电子技术基础课程

电子技术基础主编姜桥电子技术基础常用的半导体器件第1章常用的半导体器件第2章基本单管放大电路第3章多级放大电路第4章负反馈放大电路第6章直流稳压电源第8章组合逻辑电路第9章集成触发器第5章集成运算放大器的应用第7章逻辑代数与逻辑门电路第10章时序逻辑电路第11章大规模集成电路电子技术基础常用的半导体器件补充：电路分析的一些基本知识1.电路和电路模型一、电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源(source)：提供能量或信号的发生器。负载(load)：将电能转化为其它形式能量的用电设备，或对信号进行处理的设备。导线(line)、开关（switch)：将电源与负载接成通路装置。电子技术基础常用的半导体器件低频信号发生器的内部结构电子技术基础常用的半导体器件二、电路模型(circuitmodel)1.理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质来设想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学式子严格表示。几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件。电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的元件。电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场能的元件。电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。电子技术基础常用的半导体器件2、电路中的主要物理量主要有电压、电流、电荷、磁链。在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。另外，电功率和电能量也是重要的物理量。（1）电流(current)：带电质点的运动形成电流。电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。tqtqitddlim)t(0ΔdefΔΔ单位：A(安)(Ampere，安培)电子技术基础常用的半导体器件（2）电压(voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值，即qWUABdefAB单位：V(伏)(Volt，伏特)当把点电荷q由B移至A时，需外力克服电场力做同样的功WAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功–WAB，则B到A的电压为ABABBAUqWU电子技术基础常用的半导体器件（3）电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。参考点的电位一般选为零，所以，参考点也称为零电位点。电位用U表示，单位与电压相同，也是V(伏)。abcd设c点为电位参考点，则Uc=0Ua=Uac，Ub=Ubc，Ud=Udc电子技术基础常用的半导体器件两点间电压与电位的关系：仍设c点为电位参考点，Uc=0Uac=Ua，Udc=UdUad=Uac–Udc=Ua–Ud前例结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。abcd电子技术基础常用的半导体器件例2.abc1.5V1.5V已知Uab=1.5V，Ubc=1.5V。求Ua；Ub；Uc；Uac(1)以a点为参考点，Ua=0Uab=Ua–UbUb=Ua–Uab=–1.5VUbc=Ub–UcUc=Ub–Ubc=–1.5–1.5=–3VUac=Ua–Uc=0–(–3)=3V(2)以b点为参考点，Ub=0Uab=Ua–UbUa=Ub+Uab=1.5VUbc=Ub–UcUc=Ub–Ubc=–1.5VUac=Ua–Uc=1.5–(–1.5)=3V结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考时，电路中各点电位均不同，但任意两点间电压保持不变。电子技术基础常用的半导体器件3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’sCurrentLaw—KCL)和基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’sVoltageLaw—KVL)。它反映了电路中所有支路电流和电压的约束关系，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。电子技术基础常用的半导体器件一、几个名词：(定义)1.支路：电路中通过同一电流的每个分支，称为一条支路。(电路中的支路数用b来表示)2.结点:三条或三条以上支路的连接点称为结点(结点数用n来表示)。4.回路：由支路组成的闭合路径(回路数用l来表示)。b=33.路径：两结点间的一条通路。路径由支路构成。+_R1uS1+_uS2R2R3123abl=3n=2电子技术基础常用的半导体器件二、基尔霍夫电流定律(KCL)：在集总参数电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出(流入)结点的各支路电流的代数和恒等于零。即物理基础:电荷守恒，电流连续性。流出任一结点的支路电流等于流入该结点的支路电流。i1i4i2i3•令流出为“+”(支路电流背离结点)–i1+i2–i3+i4=0i1+i3=i2+i4对结点b：i1+i2–10–(–12)=0i2=1A例:对结点a：4–7–i1=0i1=–3A••7A4Ai110A-12Ai2ab0(t)i出入即ii电子技术基础常用的半导体器件(1)电流实际方向和参考方向之间关系；(2)流入、流出结点。KCL可推广到一个封闭面：注意电流正负符号:i1i1+i2+i3=0(其中必有负的电流)注意列写KCL方程时，各支路电流的方向采用的是参考方向。电子技术基础常用的半导体器件首先考虑选定一个绕行方向:顺时针或逆时针。例:若选顺时针方向绕行时:三、基尔霍夫电压定律(KVL)：在集总参数电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。即0)(tuUS1R1I1+I4_+US4R4I3R3R2I2_abcdef绕行方向uab+ubc-udc-ued-ufe-uaf=0电子技术基础常用的半导体器件uab+ubc-udc-ued-ufe-uaf=0即：uab+ubc=uaf+ufe+ued+udcuac=uab+ubcuac=uaf+ufe+ued+udcUS1R1I1+I4_+US4R4I3R3R2I2_abcdef绕行方向证明：uab+ubc-udc-ued-ufe-uaf=(Ua–Ub)+(Ub–Uc)–(Ud–Uc)–(Ue–Ud)–(Uf–Ue)–(Ua–Uf)=0推论：电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号，相反取负号。电子技术基础常用的半导体器件–R1I1–US1+R2I2–R3I3+R4I4+US4=0–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4电阻压降＝电源压升SRUU即uab=R2I2ubc=–R3I3udc=–R4I4ued=–US4ufe=R1I1uaf=US1uab+ubc-udc-ued-ufe-uaf=0代入左式：得：上式中，电流参考方向与回路绕行方向一致者，RkIk前面取“＋”号；电压源的电动势的方向(参考极性)与回路绕行方向一致者，Usk前面取“＋”号。US1R1I1+I4_+US4R4I3R3R2I2_abcdef绕行方向电子技术基础常用的半导体器件1.1PN结1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4双极型三极管1.5场效应晶体管电子技术基础常用的半导体器件学习目的与要求了解本征半导体、P型和N型半导体的特征及PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性及其分类、用途；理解三极管的电流放大原理，掌握其输入和输出特性的分析方法；理解双极型和单极型三极管在控制原理上的区别；初步掌握工程技术人员必需具备的分析电子电路的基本理论、基本知识和基本技能。电子技术基础常用的半导体器件1.1PN结绕原子核高速旋转的核外电子带负电。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。正电荷负电荷=原子结构中：原子核＋原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。1.导体、半导体和绝缘体电子技术基础常用的半导体器件（1）导体导体的最外层电子数通常是1~3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。原子核＋导体的特点：内部含有大量的自由电子电子技术基础常用的半导体器件（2）半导体半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。原子核＋半导体的特点：虽然导电性能介于导体和绝缘体之间，但是具有其独特的性能。（后面详细介绍）电子技术基础常用的半导体器件（3）绝缘体绝缘体的最外层电子数一般为6~8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核＋绝缘体的特点：内部几乎没有自由电子，因此不导电。电子技术基础常用的半导体器件半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。2.半导体的独特性能电子技术基础常用的半导体器件3.本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。电子技术基础常用的半导体器件本征半导体——纯净的、不含其他杂质的半导体。本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构电子技术基础常用的半导体器件＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。＋＋电子技术基础常用的半导体器件＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。电子技术基础常用的半导体器件半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理电子技术基础常用的半导体器件本征半导体虽然