电子技术绪论文档格式.docx

1、 电子技术的发展（ ） 电子技术的发展（3）从电子管 半导体管 集成电路 集成电路IC 第三代 集成电路 （Integrated Circuit） 1958年 年 1969年 年 1975年 年 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管， 第一片集成电路只有 个晶体管，而1997年一片集 个晶体管 年一片集 成电路中有40亿个晶体管 有科学家预测， 亿个晶体管。 成电路中有 亿个晶体管。有科学家预测，集成 度还将按10倍 年的速度增长 年的速度增长， 度还将按 倍/6年的速度增长，到2015或2020年 或 年 达到饱和。 达到饱和。 学习电子技术课程需时刻关注

2、电子技术的发展！ 电子技术的发展（ ） 电子技术的发展（4）从电子管 半导体管 集成电路 1904年电子管 1904年电子管 1947年晶体管 1947年晶体管 1958年集成电路 1958年集成电路 电子管、晶体管、 电子管、晶体管、集成电路比较 电子学从应用学科分类 无线电电子学：通讯 信息电子学：控制、计量、 信息电子学：控制、计量、计算技术 电力电子学： 电力电子学：与电力工程相结合 边缘学科：光电子学、空间电子学、 边缘学科：光电子学、空间电子学、核电 子学、 子学、生物医学电子学等 电子技术基础是专业基础课， 电子技术基础是专业基础课，分为 模拟电子技术 数字电子技术 模拟信号与模

3、拟电路（1） 模拟信号与模拟电路 信号是反映信息的物理量 如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等， 如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等， 因而信号是信息的表现形式。 因而信号是信息的表现形式。 信息需要借助于某些物理量（如声、 信息需要借助于某些物理量（如声、光、电） 的变化来表示和传递（一种含义）。 的变化来表示和传递 一种含义）。 一种含义 电信号 由于非电的物理量容易转换成电信号， 由于非电的物理量容易转换成电信号，而且电 信号又容易传送和控制， 信号又容易传送和控制，因此电信号成为应用 最为广泛的信号。 最为广泛的信号。 电信号是指随时间而变化的电压u或电流 或电流i 电信号是

4、指随时间而变化的电压 或电流 ，记 作u=f（t） 或i=f（t） 。 模拟信号与模拟电路（2） 模拟信号与模拟电路 模拟信号：连续性 对应任意时间值t 均有确定的函数值u或 ， 对应任意时间值 均有确定的函数值 或i，并 连续取值的 且u或 i 的幅值是连续取值的，即在时间和数 或 的幅值是连续取值 值上均具有连续性。 值上均具有连续性。 模拟电路：工作信号为模拟信号的电子电路。 任何瞬间 的任何值 均是有意 义的 大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。 模拟信号与模拟电路（3） 模拟信号与模拟电路 模拟电路最基本的处理是对信号的放大。 有功能和性能各异的放大电路。 其它模拟电路多以放大电

5、路为基础。 数字信号与数字电路（1） 数字信号与数字电路 数字信号 在时间和数值上均具有离散性， 或 在时间和数值上均具有离散性，u或 i 的变化在 时间上不连续，总是发生在离散的瞬间； 时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它 们的数值是一个最小量值的整数倍， 们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小 于最小量值时信号将毫无意义。 于最小量值时信号将毫无意义。 数字电路：工作信号为数字信号的电子电路。 “1”的倍数 的倍数 介于K与K+1之 介于 与 之 间时需根据阈值 确定为K或K+1 确定为 或 “1”的电 的电 压当量 电子技术基础的特点 工程性 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析

6、。 实际工程在满足基本性能指标的前提下总是 容许存在一定的误差范围。 合理地近似估算。 容许存在一定的误差范围。 实践性 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法 EDA软件的应用方法 软件的应用方法 模拟电子技术主要内容 学时） 半导体二极管和三极管 （8学时） 学时 学时） 放大电路基础 （8学时） 学时 功率放大电路（2学时） 学时） 功率放大电路（ 学时 差动放大电路（4学时） 差动放大电路（ 学时） 学时 信号的运算电路、比较器（ 学时 学时） 信号的运算电路、比较器（6学时） 直流电源（ 学时 学时） 直流电源（2学时） 数字电子技术主要内容 数字逻辑基础

7、逻辑门电路 组合逻辑电路 触发器 时序逻辑电路 半导体存储器 脉冲波形的产生与整形 可编程逻辑器件和现场 可编程门阵列 模和模/数转换 数/模和模 数转换 模和模 课程意义和目的 电子技术是一门硬件方面的重要基础课。 任务是使同学们获得电子技术的基本理论、 任务是使同学们获得电子技术的基本理论、 基本知识、基本技能， 基本知识、基本技能，掌握电子技术的基 本分析方法和设计方法， 本分析方法和设计方法，培养同学们的分 析问题、解决问题能力以及工程实验能力。 析问题、解决问题能力以及工程实验能力。 本课程通过对常用电子元器件、 本课程通过对常用电子元器件、模拟电路 及其系统的分析和设计的学习， 及

8、其系统的分析和设计的学习，使学生获 得模拟电子技术方面的基础知识、 得模拟电子技术方面的基础知识、基础理 论和基本技能， 论和基本技能，为深入学习电子技术及其 在专业中的应用打下基础。 在专业中的应用打下基础。 学习本门课程应注意的问题 应着重抓好基本理论、基本知识、 应着重抓好基本理论、 基本知识 、 基本方法的 学习。 学习。 能熟练运用电子技术的分析方法和设计方法。 能熟练运用电子技术的分析方法和设计方法。 重视实验技术。 重视实验技术。 注重培养系统的观念、 工程的观念、 注重培养系统的观念 、 工程的观念 、 科技进步的 观念和创新意识， 学习科学的思维方法。 观念和创新意识 ， 学

9、习科学的思维方法 。 提倡快 乐学习！ 乐学习！ 教材及参考书 模拟电子技术教材： 电路与电子学王文辉 刘淑英等 电路与电子学 模拟电子技术基础华成英 童诗白 模拟电子技术基础 数字电子技术教材： 逻辑与数字系统设计李晶皎等 逻辑与数字系统设计 数字电子技术基础阎石 数字电子技术基础 学时安排和成绩评定 授课88学时 总学时 授课 学时 实验单独开设 平时： 平时： 20% 考试： 80 % 考试： 第4章 半导体二极管和三极管 章 内容主要有： 半导体的导电性能 PN结的形成及单向导电性 结的形成及单向导电性 半导体器件的结构、原理、特性、参数 半导体器件的结构、原理、特性、 结构 半导体器

10、件主要包括： 主要包括 半导体二极管（包括稳压管、特殊二极管等） 半导体二极管（包括稳压管、特殊二极管等） 三极管和场效应管 4.1 PN结 结 1. 半导体 半导体的物理特性 物质根据其导电性能分为 导体：导电能力良好的物质。 绝缘体：导电能力很差的物质。 半导体： 半导体 ： 是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质， 如硅、 间的物质 ， 如硅 、 锗 、 硒 、 砷化镓及一些硫化 物和氧化物。 物和氧化物。 半导体的物理特性 半导体的导电能力具有独特的性质。 温度升高时 温度升高 时 ， 纯净半导体的导电能力显著 增加； 增加； 在纯净半导体材料中 加入微量的 “ 杂质 ” 在纯净半

11、导体材料中加入微量的 杂质” 加入微量的“ 元素，它的电导率就会成千上万倍地增长； 元素，它的电导率就会成千上万倍地增长； 纯净的半导体受到光照 受到光照时 纯净的半导体 受到光照 时 ， 导电能力明显 提高。 提高。 半导体为什么具有以上的导电性质？ 半导体的晶体结构 原子的组成： 带正电的原子核 带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子 若干个围绕原子核运动的带负电的电子 整个原子呈电中性 整个原子呈电中性 半导体器件的材料： 硅 （ Silicon-Si）： 四价元素 ， 硅的原子序数是 ， 外 ） 四价元素，硅的原子序数是14， 层有4个电子。 层有 个电子。 锗 （ Ger

12、manium-Ge） ： 也是四价元素 ， 锗的原子序 ） 也是四价元素， 数是32，外层也是4个电子。 数是 ，外层也是 个电子。 简化原子结构模型如图4-1（a）的简化形式。 的简化形式。 简化原子结构模型如图 的简化形式 惯性核 +4 价电子 图4-1 （a） 硅和锗的简化原子模型 单晶半导体结构特点 共价键： 共价键 ： 由相邻两个原子各拿出一个价电 子组成价电子对所构成的联系。 子组成价电子对所构成的联系。 是晶体共价键结构的平面示意图。 图4-1（b）是晶体共价键结构的平面示意图。 是晶体共价键结构的平面示意图 +4 +4 +4 +4+4 共价键 图4-1（b）晶体共价键结构平面示

13、意图 晶体共价键结构平面示意图 2.半导体的导电原理 2.半导体的导电原理 本征半导体（Intrinsic Semiconductor） 本征半导体（ ） 纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半 纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半 导体。 导体。 物质导电能力的大小取决于其中能参与导 电的粒子载流子的多少。 电的粒子 载流子的多少。 载流子的多少 本征半导体 本征半导体在绝对零度（ 相当于T= 本征半导体在绝对零度 （ T=0K相当于 相当于 无外界激发条件， 273 ） 时 ， 无外界激发条件 ， 无本征 激发，半导体不能导电，相当于绝缘体。 激发，半导体不能导电，相当于绝缘体。 绝

14、缘体 在室温条件下， 在室温条件下，本征半导体便具有一定的 导电能力。 导电能力。 自由电子在原子间随机运动电子载流子 自由电子在原子间随机运动 电子载流子 空穴在相邻原子间移动空穴载流子 空穴在相邻原子间移动 空穴载流子 半导体中的载流子 半导体中的载流子 中的 自由电子 空穴（ 空穴（Hole） ） 空穴和自由电子同时参加导电， 空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要 特点。 特点。 电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时 的同时， 价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时， 在原来的共价键位置上留下了一个空位， 在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空 位叫做空穴 空穴。 位叫做空

15、穴。 空穴带正电荷。 空穴的运动实 质上是价电子 自由 填补空穴而形 成的。 电子 成的。 +4 B C +4 +4 A +4 空穴 图4-1（b）晶体共价键结构平面示意图 由于空穴带正电荷，且可在原子间移动， 由于空穴带正电荷，且可在原子间移动， 因此，空穴是一种载流子。 因此，空穴是一种载流子。 半导体中有两种载流子：自由电子载流子 简称电子）和空穴载流子（简称空穴） （简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它 们均可在电场作用下形成电流。 们均可在电场作用下形成电流。 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对， 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对， 那么，电子空穴对是否会越来越多， 那么，电

16、子空穴对是否会越来越多，电子和 空穴浓度是否会越来越大呢？ 空穴浓度是否会越来越大呢？ 实验表明，在一定的温度下， 实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空 穴浓度都保持一个定值。 穴浓度都保持一个定值。 半导体中存在 载流子的产生过程 载流子的产生过程 产生 载流子的复合 复合过程 载流子的复合过程 综上所述： （1）半导体中有两种载流子：自由 电子和空 半导体中有两种载流子：自由电子和空 半导体中有两种载流子 电子带负电，空穴带正电。 穴，电子带负电，空穴带正电。 （2）本征半导体中， 电子和空穴总是成对地 本征半导体中， 本征半导体中 产生， 产生，ni = pi。 （3）半导体中，同时存

17、在载流子的 产生和复 半导体中， 半导体中 同时存在载流子的产生和复 过程。 合过程。 杂质半导体 本征半导体的电导率很小， 本征半导体的电导率很小 ， 而且受温度和 光照等条件影响甚大， 光照等条件影响甚大 ， 不能直接用来制造 半导体器件。 半导体器件。 本征半导体的物理性质： 本征半导体的物理性质 ： 纯净的半导体中 掺入微量元素，导电能力显著提高。 掺入微量元素，导电能力显著提高。 掺入的微量元素 杂质” “ 掺入的微量元素“杂质”。 掺入了“ 杂质” 的半导体称为“ 杂质” 掺入了 “ 杂质 ” 的半导体称为 “ 杂质 ” 半 导体。 常用的杂质元素 三价的硼（boron）、铝（al

18、uminium）、铟（indium）、 、 三价的硼 、 、 镓（gallium） 五价的砷（arsenic）、磷（phosphor）、锑（antimony） 、 五价的砷 、 通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制 成各种各样的半导体器件。 成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为： 型半导体和 型半导体。 型半导体和P型半导体 杂质半导体分为：N型半导体和 型半导体。 N型半导体 型半导体 在本征半导体中加入微量的五价元素， 在本征半导体中加入微量的五价元素 ， 可使半导体中自由电子浓度大为增加， 可使半导体中自由电子浓度大为增加 ， 型半导体。 形成N型半导体 形成 型半导体。 掺入的五

19、价杂质原子占据晶格中某些硅 或锗）原子的位置。如图4-2所示 所示。 （或锗）原子的位置。如图 所示。 掺入五价原子 掺入五价 原子占据Si 原子占据 原子位置 在 室 温 下 +4 就可以激发 成自由电子 图4-2 N型半导体晶体结构示意图 型半导体晶体结构示意图 杂质半导体中 有本征激发产生的少量电子空穴对。 自由电子的数目高， 导电能力显著提高 电子的数目高 能力显著提高。 自由电子的数目高，故导电能力显著提高。 把掺入五价元素杂质的半导体称为N型半导体 把掺入五价元素杂质的半导体称为 型半导体 电子称为多数载流子（简称多子） 电子称为多数载流子（简称多子）； 空穴称为少数载流子（简称少

20、子） 空穴称为少数载流子（简称少子）。 在N型半导体中 型半导体中 自由电子数等于正离子数和空穴数之和； 自由电子带负电，空穴和正离子带正电； 整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。 P型半导体 型半导体 在本征半导体中加入微量的三价元素， 在本征半导体中加入微量的三价元素，可 使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P 使半导体中的空穴浓度大为增加 ， 形成 型半导体。 型半导体。 在P型半导体中 型半导体中 空位吸引邻 空穴数等于负 近原子的价电 离子数与自由电 子填充， 子填充，从而 子数之和； 子数之和； 留下一个空穴。 空穴带正电， 空穴带正电， 负离子和自由电 子带负电； 子带负电；

21、整块半导体中 图4-3 P型半导体 型半导体 正负电荷量相等 保持电中性。 ，晶体结构示意图 保持电中性。 A +4 +3 空位 共价键 +4 +4 +4 +4 （1）本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。 本征半导体中加入五价杂质元素，便形成 型半导体 型半导体。 本征半导体中加入五价杂质元素 电子是多数载流子； 空穴是少数载流子； 不参加导电的正离子。 （2）本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。 本征半导体中加入三价杂质元素，便形成 型半导体 型半导体。 本征半导体中加入三价杂质元素 空穴是多数载流子， 空穴是多数载流子， 电子是少数载流子， 电子是少数载流子， 不参

22、加导电的负离子。 不参加导电的负离子。 （3）杂质半导体中 ， 多子浓度决定于杂质浓度 ， 少子由本 杂质半导体中， 多子浓度决定于杂质浓度， 杂质半导体中 征激发产生，其浓度与温度有关。 征激发产生，其浓度与温度有关。 载流子的漂移运动和扩散运动 漂移运动（ 漂移运动（Drift Movement） ） 有电场力作用时， 有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运 动，称为漂移运动。 称为漂移运动。 漂移运动 漂移运动产生的电流称为漂移电流。 漂移运动产生的电流称为漂移电流。 漂移电流 扩散运动 扩散运动 由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运 动 （ Diffusion Movement） ，

23、载流子扩散 ） 运动所形成的电流称为扩散电流。 运动所形成的电流称为扩散电流。 扩散电流 扩散是由浓度差引起的， 扩散是由浓度差引起的 ， 所以扩散电流的 大小与载流子的浓度梯度成正比。 大小与载流子的浓度梯度成正比。 3. PN结的形成 结的形成 PN结： 结 是指在P型半导体和 型半导体的交界处形成 是指在 型半导体和N型半导体的交界处形成 型半导体和 的空间电荷区。 的空间电荷区。 PN结是构成多种半导体器件的基础 结是构成多种半导体器件的基础 二极管的核心是一个PN结 二极管的核心是一个 结； 三极管中包含了两个PN结。 三极管中包含了两个 结 浓度差引起载流子的扩散。 扩散的结果形成

24、自建电场。 空间电荷区也称作 耗尽区” “耗尽区” “势垒 区” 自建电场阻止扩散，加强漂移。 动态平衡：扩散 漂移 动态平衡：扩散=漂移 4.PN结的特性 4. 结的特性 PN结的单向导电性 结的单向导电性 结外加正向电压（或称正向偏置 PN结外加正向电压 或称正向偏置 结外加正向电压 或称正向偏置） PN结正偏时 结正偏时 空间电荷区变窄。 空间电荷区变窄。 不大的正向电压， 不大的正向电压 ， 产生相当大的正向 电流。 电流。 外加电压的微小变 化 ， 扩散电流变化 较大。 较大。 PN结外加反向电压 结外加反向电压 PN结加反向电压 或称反向偏置 结加反向电压（或称反向偏置 结加反向电

25、压 或称反向偏置） 流过PN结的电流主 流过 结的电流主 要是少子的漂移决定 称为PN结的 结的反 的，称为 结的反 向电流。 向电流。 PN结的反向电流很 结的反向电流很 小，而且与反向电压 的大小基本无关。 的大小基本无关。 PN结表现为很大的 结表现为很大的 电阻，称之截止。 电阻，称之截止。 PN结加反向电压时 ， 空间电荷区变宽 ， 自 结加反向电压时， 空间电荷区变宽， 结加反向电压时 建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 反向电流很小，它由少数载流子形成， 反向电流很小，它由少数载流子形成，与少 子浓度成正比。 子浓度成正比。 少子的值与外加电压无关，因此反向电流的 少子的值与外加电压无关，因此反向电流的 大小与反向电压大小基本无关， 大小与反向电压大小基本无关，故称为反向 饱和电流。 饱和电流。 温度升高时， 少子值迅速增大， 所以PN结 温度升高时 ， 少子值迅速增大 ， 所以 结 的反向电流受温度影响很大。 的反向电流受温度影响很大。 结论： PN结的单向导电性： 结的单向导电性： 结的单向导电性 PN结加正向电压产生大的正向电流 ， PN结 结加正向电压产生大的正向电流， 结加正向电压产生大的正向电流