模拟电子技术大一第一课 文档资料

1、模拟电子技术基础,德州学院计算机科学系,系统结构教研室,2019,09,主讲,：安,定,第一讲,课程与专业关系及地位,首先，模拟电子技术是计算机科学与技术、,网络工程与通信、信息与信息管理类专业的一,门主要技术基础课。是关于模拟电子技术方面,入门性质的技术基础课，它具有自身的体系，,是实践性很强的课程。通过学习、掌握本课程,专业知识与专业技能，为学习后续课程、将电,子技术运用到计算机应用领域与信息技术领域,打下坚实的基础。,课程与专业关系及地位,其次，模拟电子技术在计算机系统专,业课程中具有承上启下的地位，是计算机专业,本科教学中的重要课程。学好该课程，不仅对,其后续课程数字电路、计算机组成原

2、理、微机,原理与接口技术、嵌入式系统等课程的学习有,很大帮助，而且在实际中有广泛的用途。因此，,模拟电子技术在计算机科学中有着非常重,要的作用。,课程名称,模拟电子技术：,模拟电子技术是对电路信号,进行仿真、模拟处理的电路技术，,其处理和研究的对象是连续变化,的交流信号。,课程名称,数字电子技术：,数字电子技术是对电路高、低电,平信号进行计数、计算、定时、逻辑,计算和分析、时序组合与分析等数字,处理的电路技术，其处理和研究的对,象是离散变化的直流信号。,绪,论,1.,电子技术的现状与发展趋势,2.,电子技术的应用范围,3.,本课程与其它专业课的关系,4.,电子技术基础学习特点,1.,电子技术的

3、现状与发展趋势,电子技术发展水平的关键是元器件的,发展。,其中具标志性的发展（主线）是由：,电子管器件,晶体管器件,集成电路,器件,(LSI),大规模和超大规模集成电路器,件,(VLSI),。,1.,电子技术的现状与发展趋势,元器件发展的（辅线）是电阻器、电,容器、电感器、传感器等器件微小型化、,高可靠性、高精密性的发展。,2.,电子技术的应用范围,信号检测,:,压力、温度、液位、流量等物理量的测量与,调节。,电子仪器。,智能小区、医疗。,2.,电子技术的应用范围,汽车电子,:,电源,发动机控制,点火装置、燃油喷射,控制、发动机电子控制,行驶装置,车速控制、间歇刮水、,防雾装置、车门锁紧装置、

4、,汽车电子,报警与安全装置,安全带、车灯未,关报警、车速报警、安全气囊,旅居性,空调控制、动力窗控制,仪表,里程表、数字式数字表、出,租车用仪表,娱乐通讯,收音机、汽车导航、汽,车电话、汽车电台,3.,本课程与其它专业课的关系,课程性质：技术基础课,服务对象：电专业、计算机专业、物理专业,课程特点：内容丰富，技术更新快，紧密联,系实际，应用非常广泛。,本课程是电专业一切电类后续课程的基础。,学时少，内容多，不能轻视。否则，对以后的学,习将会造成很大影响。,3.,本课程与其它专业课的关系,先行课程：电路分析基础,内容主要有：,电路基本概念,、电路定律,、线性电路,的分析方法,、一阶电路,、二阶电

5、路、高阶,电路和复数频率,、正弦稳态电路分析,、交,流功率,、频率响应等,。,3.,本课程与其它专业课的关系,电专业、物理专业在模拟电子技术课,程前先学习电路分析基础课程。,由于计算机专业属性，所以电路分析,基础不作为本专业课程。因此这方面的缺,失只能由自学，或教学中用到时再简介来,弥补。,3.,本课程与其它专业课的关系,再由于模拟电子技术课程课时少，内容多；,对教和学都带来相当的困难。,因此要求同学们在课后挤时间自学电路,分析基础的内容（至少需要了解概念和掌握,最基本的内容）。,这样才能保证同学们跟上,模拟电子技术课程的教学和学习。,4.,电子技术基础学习特点,课堂教学：,紧跟老师讲课思路，

6、搞清基本概念，注意解题方法,和技巧。,习题：,独立完成作业，按时交作业。,实验：,注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用方,法，验证与探索相结合。,4.,电子技术基础学习特点,教学形式：,课堂上，多媒体授课；课后,办公室答疑。,联系方式：,电子邮件地址：,anding1956yeah,办公室：综合楼,3,楼,(3015),系统结构教研室,参考书：,1.,模拟电子技术基础（第四版）：,清华大学童诗白、华成英主编,2.,电子技术基础（模拟部分第四版）：,华中理工大学康华光主编,3.,图书馆有关电子技术的书籍,自学参考书：,1.,电路分析基础,翁黎朗：机械工业出,版社,2009,年,09,月,2

7、.,电路分析基础,周茜,：电子工业出版,社,（,2019,年版）,3.,图书馆有关电路分析的书籍,1.1,半导体的基本知识,1.2 PN,结,1.3,半导体二极管,第一章,晶体二极管,1.1,半导体的基本知识,1.1.1,本征半导体及其导电性,1.1.2,杂质半导体,1.1.3,半导体的温度特性,根据物体导电能力,(,电阻率,),的不同，来划分导,体、绝缘体和半导体。,半导体的电阻率为,10,-3,10,9,?,cm,。典型的半,导体有硅,Si,和锗,Ge,以及砷化镓,GaAs,等。,1.1.1,本征半导体及其导电性,本征半导体,化学成分纯净,的半导体晶体。,制造半导体器件的半导体材料,的纯度

8、要达到,99.9999999%,，常称,为“九个,9,”,。它在物理结构上呈单,晶体形态。,(1,）本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电,子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成,共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们,所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图见图,01.01,。,图,01.01,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,(a),硅晶体的空间排列,(b),共价键结构平面示意图,(c),（,2,）电子空穴对,当导体处于热力学温度,0K,时，导体中没有自,由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子,能量增高，有

9、的价电子可以,挣脱,原子核的束缚，,而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中,就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现,出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们,常称呈现正电性的这个空位为,空穴,。,这一现象称为,本征激发,，,也称,热激发,。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成,对出现的，称为,电子空穴对。,游离的部分自由电子也,可能回到空穴中去，称为,复合，,如图,01.02,所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡,。,图,01.02,本征激发和复合的过程,（,动画,1-1,）,(3),空穴的移动,自由电子的定向运动形,成了电子电流，空穴

10、的定向,运动也可形成空穴电流，它,们的方向相反。只不过空穴,的运动是靠相邻共价键中的,价电子依次充填空穴来实现,的，因此，空穴的导电能力,不如自由电子,（见图,01.03,的动画演示）,。,（,动画,1-2,）,图,01.03,空穴在晶格中的移动,1.1.2,杂质半导体,(1),N,型半导体,(2),P,型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂,质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入,的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的,本征半导体称为,杂质半导体。,(1,）,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可,形成,N,型半导体,也称,电子型半导体,。,因五价杂质原子中只有

11、四个价电子能与周围四个,半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价,电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子,。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子,它主要由,杂质原子提供,；,空穴是少数载流子,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而,带正电荷成为,正离子,，因此，五价杂质原子也被称为,施主杂质。,N,型半导体的结构示意图如图,01.04,所示。,图,01.04 N,型半导体结构示意图,(2) P,型半导体,本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、,铟等形成,P,型半导体,，,也称为,空穴型半导体。,因三价,杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子,而在共价键中

12、留下一个空穴。,P,型半导体中,空穴是多数载流子，,主要由掺杂形,成；,电子是少数载流子，,由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。,三价杂质,因而也称为,受主杂质。,P,型半导体的结构示,意图如图,01.05,所示。,图,01.05 P,型半导体的结构示意图,图,01.05,P,型半导体的结构示意图,1.1.3,杂质对半导体导电性的影响,掺入杂,质对本征半导体的导电性有很大,的影响，一些典型的数据如下,:,T,=300 K,室温下,本征硅的电子和空穴浓度,:,n,=,p,=1.4,10,10,/cm,3,1,本征硅的原子浓度,:,4.96,10,22,/cm,3,3,以上三

13、个浓度基本上依次相差,10,6,/cm,3,。,2,掺杂后,N,型半导体中的自由电子浓度,:,n=,5,10,16,/cm,3,杂质半导体简化模型,1.2 PN,结,1.2.1 PN,结的形成,1.2.2 PN,结的单向导电性,1.2.3 PN,结的电容效应,1.2.1,PN,结的形成,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分,别形成,N,型半导体和,P,型半导体。此时将在,N,型半,导体和,P,型半导体的结合面上形成如下物理过程,:,因浓度差,?,多子的扩散运动,?,由杂质离子,形成空间电荷区,?,空间电荷区,形成,内电场,?,内电场促使少子漂移,?,内电场阻止多子扩散,最后多子,扩散,和

14、少子的,漂移,达到,动态平衡,。对,于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,P N,结,在空间,电荷区，由于缺,少多子，所以也,称,耗尽层。,图,01.06 PN,结的形成过程,（,动画,1-3,）,PN,结形成,的,过,程,可,参,阅,图,01.06,。,1.2.2,PN,结的单向导电性,如果外加电压使,PN,结中：,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压，,简称,正偏；,PN,结具有单向导电性，,若外加电压使电流,从,P,区流到,N,区，,PN,结呈低阻性，所以电流,大；反之是高阻性，电流小。,P,区的电位低于,N,区的电位，称为加,反向电,压，

15、,简称,反偏。,(1) PN,结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部,分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相反，削弱,了内电场。内电场对多子扩,散运动的阻碍减弱，扩散电,流加大。扩散电流远大于漂,移电流，可忽略漂移电流的,影响,PN,结呈现低阻性,。,PN,结加正向电压时的导电情况如图,01.07,（,动画,1-4,）,图,01.07,PN,结加正向电压,时的导电情况,(2) PN,结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子,扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时,PN,结,区的少子在内

16、电场的作用,下形成的漂移电流大于扩,散电流，可忽略扩散电流,，由于漂移电流本身就很,小，,PN,结呈现高阻性。,在一定温度条件下，,由本征激发决定的少子浓,度是一定的，故少子形成,的漂移电流是恒定的，基,本上与所加反向电压的大,小无关，这个电流也称为,反向饱和电流,。,PN,结加反向电压时的导电情况如图,01.08,所示。,图,01.08PN,结加反向电压时的导电情况,PN,结外加正向电压,时，呈现低电阻，具有,较大的正向扩散电流；,PN,结加反向电压时，呈,现高电阻，具有很小的,反向漂移电流。,由此可,以得出结论：,PN,结具有,单向导电性。,（,动画,1-5,）,图,01.08 PN,结加

17、反向电压,时的导电情况,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（,a,.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2.,在杂质半导体中少子的数量与,。,（,a,.,掺杂浓度、,b,.,温度）有关。,3.,当温度升高时，少子的数量,。,（,a,.,减少、,b,.,不变、,c,.,增多）,a,b,c,4.,在外加电压的作用下，,P,型半导体中的,电流主要是,，,N,型半导体中的电流主要,是,。,（,a,.,电子电流、,b,.,空穴电流）,b,a,思考题：,1.2.3 PN,结的电容效应,PN,结具有一定的电容效应，它由两方,面的因素决定。,一是势垒电容,C,B,二是扩散电容,C,D,(1),势垒电容,C,B,势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电,压使,PN,结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随,之改变，这相当,PN,结中存储的电荷量也随之变化，犹如电,容的充放电。势垒电容的示意图见图,01.09,。,图,01.09,势垒电容示意图,扩散电容是由多子扩散后，在,PN,结的另一侧面,积累而形成的。因,PN