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1、30,基礎課程,半導體簡介 電子元器件的認識 小信號放大電路 運算放大電路 電源 基本邏輯電路 脈沖電路,讓我們一起共同努力!Allen 99/12/3,30,半導體的基本知識,1.導体,半導體和絕緣體導体計在自然界中,存在著許多不同的物質,有的物質很容易傳導電流,稱之導体, 如銅,鐵,銀等. 也有的物質几乎不傳導電流,稱之絕緣體, 如橡皮,陶瓷,石英等. 此外還有一類物質,它的導電性能介于導体與絕緣體之間,我們稱之半導體,如鍺,硅,硒,砷化鎵等. 2.本征半導體,空穴及其導電作用本征半導體就是完全純淨的,結构完整的半導體,在T=0 K和沒有外界激發時,由于共价鍵中的价電子被縛著,所以在本征半
2、導體中,沒有可以自由運動的帶電粒子-載流子,著時相當與絕緣體.半導體共价鍵中的价子象絕緣體中的電子被束縛得那一樣緊.在室溫300K下,由于熱激發,就會使一些价電子獲得足夠的能量而掙脫共价鍵的束縛,成為自由電子.這種現象稱為本征激發.在電子掙脫共价鍵的束縛成為自由電子后,共价鍵中就留下一個空位,這個空位就叫空穴 .空穴的出現是半導體區別于導体的一個重要特點.由于共价鍵中出現了空穴,在外加電場或電源的作用下,鄰近价電子就可以填補這個空位上,而在這個電子原來的位置上又有新的空位,以后其它電子又可以轉移到這個新的空位.這樣就使共价鍵出現一定的電荷遷移. 3.雜質半導體在本征半導體中摻入微量的雜質,就會
3、使半導體的導電性能發生顯著的改變.根据摻入的半導體可分為電子半導體(N型半導體)和空穴半導體(P型半導體)兩大類. 、圖案、或照片,30,半導體的基本知識,3.1 N型半導體在硅(或鍺)的晶體內摻入少量五价元素雜質,如磷(或銻)等,則晶體點陣中某些位置上硅原子將磷所代替,磷原子有五個价子,它以四個電子與相鄰的硅原子組成共价鍵后,必定還多余一個价電子,這個多余的价電子雖不受共价鍵的束縛,但仍受磷原子的正電荷所吸引而只能在磷原子的周圍活動,不過它所受的吸引力終究要比共价鍵的束縛作用微弱得多,只要較小的能量就能掙脫磷原子的吸引而成為自由電子. 3.2 P型半導體在硅(或鍺)的晶體內摻入少量三价元素雜
4、質,如硼(或銦)等,因銦原子只有三個价電子,它與周圍硅原子組成共价鍵時,因缺少一個電子,在晶體中便產生一個空位,當相鄰共价鍵上的電子受到熱振動或在其它激發條件下獲得能量時,就有可能填補這個空位,使硼原子成為不能移動的負离子,而原來硅原子的共价鍵則因缺少一個電子,形成了空穴. 3.3 結束語由此可見,在摻入雜質后,載流子的數目都有相當程度的增加.若每個施主雜質原子都能產生一個自由電子,或著每個受主雜質原子都能產生一個空穴,那么盡管雜質含量很微弱,但他們對半導體的導電能力卻有很大的影響.摻入百万分之一的雜質,載流子濃度將增加一百萬倍.因此在半導體內摻入微量的雜質,是提高半導體的導電能力最有效的方法
5、.,30,電子元器件的認識,1.0電阻(RESISTOR) 1.1 色環電阻之顏色代表意義電阻,第一位(十位),第二位(個位),第三位(倍數),第四位(誤差值),范例: 如上圖所示之顏色其電阻值為: 24*102 = 2.4K 誤差值為正負10% 電阻按其功率可分為:1/8W,1/6W,1/4W,1/2W.1W,2W,3W等. 電阻的特性:1.電阻沒有极性也沒有方向,2.電阻不能產生電荷也不能 存儲電荷,所以他是一個吸收源,3.一般的電阻都是線性電阻. 電阻的作用: 電阻的作用主要有分壓,分流,積分,微分,阻抗匹配,.等,30,電子元器件的認識,2.0 二極體(DIODE),P,N,結构圖,+
6、,-,+,-,實體圖,二極體的線路符號:,+,-,一般的二極體,+,-,穩壓二極體,二极管的線路代號是: D,30,電子元器件的認識,2.1 二極體(DIODE) 的分類:A.點接觸型二极管. 它的特點是結面積小,因而結電容小,适用于高頻(几百兆赫茲)工作,但不能通過很大的電流.其主要應用于小電流和高頻時的檢波,混頻等.B.面結觸型二极管. 它的特點是結面積大,因而能通過較大的電流,但其結面積大結電容也就大,只能在較低的頻率下工作.C.硅平面型二极管. 它的結面積大,可通過較大的電流,适用于大功率整流:結電容小,适用于在脈沖數字電路中作開關管. 2.2 二极管(DIODE) 的特性:A.二极管
7、有極性分別為正极和負极,如果二极管的正負兩端加入正偏電壓時即可有電流通過,若反之則無電流通過.二极管的正偏導通電壓為0.6-0.8V,反向電流一般小于0.1uA. 2.3 穩壓二极管(DIODE ZNR):穩壓管也是一种半導體二极管,因為它具有穩壓的特點,在穩壓設備和一些電子線路中經常用到,所以把這種二极管稱之為穩壓管,以區別于整流,限幅,檢波和其它單向導電設備中常用的二极管.,30,電子元器件的認識,3.0 發光二极管(LED Light Emitting Diode) 3.1發光二极管的線路符號:發光二极管所用的材料與普通二极管不同,有磷砷化鎵,砷化鎵等,而且半導體中的雜質濃度很高,當外加
8、正電壓時,將有大量的電子和空穴复合,其中一部分電子從導帶躍韆到价帶,把多餘的能量以光的形式釋放出來,便發出一定波光的可見光. 磷砷化鎵發光二极管發出的光線的波長與磷和砷的比例有關,含磷的比例越大波長越短,同時發光效率隨之降低.,LED,30,電子元器件的認識,4.0 電容(CAPACITANCE) 電容簡介:電容器是組成電路的基本元件之一,他是一种能儲能的元件,在電路中作隔離直流,通交流,及旁路,濾波和耦合等作用. 電容的單位:電容的單位是法拉 F,換算單位有uF,nF,pF . 1F=106uF=109nF=1012pF 電容的線路符號及線路代碼: 電容的線路代碼是 “C” 線路符號. 電容
9、的定義:將兩片導体在空气中平行分開一段距離,然后上片接-電阻R和開關,再接至電池的正端:下片則接于電池的負端.假設此兩片導體原先並不帶電,當開關按下的瞬間上導體片的電子就會被電流的正端所吸引通過電阻R而達于電池正端,使得上導體片由于失去電子而帶正電形態:這個同時,電池的負端將電子推開到下導體片上,使得下導體片由于獲得電子而呈帶負電形態.由于上述的現象,會使上下導體片所帶的電量越來越多,因而兩導體片間的電位差越來越大,若此電位差升高到電池的兩端電壓相等時,則這項動作即止,電路中電子的電流亦停止了.但顯然,原來我們稱中間隔有絕緣物資的兩導體片(此例中的絕緣物為空气)為,它是對于電荷的容量稱之為,它
10、是用以形容或衡量一個電容器儲存電荷的能力.若電容器兩片導體間有1伏特的電位差,而儲存1庫倫的電量,則我們稱之此電容器的電容量為他是一位十九世紀英國的物理學家法拉第而命名,1法拉=1庫倫/伏特,30,電子元器件的認識,電容的种類: 電容的种類按其使用的介電質种類,大致可以分為下列五種 A. 空氣電容器:是以空氣為介質的可變電容器:電容量為固定者以符號 表示,若為可變電容器則以符號 表示. B.雲母電容器:以雲母為介電質的電容器. C.紙質電容器:以蠟紙為介質的電容器. D.陶瓷電容器:以陶瓷為電容器的介電質. E.電解電容器:它與其他電容器不一樣,它有正負極性,使用時若極性接錯,則內部將被擊穿而
11、短路.大多數的電解電容器都印有它們的電容值及耐壓值,電解電容器甚至連極性也標示其上.電容器外殼上所印有他們的額定電壓多係他們所能承受的最高直流電壓值,超過此一數值時,電容器的介電質將被擊穿.,陶瓷電容:容值的表示,103J,104K,33uF 16V,47uF 50V,電解電容器:(有極性之分),圖1,圖2,圖3,圖4,30,電子元器件的認識,電解電容器的讀值: 電解電容器的容器的讀值與色環電阻的方法一樣,前兩位是個位和十位,第三位則為10的冪,在誤差值的辨別上也有一些差異,電阻以金,銀來表示,而電容則其用J,K,M來表示 J表示誤差為5% , K表示誤差為10%, M表示誤差為20%. 范例
12、: 如圖1. 電容上所標有數字為 103J 就是 10*103=10nF 誤差為5% 如圖2. 電容上所標有數字為 104K 就是 10*104=100nF 誤差為10%,關于電容的知識就講到這里吧!,30,電子元器件的認識,5.0 電感(BEAD CORE) 電感簡介: 電感也是組成電路的基本元器件之一,他能儲存能量.在電路中作高頻濾波,振蕩,等作用.他能通高頻阻低頻,其感抗為: LX=WL. 電感的單位:電感的單位是亨利 H ,其換算單位有mh,uH. 1mH=103uH 電感的線路符號及線路代碼: 電感的線路代碼是“L” 符號是 電感相關系數:所謂著既為各种大小不同的各具有不同的,線圈的
13、電感量取決于下列諸項因素: 線圈之圈數,線圈所使用之磁芯的導磁係數,磁芯的截面積,磁芯的長度,之型式分為固定與可變兩大類型.L(亨利)=N2uA/1 亨利=HN=線圈之圈數u=磁芯之導磁系數A=磁芯之截面積,其單位為(平方米)I=磁路之平均長度,其單位為(米),30,電子元器件的認識,6.0 電晶體(TRANSISTOR) 電晶體的概述:電晶體它有三個區,分別稱之為發射區,基區,集電區,由三個區各引出一個電極:有兩個PN結,發射區和基區間的PN結稱為發射結,集電區和基區間的PN結稱為集電結.這種由兩塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體的管子稱為NPN管,還有一種與它成對偶形式的,即兩塊P型半導體
14、中間夾著一塊N型半導體的管子,稱為PNP管. 電晶體制造工藝上的特點是:發射區是高濃度摻雜區,基區很薄且雜質濃度低,集電區面積大.這樣能保証電晶體具有電流放大作用. 電晶體的放大作用:首先我們強調一下什么是放大作用.電子線路中所說的放大有兩方面的含義: 一是放大的對象是變化量,二是指對能量的控制作用.即在輸入端用一個小的變化量去控制能源使輸出端產生一個大的,與輸入變化相對應的變化量,稱之放大.,電晶體的符號及線路代號:,NPN 型,b,c,e,c,b,e,PNP型,30,電子元器件的認識,電晶體的主要參數 一.直流參數1.直流電流放大系數(1) 共發射极直流電流放大系數B. B=(Ic-Ice
15、o(pt)/Ib 當IC Ic-Iceo時,B可似表示為B=IC/IB. 二.交流參數1.特征頻率FT這是反映電晶體管中兩個PN結電容影響的參數.當信號的頻率增高到一定值后,結電容將起到明顯的作用,使B下降, FT是指當B下降到1時的頻率. 三.极限參數1.集電極最大允許功耗PCM2.集電极最大電流ICM3.反向擊穿電壓,好了,元器件的認識就 講完啦!你們會了嗎?,30,小信號放大電路,1.0 放大的概念和放大電路的性能指標 1.1 放大的概念所謂的放大是對差異的程度或變化量而言,放大作用其實質上是一种能量的控制作用.具有能量控制作用的器件稱之為有源器件,比如電晶體,MOS管以及IC和運算放大
16、器等.只由無源元件組成的電路,即使輸出量比輸入量大,也不是電子學中定義的放大電路.,放大電路I,電源,輸入,輸出,放大電路II,電源,輸入,輸出,圖1,30,小信號放大電路,然而讓我們來看一下圖1所示的兩個放大電路-放大電路I和II.他們分別都由電源提供能量,他們所放大的信號都是隨時間變化的,變化是無規律的,然而我們能否從這里判斷出這兩個放大電路哪一個好一些,哪一個差一些嗎?那么怎么樣來衡量放大電路的性能呢?下面讓我來介紹一些可以定量測定的指標和可以實現的測量方法. 1.2 放大電路的性能指標而1 1.2.1第一種類型的指標1.放大倍數放大倍數是衡量放大電路放大的能力的指標.它定義為輸出變化量的幅值與輸入變化量的幅值之比,有時也稱之為增益.電壓放大倍數用Auu表示,定義為,
