可用于完成待设计的功能电路模型的电气功能验证。2.2电路模型和电路定律

电路模型是由理想元件组成的与实际元件相对应的电路，并用统一规定的符号表示，用于对实际电路的分析。

电路模型中涉及的主要概念：节点、支路、回路、电流电压实际方向、电流电压参考方向等2.2.1电路模型第6页共51页计算机硬件基础

2.2.2电路定律第7页共51页计算机硬件基础要能够理解晶体二极管、晶体三极管、场效应管等半导体元器件的基本工作原理，就需要了解什么是半导体，了解半导体元器件中最重要的PN结的概念2.3半导体基础知识（重点难点）第8页共51页计算机硬件基础物质的导电性能由原子结构决定，根据其导电性能可分为绝缘体、半导体、导体、超导体。

课堂举出一些绝缘体、半导体、导体、超导体例子。2.3.1半导体的基本概念第9页共51页计算机硬件基础

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

1．本征半导体的晶体结构

理解要点：（1）原子；（2）核外电子的自由程度

2．本征半导体中的两种载流子

空穴与电子（热激发引起）3．本征半导体中载流子的浓度

温度高则浓度高半导体材料性能对温度的敏感性，既可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。2.3.2本征半导体第10页共51页计算机硬件基础导体与本征半导体的导电特性对比：

（1）导体中只有自由电子载流子，但是很多；

（2）本征导体中有两种载流子：成对出现的自由电子和空穴，但数量很少，因此相对导体来说，导电性能很弱。

（可以形象地认为空穴是带正电的导电粒子）

（a）导体：自由电子数量多（b）本征半导体：电子空穴对少导体与本征半导体导电比较示意图第11页共51页计算机硬件基础1．N型半导体掺入五价元素（如磷），电子为多数载流子，数量=掺杂形成的数量+本征激发形成形成的数量≈掺杂形成的数量

少数载流子空穴是本征激发形成的（很少）（a）掺入5价元素出现自由电子（b）N型半导体导电示意图N型半导体结构及导电示意图2.3.3杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，形成杂质半导体。掺入的杂质元素不同，可分别形成N型、P型；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。

N是negative的缩写，P是positive的缩写第12页共51页计算机硬件基础2．P型半导体掺入三价元素（如硼），空穴为多数载流子，数量=掺杂形成的数量+本征激发形成形成的数量≈掺杂形成的数量

少数载流子自由电子是本征激发形成的（很少）（a）掺入3价元素出现空穴（b）P型半导体导电示意图P型半导体结构及导电示意图第13页共51页计算机硬件基础

1．PN结的形成

1）扩散运动

物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

多数载流子扩散运动，产生了空间电荷区2）漂移运动

在内电场的作用下，少数载流子的漂移运动

二种运动达到动态平衡后，形成稳定的空间电荷区，就是PN结

稳定的空间电荷区，称为耗尽层，近似认为该区无自由电子与空穴，空间电荷区的电位差记为Uho2.3.4

PN结的形成及其单向导电性第14页共51页计算机硬件基础2．PN结的单向导电性

1）PN结外加正向电压时处于导通状态

加正向电压，PN结宽度变窄，导通

（要点：加正向电压的程度）2）PN结外加反向电压时处于截止状态加反向电压，PN结宽度变宽，截止第15页共51页计算机硬件基础二极管是单个PN结构成的器件，在计算机芯片及常用电路中占有重要地位。理解PN结原理的基础上，就十分容易理解晶体二极管，因为晶体二极管就是由一个PN加引出脚构成的。2.4二极管第16页共51页计算机硬件基础2.4.1二极管的基本概念

晶体二极管，又称半导体二极管，简称二极管，是由一个PN结构成的半导体器件，在电路中常用于整流、稳压等作用。特定功能的二极管，如稳压二极管、发光二极管也是微型计算机的常用外围部件。将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了晶体二极管。第17页共51页计算机硬件基础

所谓伏安特性是指在器件两端加上电压，看看通过该器件的电流情况。以电压U（单位V）为横坐标，电流I（单位A，或者mA）为纵，得出的电压-电流关系曲线，称为伏安特性曲线2.4.2二极管的伏安特性（重点）特别记忆导通电压：硅管：0.7V，锗管：0.2V第18页共51页实验：二极管的正向曲线计算机硬件基础2.4.3二极管的的主要参数（了解）（1）最大整流电流IF：二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR：二极管反向击穿的电压值，通常标注为正值，二极管击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热二烧坏。

（3）最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压，通常UR为击穿电压UBR的一半。（4）反向电流IS：二极管未击穿时的反向电流。IS愈小，二极管的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会明显增加，所以在使用二极管的时候要注意温度的影响。在实际应用中，应根据二极管所用场合，按其承受的最高反向工作电压、最大整流电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。第19页共51页计算机硬件基础在电路分析时，一般可将二极管视为理想元件，即认为其正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计。反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流可以忽略不计。2.4.4二极管在直流稳压电源中的应用（掌握原理与基本应用方法）1．交流-直流转换电路通常供电电源为交流电时，直流电源可通过对交流电源的变压、整流、滤波、稳压四个环节变换获取第20页共51页计算机硬件基础

1）单相半波整流电路2）单相桥式整流电路第21页共51页计算机硬件基础3）滤波电路

4）稳压电路第22页共51页计算机硬件基础2．集成直流稳压芯片

1）W7800与W7900系列三端稳压器2）5V直流电源第23页共51页计算机硬件基础3）1.25~37V可调直流电源VO

≈1.25(R2/R1+1)4）稳压电源电路发热量计算

（知道电源有发热问题，需要注意解决）第24页共51页计算机硬件基础双极结型三极管（BipolarJunctionTransisrit，BJT），又称晶体三极管，简称三极管，于1948年由美国贝尔实验室Bardeen、Brattain和Shockley等研制成功，三人于1956年获诺贝尔物理学奖。三极管在电路中主要有电流放大和开关控制作用。2.5晶体三极管第25页共51页计算机硬件基础部分封装的外型从物理结构来看，三极管主要有NPN型与PNP型要点：在制造三极管时，基区掺杂少，宽度很窄；发射区杂质浓度高。2.5.1三极管的基本概念第26页共51页计算机硬件基础（1）发射极电流IE。发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流IE。

IE=IEP+IEN≈IEN（2）基极电流IB。扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB。电子继续向集电结方向扩散，同时与基区的多数载流子空穴复合，复合掉的空穴由基极电源VBB补充，从而形成基极电流IB=IBN（3）集电极电流IC。集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流IC。

在集电结反向电压作用下，电子漂移到集电区，形成内部电流ICN。同时，基区的少数载流子（自由电子）、集电区的少数载流子（空穴）也在集电结电场作用下漂移运动形成内部电流ICBO<<ICN，因此IC=ICN+ICBO≈ICN。2.5.2三极管的工作原理(重点难点）第27页共51页计算机硬件基础

第28页共51页计算机硬件基础1．放大状态

发射结正偏，集电结反偏

Ic=βIB2．截止状态与饱和状态截止状态

发射结反偏或零偏，集电结反偏

各极电流都很小饱和状态

发射结和集电结都处于正偏

各电极电流都很大，失去电流放大作用2.5.3三极管的三种工作状态第29页共51页计算机硬件基础

2.5.4三极管的输入输出特性曲线及主要参数（基本理解）第30页共51页计算机硬件基础

第31页共51页计算机硬件基础

第32页共51页计算机硬件基础可控开关是自动控制的重要部件，三极管可以做可控开关，但是需要一定的控制电流，与之相比，场效应管可以用更小的电流实现可控开关。在计算机制造中，主要应用场效应管的开关特性，本节主要从场效应管的开关特性讨论其基本原理与使用方法。2.6场效应管第33页共51页计算机硬件基础

1．场效应管的由来从控制角度来看，三极管的饱和与截止状态对应于一个可控开关，通过控制基极电流可以实现控制集电极与发射极之间导通之目的，基极电流比较微弱，而集电极电流比较大，因此实现了微弱电流控制较大电流的目的。但是，这种应用场景中，对基极输入电流有一定的需求，基极输入电阻较低，一般在102~104Ω之间，属于电流型控制器件。若作为微型计算机外围可控开关，对微型计算机引脚有电流吸纳要求。如何能够做到用更小的电流实现可控开关？1960年出现的场效应管（FieldEffectTransaction，FET）就是这样一个器件，它的输出电流取决于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，输入电阻较高，一般在109~1014Ω之间，属于电压型控制器件。若作为微型计算机外围可控开关，对微型计算机引脚基本无吸纳电流。2.6.1场效应管的由来、分类与基本结构第34页共51页计算机硬件基础

2．场效应管的分类FET主要有两种类型：金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-SemiconductorFET，MOSFET）和结型场效应管（JunctionFET，JFET）。MOSFET应用较广，JFET应用相对较少，这里只介绍MOSFET。MOSFET管，简称MOS管，有三个电极，分别称为栅极g（gate）、源极s（soure）与漏极d（drain），各极之间均采用SiO2绝缘层隔离，这样栅极与源极、栅极与漏极之间均无电接触，故也称为绝缘栅型场效应管，这类器件的栅极为金属铝，绝缘层采用氧化物SiO2，因此也被称为金属-氧化物-半导体场效应管。在MOS管中，从导电载流子的带电极性，又分为电子型沟道的NMOS管和空穴型沟道的PMOS管，按照导电沟道形成的机理不同，它们各自又分为增强型和耗尽型两种。这样，MOS管共有四种类型：增强型NMOS管、耗尽型NMOS管、增强型PMOS管、耗尽型PMOS管。耗尽型MOS管主要用于恒定电流源、固态继电器和电信开关等应用中，增强型MOS管用途更广一些，在各种开关电源、电机驱动等高频高速电路和大电流应用场景都会用到。第35页共51页计算机硬件基础

3．场效应管的基本结构

（a）结构示意图

（b）NMOS符号

（c）PMOS符号

通过光刻、扩散等方法，在低掺杂的P型衬底上制作出两个高掺杂N区，记为N+，其中+号表示高掺杂（即电子浓度高），然后在两个N+区之间的P型半导体表面放上一层SiO2绝缘层，两个N+区分别引出源极s与漏极d，在s与d之间也加入SiO2绝缘层隔离，在这个SiO2绝缘层上制作出一个金属电极，叫做栅极s，这样就得到了一个NMOS管。使用时P型衬底与源极s接在一起。MOS管根据栅极衬底不同分为N沟道和P沟道两类，分别叫做NMOS、PMOS，图中箭头由P型衬底指向N型沟道。

第36页共51页计算机硬件基础

1．N沟道增强型MOS管工作原理（难点）

1）当Vgs=0时，MOS管不导通Vgs=0，即栅极-源级之间不加电压，漏极-源极之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏极-源极之间加电压，也不会有漏极电流，即MOS管不导通。

2.6.2MOS管工作原理、基本用法及主要参数第37页共51页计算机硬件基础2）当Vgs>0，Vds=0时，形成耗尽层与反型层

耗尽层的形成。由于栅极g与衬底P型衬底之间形成电容，则在g极片有正电荷，衬底靠近g极片处有负电荷（电子）。g极片处的正电荷排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。

反型层的形成。当Vgs增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层。这个反型层内含较多自由电子，充斥于d和s之间，于是d和s之间可以导电啦，就像一个水沟一样，被称为导电沟道。由于导电沟道是N型的，因此就叫做NMOS。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压Ugs

(th)。这个导电沟道的作用就犹如一个小电阻，电阻的大小与Vgs有关，Vgs越大，电阻越小，大到一定程度，电阻就稳定在几欧姆或1欧姆以下，后面会说到这个电阻叫做MOS管的导通电阻。第38页共51页计算机硬件基础

3）当Vgs>Ugs

(th)且为确定值，0<Vds<Vgs-Ugs

(th)时，导电沟道的变化

若在漏极上也加上正向电压Vds，由于存在导电沟道，则漏极与源极之间就产生电流，称为漏极电流iD。同时注意到，漏极的正电压使得漏极与衬底之间的PN结处于反偏状态，所以iD不会流经衬底。

当Vds较小，iD与Vds成近似线性关系，d、s间呈现为一个电阻（称为沟道电阻）。

由于iD，导电沟道源-漏方向逐渐变窄，沟道电阻与沟道长度成正比，那么iD在沟道方向不同位置阐述的电压降也不同，从源极到漏极电位逐渐升高。而整个栅极电位始终为Vgs，导致栅极与沟道间的电位差，从左至右呈现减少分布，即垂直电场的强度从左至右也逐渐减弱，使得沟道厚度从左至右逐渐变薄，沟道呈楔形分布。第39页共51页计算机硬件基础

4）Vgd=Ugs(th)时，出现夹断点

由于栅极与漏极之间的电压：Vgd=-(Vds-Vgs)=Vgs-Vds，Vds增加，Vgd减少，理论分析及实践均表明，当Vgd减少到Vgd=Ugs(th)，即栅漏压差正好等于开启电压时，靠近漏端的反型层会消失，出现夹断点。若Vds继续增加，夹断点将向源极方向移动，形成一个夹断区（反型层消失后的耗尽区），见图2-42。反过来说，若Vds减小，Vgd增加，夹断点将消失，靠近漏端的反型层再次形成，则导电沟道恢复。第40页共51页计算机硬件基础

5）增强型NMOS的iD-Vds输出特性曲线

MOS管的输出特性是指在不同Vgs的状态下，id随着Vds变化的曲线。右图为增强型NMOS输出曲线。当Vgs<Ugs(th)时，MOS管截止，相当于开关断开状态，iD始终为0；当Vgs≥Ugs(th)时，NMOS管处于饱和区，相当于开关闭合状态。在计算机中，大部分使用截止与饱和状态。第41页共51页计算机硬件基础第42页共51页2．MOS管在计算机中的基本用法及其与三极管的比较MOS管在计算机中的基本用法：用作控开关。MOS管的漏极d与源极s可以看作是一个受栅极电压Vgs控制的开关使用，当Vgs>Ugs(th)，计算机控制中，这个Vgs由计算机引脚输出高电平（逻辑1）即可，此时，d与s之间可以当作短路（实际上有个几欧姆的小电阻），对应于开关闭合；当Vgs=0，计算机控制中，计算机引脚输出低电平（逻辑0）即可，此时，d与s之间可以当作断路，对应开关断开，计算机中常用该特性。

MOS管与三极管的比较：MOS管的栅极对应于三极管的基极，源极对应于发射极，漏极对应于集电极；MOS管的栅极基本上不取电流，三极管的基极需要取一定电流；MOS管的d与s对称，可互换，三极管的集电极与发射极不能互换。计算机硬件基础第43页共51页3．MOS管的主要参数（了解）在场效应管选型时关注的主要参数包括：开启电压Ugs(th)、栅源直流输入电阻Rgs和最大漏源击穿电压U(BR)ds等。（1）开启电压Ugs(th)。在Ugs(th)是Uds为常数时使漏极电流iD大于零（如5μA）所需Vgs值。此参数为增强型MOS管参数，用于MOS管做通断功能时的栅极电压设计参考。（2）栅源直流输入电阻Rgs（DC）。栅源电压和栅极电流的比值。MOS管的Rgs一般大于109Ω，它表征MOS管对栅极控制电路的影响，电阻越大电流越小，对栅极控制电路的影响越小。（3）最大漏源击穿电压U(BR)ds。漏极和源极之间的击穿电压（漏区和衬底间的PN结反向击穿），即id开始急剧上升时的Vds值。此参数用作场效应管漏-源级控制电压设计时参考，一般要求小于90%U(BR)ds。计算机硬件基础2.6.3场效应管作为可控开关作用举例（掌握）第44页共51页通常应用中，可以这样简明地描述应用方式。设M