《电子技术基础与应用》项目1

电子技术基础与应用作业布置单击此处获取APP扫码作业布置方法作业布置宣传片，欢迎播放了解单击此处获取微信扫码作业布置方法使用说明文档本课作业布置二维码老师扫描此码，即可进行本课线上作业布置（一次扫码，一学期轻松）目录项目1半导体器件项目2基本放大电路项目3集成运算放大器项目4直流稳压电源项目5基本逻辑电路与组合逻辑电路项目6触发器与时序逻辑电路项目7脉冲信号的产生与变换项目8数模与模数转换器半导体器件项目1自二十世纪初真空二极管、真空三极管问世以来，电子学作为一门新兴学科得到了迅速发展。1950年，第一只“PN结型晶体管”问世，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术革命。直至今日，以二极管、三极管等晶体管为主的半导体器件仍是构成电子电路的基本元件。半导体器件由于其体积小、质量小、使用寿命长、耗电量小、可靠性强等优点，在现代生产、生活中得到了广泛的应用。本项目主要介绍二极管和三极管的基本知识。项目导读项目导读学习目标知识目标 能够正确判断二极管和三极管引脚的极性。 能够正确测试二极管和三极管的伏安特性。技能目标 树立民族自尊心、自豪感和文化自信心。 增强实现中华民族伟大复兴的历史使命感。素质目标

掌握半导体的基本知识。

掌握PN结的形成原理和单向导电性。

掌握二极管的结构、伏安特性和主要参数。

掌握三极管的结构、电流放大作用、伏安特性和主要参数。目录任务1.1认识二极管任务1.2

认识三极管任务1.1认识二极管

任务引入二极管如下图所示，它由管体和两个引脚构成，其中两个引脚分别为二极管的阳极和阴极。二极管具有单向导电性，二极管的导通和截止相当于开关的接通和断开，它同三极管、电阻、电容和电感等一起，构成了形形色色的电子电路。任务引入请选择合适的工具和器材，对二极管进行测试，判断二极管引脚的极性，并通过逐点法绘制二极管的伏安特性曲线。本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识二极管学习程度识记理解应用学习任务半导体概述●

二极管的结构

●

二极管的伏安特性和主要参数

●

实训任务测试二极管的伏安特性

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价半导体器件都是由半导体制成的。因此，在介绍半导体器件前，需要先了解半导体的基本知识。1）半导体的基本特性根据导电性的不同，自然界的物质可分为导体、绝缘体和半导体三大类。半导体之所以会成为制造电子器件的主要材料，是因为它具有热敏性、光敏性和掺杂性等基本特性。容易导电的物质称为导体，如铜、铝、银等材料；很难导电的物质称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；导电性介于导体和绝缘体之间、电阻率为的物质称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。1.1.1汽车发动机电控系统的发展相关知识1．半导体的基本知识相关知识（1）热敏性。半导体的导电性可随温度的变化而显著改变，利用这种特性可制成各种热敏元件，如热敏电阻和温度传感器等。（2）光敏性。半导体的导电性可随光照的变化而出现显著变化，利用这种特性可制成光电二极管、光电三极管和光敏电阻等。（3）掺杂性。半导体的导电性会因掺入微量杂质而出现很大变化，利用这种特性可制成二极管、三极管及各种场效应管等。2）本征半导体的结构特点本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在半导体器件中，用得最多的本征半导体材料是硅和锗。将本征半导体材料提纯并制成单晶体后，单晶体中的所有原子便基本上整齐排列了。本征半导体的结构如右图所示。相关知识硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上有4个电子，称为价电子。这两种元素每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，还与周围相邻的4个原子存在联系，即每个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成了共价键。本征半导体在绝对零度（−275.15℃）且没有外界影响的条件下，其价电子全部束缚在共价键中。当本征半导体在温度升高或受到光照时，其价电子会从外界获得一定能量，少数价电子将挣脱共价键的束缚而成为自由电子，并在共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，两者的数量总是相等。这种在热或光的作用下，使本征半导体中产生自由电子和空穴的现象称为本征激发，如右图所示。相关知识当共价键中出现空穴时，在外电场或磁场的作用下，邻近的价电子将会填补这个空穴，而这个价电子原来的位置又会留下新的空穴，然后其他价电子又可填补这个新的空穴。由于价电子参与导电的机理与自由电子有所不同，因此为了区别这两种电子的运动，通常将空穴看作是一种带正电荷的载流子，用空穴的运动代替价电子的运动，空穴所带的电荷与价电子的电荷大小相等，极性相反。因此，本征半导体中存在两种载流子——自由电子和空穴。3）杂质半导体的结构特点本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，其导电性仍然很低。若在本征半导体中有选择地掺入少量其他元素，将会使其导电性发生显著变化。这些掺入的元素统称为杂质，而在本征半导体中掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。相关知识在本征半导体（硅或锗）中掺入微量五价元素磷，可制成N型半导体。由于磷原子有5个价电子，当它与周围的硅（或锗）原子组成共价键时，磷原子多余的一个价电子很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子。每掺入一个磷原子都能提供一个自由电子，从而使半导体中自由电子的数目大大增加，这种半导体由于主要靠自由电子导电，因此称为N型半导体（或电子型半导体），如右图所示。在N型半导体中，自由电子是多数载流子（即多子），空穴是少数载流子（即少子）。在本征半导体（硅或锗）中掺入少量三价元素硼，可制成P型半导体。由于硼原子只有3个价电子，当它与周围的硅（或锗）原子组成共价键时，硅（或锗）原子最外层的轨道会因缺少一个价电子而出现一个空穴，相邻的价电子很容易填补这个空穴，从而形成新的空穴。每掺入一个硼原子都能提供一个空穴，从而使半导体中空穴的数目大大增加，这种半导体由于主要靠空穴导电，因此称为P型半导体（或空穴型半导体），如右图所示。在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。中国第一支晶体管1956年11月，在北京中国科学院应用物理研究所的半导体器件实验室里，中国第一支锗合金结型晶体管诞生了。中国第一支晶体管研制成功，开创了我国在多领域以半导体器件代替电子管，以及以半导体器件开创新的科学领域的事业，吹响了“向科学进军”的号角。近年来，中国半导体事业飞速发展，这与当年那批献身中国半导体事业的前辈们的努力是分不开的。可以说，正是他们的拼搏奉献，才为中国现代半导体技术的迅猛发展打下了坚实的基础。（资料来源：/images/zhuanti/dqxdfh/gs07.html，有改动）砥节砺行1）多子的扩散运动在半导体的不同区域掺入五价元素磷或三价元素硼，相应地可使半导体形成P区和N区。由于P区的空穴多于自由电子，N区的自由电子多于空穴，因此在P区和N区的交界面附近将产生多子的扩散运动。相关知识2．PN结的形成P区的空穴向N区扩散，与N区的自由电子复合；N区的自由电子向P区扩散，与P区的空穴复合。上述这种扩散运动使N区失掉自由电子产生正离子，P区得到自由电子产生负离子，结果在交界面两侧由等量正、负离子形成了空间电荷区，如图下图所示。在这个区域内，由于多子已扩散到对方区域并被复合掉，好像耗尽了一样，因此空间电荷区又称为耗尽层。相关知识相关知识空间电荷区的形成，建立了由N区指向P区的内电场。显然，内电场对多子的扩散运动起阻碍作用，因此空间电荷区又称为阻挡层。2）少子的漂移运动空间电荷区的出现有助于内电场中少子的漂移运动。因此，在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的自由电子向N区漂移，最终使空间电荷区变窄，内电场被削弱。3）动态平衡扩散运动与漂移运动是相互联系又相互对立的，当两者的运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度便基本稳定下来了，这种具有稳定宽度的空间电荷区称为PN结。相关知识点拨扩散是指载流子（空穴或自由电子）由浓度高的一侧向浓度低的一侧运动；漂移是指载流子在电场的作用下做定向移动，空穴的移动方向与内电场的方向相同，自由电子的移动方向与内电场的方向相反。当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，流过PN结的电流为零。3．PN结的单向导电性相关知识当PN结有外加电压时，PN结会呈现出单向导电性。通常，将外加在PN结上的电压称为偏置电压，它可分为正向偏置电压和反向偏置电压两种。1）正向偏置电压当外加电压的正极接PN结的P区、负极接PN结的N区时，该外加电压称为正向偏置电压。此时的PN结处于正向偏置状态，简称正偏。当PN结处于正向偏置状态时，由于外加电源产生的外电场方向与PN结产生的内电场方向相反，因此多子的扩散运动会得到加强，少子的漂移运动会被削弱，扩散运动与漂移运动的平衡将被打破。在外电场的作用下，多子会中和一部分空间电荷，从而使整个空间电荷区变窄，并形成较大的扩散电流。该扩散电流称为正向电流，其方向由P区指向N区。此时，PN结处于导通状态。2）反向偏置电压当外加电压的正极接PN结的N区、负极接PN结的P区时，该外加电压称为反向偏置电压。此时的PN结处于反向偏置状态，简称反偏。当PN结处于反向偏置状态时，由于外加电压产生的外电场方向与PN结产生的内电场方向一致，因此少子的漂移运动会得到加强，多子的扩散运动会被削弱，从而使整个空间电荷区变宽。此时，主要由少子的漂移运动所形成的漂移电流，将超过多子扩散运动形成的扩散电流。该漂移电流称为反向电流，其方向由N区指向P区。由于常温下少子的数量很少，反向电流非常小，因此在近似分析时通常会忽略反向电流，认为此时的PN结不导电，PN结处于截止状态。相关知识相关知识二极管可看作是PN结物化的器件，PN结上具有的特性均可在二极管上反映出来。二极管的结构可分为点接触型、面接触型和平面型三种。从二极管的P区引出的引脚称为阳极，从N区引出的引脚称为阴极。1.1.2二极管1．二极管的结构相关知识点接触型二极管的特点是PN结面积小、结电容小、工作电流小，但其高频性能好，一般用于高频和小功率电路，也可作为数字电路中的开关元件；面接触型二极管的特点是PN结面积大、结电容大、工作电流大，但其工作频率较低，一般用于整流电路；平面型二极管的特点是PN结面积可大可小，结面积大的主要用于大功率整流电路，结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关元件。虽然二极管的本质是一个PN结，但由于受到制作工艺的影响，因此二极管的实际特性与PN结的理论特性略有差别。二极管的伏安特性曲线如右图所示。根据外加电压极性的不同，其伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。2．二极管的伏安特性相关知识1）正向特性当二极管的正向偏置电压较小时，二极管呈现较大的电阻，正向电流很小，几乎为零。当正向偏置电压达到某一临界值时，二极管呈现很小的电阻，二极管正向导通，这一电压称为阈值电压或死区电压，用表示。二极管正向导通后，随着正向偏置电压的增大，通过其内部的正向电流急剧增大，正向电流与正向偏置电压之间的关系基本上为一条指数曲线。2）反向特性当二极管的反向偏置电压在一定临界值内时，反向电流很小且基本不随反向偏置电压变化，这个电流称为反向饱和电流。当反向偏置电压超出这一临界值后，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，其所对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管的反向击穿电压一般在几十伏以上，而高反压二极管的反向击穿电压可达几千伏。3）温度对二极管伏安特性的影响二极管的伏安特性对温度非常敏感。随着温度的升高，二极管正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在室温附近，温度每升高1℃，二极管的正向电压降会减小约2～2.5mV；温度每升高10℃，二极管的反向电流会增大约1倍。相关知识1）最大整流电流最大整流电流是指二极管在长期工作时所允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过此值，否则二极管容易因过热而损坏。2）最大反向工作电压最大反向工作电压是指二极管在工作时所允许的最大反向偏置电压。若反向偏置电压超过此值，则二极管可能会被击穿。数值较大的二极管称为高反压二极管。3）反向电流反向电流是指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小，二极管的单向导电性越好。反向电流受温度的影响很大，它会随着温度的升高而逐渐增大。4）最高工作频率最高工作频率指加在二极管两端的交流电压所允许的最高频率。在使用二极管时，若加在其两端的交流电压的频率超过此值，则二极管的单向导电性将会降低甚至失去。最高工作频率主要取决于PN结结电容的大小，结电容越大，最高工作频率越低。任务1.2认识三极管任务引入三极管如下图所示，它由1个管体和3个引脚构成，其中3个引脚分别为基极B、集电极C和发射极E。根据半导体组合方式的不同，三极管可分为NPN型和PNP型两种。三极管是基本的半导体器件之一，它具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。任务引入请选择合适的工具和器材，对三极管进行测试，判断三极管的类型和引脚的极性，并通过逐点法绘制三极管的伏安特性曲线。本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识三极管学习程度识记理解应用学习任务三极管的结构和电流放大作用●

三极管的伏安特性

●

三极管的主要参数

●

实训任务测试三极管的伏安特性

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价如下图所示为三极管的结构，它由三层不同性质的半导体组合而成。根据半导体组合方式的不同，三极管可分为NPN型和PNP型两类。1.2.1三极管的结构和电流放大作用相关知识1．三极管的结构无论是NPN型三极管还是PNP型三极管，它们均有3个区，即基区、集电区和发射区。这3个区分别引出3个引脚，即基极B、集电极C和发射极E。同时，在3个区的交界处有两个PN结，即集电结和发射结。相关知识三极管的电流放大作用是由其内部载流子从发射区到集电区的运动中体现出来的。为保证其内部载流子能够做这样的定向运动，三极管需要满足一定的内部结构条件和外部条件。其中，内部结构条件主要包括以下几点。三极管的外部条件则是要保证外加电源的极性，使发射结处于正向偏置状态，使集电结处于反向偏置状态。2．三极管的电流放大作用（1）发射区很小，但掺杂浓度高。（2）基电区最薄且掺杂浓度最低（比发射区低2～3个数量级）。（3）集电结面积最大，且集电区的掺杂浓度低于发射区的掺杂浓度。相关知识下面通过一个电流放大实验来说明三极管的电流放大作用。如下图所示为三极管电流放大实验电路，将电源的正、负极分别接三极管的基极B和发射极E，将电源的正、负极分别接三极管的集电极C和发射极E，从而在三极管的发射结施加正向电压、集电结施加反向电压。此时，调节电位器，则基极B中的电流、集电极C中的电流和发射极E中的电流都会发生变化，它们的测量数据如表1-11（详见教材）所示。相关知识由表1-11可得出以下结论。（1）三极管各电极中电流的关系满足

，其中

。该结果符合基尔霍夫电流定律，即流进三极管的电流等于流出三极管的电流。（2）

与

的比值基本为定值，当

增大时，

基本上也成比例增大。该比值称为直流电流放大系数，用

表示。

可表征三极管的直流放大能力。（3）

和

的比值基本为定值，

的较小变化可使

出现较大变化。该比值称为交流电流放大系数，用

表示。

可表征三极管的交流放大能力。王守武：中国半导体事业的拓荒者半导体器件物理学家、中科院院士王守武，被誉为中国半导体研究的“拓荒者”，在研究与开拓中国半导体材料、半导体器件、光电子器件及大规模集成电路等方面做出了重要贡献。1950年，已经在美国取得教职的王守武带着妻女毅然返回祖国，在中科院应用物理研究所扎下根来。王守武回国前并未联系国内的工作单位，从事机电专业研究的他按照国家的需要转向了半导体研究，“当时只想为祖国做点贡献，哪里需要就到哪里去。中科院让我去，我就去了。”……详见教材砥节砺行三极管的伏安特性可分为输入特性和输出特性两部分，它们均可通过伏安特性曲线来分析。下面以共发射极放大电路为例，分别对三极管的输入特性和输出特性进行分析。三极管的输入特性曲线和输出特性曲线可通过如上图所示的电路进行测绘。1.2.2三极管的伏安特性相关知识当为常数时，输入电路（基极电路）中与之间的关系曲线即为输入特性曲线，如下图所示。1．输入特性相关知识当时，集电极与发射极短接，三极管相当于两个二极管并联，即为外加在并联二极管上的正向电压，三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。当时，三极管的输入特性曲线右移，这是因为此时集电结已反向偏置，其内电场已足够大，可以把从发射区进入基区的绝大部分电子收集至集电区。由于此时即使再增加，只要不变，也不再明显减小，因此三极管的输入特性曲线可近似为同一条曲线。相关知识点拨由上图可以看出，在三极管的输入特性中也存在阈值电压，只有当发射结外加电压大于阈值电压时，三极管才会产生基极电流。硅三极管的阈值电压约为0.6V，锗三极管的阈值电压约为0.2V。当为常数时，输出电路（集电极电路）中的与之间的关系曲线即为输出特性曲线，如下图所示。2．输出特性相关知识三极管的输出特性曲线可分为放大区、饱和区和截止区3个区域，这3个区域分别对应三极管3种不同的工作状态。相关知识1）放大区输出特性曲线中近于水平的部分是放大区，三极管在这个区域处于放大状态。在放大区，，对有很强的控制能力，几乎不随和负载的变化而变化。三极管处于放大状态的电压条件为：发射结正偏，集电结反偏。2）饱和区输出特性曲线中相对于变化较小的区域是饱和区，三极管在这个区域处于饱和状态。在饱和区，

，不能控制，因此三极管不能起电流放大作用。此时，，随的增加而迅速增大。的情况称为临界饱和状态，该状态在特性曲线对应点的轨迹称为临界饱和线，此时集电极与发射极之间的电压称为饱和压降。三极管处于饱和状态的电压条件为：发射结正偏，集电结也正偏。3）截止区对应曲线下方的区域是截止区，三极管在这个区域处于截止状态。此时，，，三极管不导通，同样也不能起电流放大作用。三极管处于截止状态的电压条件为：发射结反偏，集电结也反偏。相关知识点拨三极管除了具有电流放大作用外，还具有开关作用。将三极管作为开关使用时，三极管的基极是控制极，当较大时，三极管处于饱和状态，发射极E与集电极C之间的电阻很小，它们如同开关闭合；当较小或为零时，三极管处于截止状态，发射极E与集电极C之间的电阻很大，它们如同开关断开。相关知识三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，是评价三极管质量及选择三极管的主要依据。三极管的主要参数有以下几个。1.2.3三极管的主要参数三极管的电流放大系数包括直流电流放大系数和交流电流放大系数。虽然二者的含义不同，但在实验中发现，这两个参数在放大区的值非常接近，可近似认为相等。1．电流放大系数相关知识1）集电极-基极反向饱和电流集电极-基极反向饱和电流是指发射极的电路处于断开状态时，集电极和基极之间的反向电流。集电极-基极反向饱和电流受温度的影响较大，它会随温度的升高而增大。集电极-基极反向饱和电流越小，三极管的热稳定性越好。室温下，小功率硅三极管的集电极-基极反向饱和电流在1μA以下，锗三极管的集电极-基极反向饱和电流一般为几微安到几十微安。2）集电极-发射极穿透电流集电极-发射极穿透电流是指基极的电路处于断开状态时，由集电区穿过基区流入发射区的电流。当温度升高时，集电极-发射极穿透电流比集电极-基极反向饱和电流增加得更快。集电极-发射极穿透电流对三极管的工作影响更大，是衡量三极管质量好坏的重要