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1、2020/8/10,1,电子技术基础,信息与电气工程学院 电工电子教研室 3-311 张萱,2020/8/10,2,1. 本课程的性质及特点,技术基础课，具有工程性、实践性。,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,2. 课程研究内容,研究各种电子器件的结构、工作原理及性能指标等; 用各种电子器件组成电路的分析与设计。 包括：模拟电子技术、数字电子技术,3. 学习目标,前言,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,2020/8/10,3,4. 电子技术的发展,1904年弗莱明发明了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，首先被用
2、于无线电检波。 1906 年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。 半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管成本高，制造繁，体积大，耗电多，从 1948 年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，我们不能否定电子管的独特优点，在有些装置中,，不论从稳定性，经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。,随着生产和科学技术发展的需要，电子技术得到高度发展和广泛应用（如空间电子技术，生物医学电子技术，信息处理和遥感技术，微波应用等），它对于社会生产力的发展，也起
3、着变革性的推动作用。,发展特点:以电子器件的发展为基础,电子管时代,1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。,电压控制器件 电真空技术,晶体管时代,电流控制器件 半导体技术,半导体集成电路,80年代后- ULSI ， 1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟,90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。,6070代-,IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。 10万个晶体管/片。,将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路,2020/8/10,9,6. 成绩评定,平时成绩： 19 %
4、,考试成绩： 81 %,7. 参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 ，高教出版社,童诗白主编，模拟电子技术基础 ，高教出版社,实验成绩： 20 %,闫石主编， 数字电子技术基础 ，高教出版社,康华光主编，电子技术基础 数字部分 ，高教出版社,课堂成绩： 80 %,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路的分析方法和解题技巧。,2020/8/10,10,第一章 半导体器件,2020/8/10,11,1.1半导体的特性,1. 导体：电阻率 10-4 cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。,2. 绝缘体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。,3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间
5、的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,2020/8/10,12,硅原子结构,图 1.1.1硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是 4 价元素,4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。,(b)简化模型,2020/8/10,13,1.1.1本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,图 1.1.2单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,2020/8/10,
6、14,T ,图 1.1.3本征半导体中的 自由电子和空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,2020/8/10,15,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关
7、，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,2020/8/10,16,1.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,2020/8/10,17,图 1.1.4N 型半导体的晶体结构,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，电子称为多数载流子(简称多子)，空穴
8、称为少数载流子(简称少子)。,2020/8/10,18,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.1.5P 型半导体的晶体结构,2020/8/10,19,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,
9、图 1.1.6杂质半导体的的简化表示法,2020/8/10,20,1.2半导体二极管,1.2.1PN 结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 1.2.1PN 结的形成,2020/8/10,21,一、 PN 结中载流子的运动,耗尽层,2. 扩散运动形成空间电荷区,1. 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,图 1.2.1,2020/8/10,22,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒；,4. 漂移运动,内电场有利于少子
10、运动漂移运动,少子的运动与多子运动方向相反,内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,2020/8/10,23,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。,2020/8/10,24,二、 PN 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.2.2,2020/8/10,
11、25,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,2020/8/10,26,图 1.2.3反相偏置的 PN 结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,2020/8/10,27,综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于
12、导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。,2020/8/10,28,1.2.2二极管的伏安特性,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,(a)外形图,图 1.2.4二极管的外形和符号,2020/8/10,29,半导体二极管图片,2020/8/10,30,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性2CP31,反向特性,图 1.2.4二极管的伏安特性,2020/8/10,31,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎
13、为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2020/8/10,32,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,2020/8/10,33,3. 伏安特性表达式(二极管方程),IS ：反向饱和电流 UT ：
14、温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT 26 mV,二极管加反向电压，即 U UT ，则 I - IS。,二极管加正向电压，即 U 0，且 U UT ，则 ，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系。,2020/8/10,34,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,硅二极管的导通电压为0.60.8V，一般取0.7V； 锗二极管的导通电压为0.10.3V，一般取0.2V。,
15、2020/8/10,35,知识点小结,一、半导体,自由电子（少子）,空穴 （多子）,本征半导体,杂质半导体,P型半导体,N型半导体,自由电子（多子）,空穴 （少子）,二、二极管,1、PN结的单向导电性,（1）正偏时，PN 结处于 导通状态； （2）反偏时，PN 结处于截止状态。,2020/8/10,36,2、二极管的伏安特性,硅二极管的导通电压为0.60.8V，一般取0.7V； 锗二极管的导通电压为0.10.3V，一般取0.2V。,正向特性,反向特性,2020/8/10,37,应用举例,例2：P56习题1.5,解：采用理想电路模型 ui和uo的波形如图所示,二极管的电流波形如何？,例1：P55
16、习题1.1欲使二极管具有良好的单向导电性，管子的正向电阻和反向电阻分别为大一些好，还是小一些好？,解：二极管的正向电阻愈小愈好，反向电阻愈大愈好。 根据二极管的单向导电性可判断二极管的阳极和阴极。,2020/8/10,38,1.2.3二极管的主要参数,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. 最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。,3. 反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4. 最高工作频率 fM,fM 值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,2020/8/10,39,1.2.5稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号,2020/8/10,40,稳压管的参数主要有以下几项：,1. 稳定电压 UZ,3. 动态电阻 rZ,2. 稳定电流 I
