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本课程概述课程性质: 是电气、电子信息类专业一门重要的技术基础理论课程, 同时也是该专业的必修课(3学分)。 课程任务: 使学习者熟悉并掌握基本模拟电子电路的器件知识、放大器 的工作原理和分析方法。 要求能对主要功能电路进行分析和设计;具备根据实践的具 体要求,运用所学知识构成实用模拟电子电路的能力;为后续 专业课打下坚实地基础。 授课学时:48学时(课堂讲授40学时+课堂讨论6学时) 期末考试:2 学时 考试成绩:平时成绩10%+期中20%+期末70% 信 心 理 想 毅 力 方 法 兴 趣?责 任 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪 论 绪 论 1.1906年发明了真空三极管 第一代电子器件诞生。 2.1948年研制出晶体三极管 第二代电子器件出现。 3.50年代末研制出集成电路 第三代电子器件出现。 4.近几十年来集成电路发展成小规模、中规模、大规模及超 大规模(几十平方毫米的片子上,可集成上百万个元件) 5.电子技术学科可划分为两类: (1).模拟电子技术:可细分为模拟电子技术基础、通信电子电 路,主要研究对模拟信号的处理。 (2).数字电子技术:研究逻辑电路,对数字信号进行处理。 电子技术与日常生活息息相关、其发展随器件的发展经历了 以下几个阶段: 集 成 电 路 电 子 管 晶 体 管 分 立 元 件 ( ( SSI(100以下) MSI(103) LSI(104) 超大规模 VLSI (105以上) 1906年,福雷斯特等发明了电子管;电子管体 积大、重量重、耗电大、寿命短。世界上第一 台计算机用了1.8万只电子管,占地170平方米, 重30吨,耗电150W。目前在一些大功率发射 装置中使用。 1948年,肖克利等发明了晶体管,其 性能在体积、重量方面明显优于电子 管,但器件较多时由分立元件组成的 分立电路体积大、焊点多、电路的可 靠性差。 1960年集成电路出现,成 千上万个器件集成在一块 芯片,大大促进了电子学 的发展,尤其促进数字电 路和微型计算机的飞速发 展。 芯片中集成上万个等效门 ,目前高的已达上百万门 。 3C (控制、计算机、通信 ) 第1章 绪论 概述电子器件的发展 电子电路分类 模拟电路与数字电路的区别 模拟电路:处理的信号是时间上连续的信号 数字电路:处理的信号是离散的信号 第1章 绪论 概述 电子电路可分为: 数字电路:主要研究、处理 数字信号。(门电路、触发器) 模拟电路: 通信电子电路:围绕通信(收、发)来讲。 模拟电子基础:基本器件、放大器、分析方法 1992年美国Lattice公司发明了在系统可编程技术(In- System Programmability),彻底改变了传统数字电子系 统的设计和实现方法,开创了数字系统设计的里程碑。 在21世纪来临的前夕,1999年11月,Lattice公司又推出 了在系统可编程模拟电路(In-System Programmability Programmable Analog Circuits),翻开了模拟电路设计 方法的新篇章。(相应的开发软件PAC Designer ) 最新信息: 国家选择了十所院校作为投资的重点。 在5年内培养出4万人的集成电路设计人才。 15年内,使我国的集成电路生产初具规模。 第二章 半导体器件基础 半导体的基础知识 PN结 半导体二极管 双极型晶体管 场效应晶体管 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 主要问题 为什么采用半导体材料作电子器件? 空穴是一种载流子吗?空穴导电时电子运动吗? 什么是N型半导体?什么是P型半导体?将 两种半导体制作在一起时会产生什么现象? 在N P结加反向电压时真没有电流吗? 一、半导体的特性: 1.什么是导体、绝缘体、半导体: (1).导体:导电性能良好的物质。 (3).半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间。 第一节 半导体基础知识 2.半导体的特性: (1).掺杂特性。(掺入杂质则导电率激增) (2).热敏特性。(温增则导电率显增) (3).光敏特性。(光照可增加导电率、产生电动势) 导电率为105s.cm-1 量级,如:金、 银、铜、铝。 (2).绝缘体:几乎不导电的物质。 导电率10-22-10-14 s.cm-1 量级,如:橡胶、云母、 塑料等。 导电率为10-9-102 s.cm-1 量级,如:硅、锗、 砷化镓等。 二、本征半导体: (一)硅和锗晶体的共价健结构 1.硅和锗均为4价元素。 2.晶体中晶格决定原子间按一 定规律排列得紧密。(四面 体结构) 3.外层电子成为共价键。 +4+4+4 +4+4+4 +4+4+4 本征半导体:完全纯净、 结构完整的半导体晶体。 (二)两种载流子电子和空穴 T=300K 时: 少数载流子获得能量,从价带导 带自由电子,(本正激发) 自由电子 导带 禁带Eg 价带 空穴 载流子的能带图 动画一 T=0K 时: 价电子被束缚在价带内,晶体中 无自由电子. 1.电子空穴对: 电子和空穴是成对产生的. 价电子 在原位置留下空位空穴。 两种载流子电子和空穴 2.自由电子载流子: 在外电场作用下形成电子流(在 导带内运动), 方向与电场方向相反。 外电场E 的方向 电子流 空穴流 E 载流子的能带图 3.空穴载流子: 在外电场作用下形成空穴流(在价 带内运动), 方向与电场方向相同 4.漂移运动: 载流子在电场作用下的定向运动。 导带 禁带 价带 自由电子 空穴 (三)载流子的浓度 A0与材料有关的常数。 EG0禁带宽度。 T绝对温度。 K玻尔兹曼常数。 ni 与温度T和禁带宽度EGO有关。 本征半导体 中电子的浓度 p(空穴浓度):表示单位体积的空穴数。 (pi) n(电子浓度):表示单位体积的自由电子数。(ni) (1-1) 本征半导体 中空穴的浓度 当材料一定时: 载流子的浓度主要取决于温度; 温度增加使导电能力激增。 温度可人为控制 。 (四)载流子的产生与复合 ni(电子浓度):是动态平衡值。 g(载流子的产生率):每秒成对产生的电子空穴的浓 度。 R(载流子的复合率):每秒复合的载流子的浓度。 当g=R时(平衡时): R=rnipi (1-2) 其中r是和材料有关的系数 三、杂质半导体 3.在N型半导体中: 自由电子为多数载流子 空穴为少数载流子 +4+4+4 +4+5+4 +4+4+4 (一)N型半导体 1.在四价元素中掺入五价元素砷, 五价元素与周围四个原子形成共价 健,余下一个电子成为自由电子。 2.砷原子贡献一个电子(在电场 作用下成为自由电子) 施主杂质(正离子) 杂质半导体 3.在P型半导体中: 空穴为多数载流子 自由电子为少数载流子 +4+4+4 +4+3+4 +4+4+4 (二)P型半导体 1.在四价元素中掺入三价元素铟: 三价元素与周围四原子形成共价健 ,因缺少一个电子形成“空穴”。 2.铟原子在电场作用下接受一个 电子受主杂质(负离子) 在杂质半导体中,尽管杂质含量很少,但提供的载流子以数 量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。 例如:T=300k时,锗本征半导ni=2.51013/cm3,锗原子密度为 4.41022/cm3,若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。 则施主杂质浓度为: ND=10-44.41022=4.41018/cm3 (比ni大十万倍) (三)、杂质半导体的载流子浓度 在杂质型半导体中: 多子浓度比本征半导体的浓度大得多; 载流子的浓度主要取决于多子(即杂质),故使 导电能力激增 。 结 论 半导体的热敏性; 半导体的光敏性特性; 半导体的掺杂特性; 是可人为控制的。 结论 为什么采用半导体材料作电子器件? 空穴是一种载流子吗?空穴导电时电子运动吗? 第二节 PN 结 (1).两种半导体结合后,由于浓度差产 生载流子的扩散运动 结果产生空 间电荷区耗尽层(多子运动)。 + + + + + + + + + P N 载流子要从浓度大 区域向浓度小的区域 扩散,称载流子的扩散 的运动 (2).空间电荷区产生建立了内电场 产生载流子定向运动(漂移运动) (3).扩散运动产生扩散电流;漂移运 动产生漂移电流。 动态平衡时:扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。 把载流子在电场作 用下的定向移动称 为漂移运动 动画三 一.PN结的基本原理: (一).PN结的形成: 当扩散运动内电场漂移运 动扩散运动动态平衡。 自由电子 空穴 + + + + + + PN + + + (2).接触电位 V决定于材 料及掺杂浓度: 硅: V=0.7 锗: V=0.2 + + + + + + PN PN结的接触电位 V (二)PN结的接触电位: (1).内电场的建立,使PN结 中产生电位差。从而形成接 触电位V(又称为位垒)。 (3).其电位差用 表示 + + + (1).Uq(V-U)位垒高度 耗 尽层变薄扩散运动(多子) 扩散电流 1.PN结加正向电压时: ( 内电场)与U方向相反 + PN + Q(V-U) 扩散 U 动画四 (三)PN结的单向导电性 (2).位垒高度 漂移运动 (少子) 漂移电流 (3).正向电流决定于扩散电流。 此时PN结导通。 I 漂移 (1).Uq(V-U)位垒高度 耗尽层变厚扩散运动(多子) 扩散电流 2.PN结加反向电压时: ( 内电场)与U方向相同 + PN + Q(V+U) 扩散 U 动画五 (2).位垒高度 漂移运动(少 子) 漂移电流 (3).反向电流决定于漂移电流此时 PN结截止。 I 漂移 Is 饱和电流; UT=kT/q 为温度电压当量 。 k 波尔兹曼常数; (T=300k;时 UT=26mv) 二.PN结的电流方程: 由半导体物理可推出: 当加正向电压时: 当加反向电压时: I-Is I U Is 播放动画(1,2,3,4,5) 什么是N型半导体?什么是P型半导体? 将两种半导体制作在一起时会产生什么现象? N P结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗? 为什么具有单向导电性? 两种半导体制作在一起时会产生电流吗? 在N P结加反向电压时真没有电流吗? 一. 二极管的结构类型: 第三节、半导体二极管第三节、半导体二极管 在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管 二极管按结构分 点接触型 面接触型 平面型 PN结面积小,结电容小, 用于检波和变频等高频电路 PN结面积大,用 于工频大电流整流电路可用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小,常用于 高频整流和开关电路中。 二. 二极管的理想伏安特性: 是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线 I U 1.当加正向电压时 PN结电流方程为: 2.当加反向电压时 I 随U,呈指数规率 I = - Is 基本不变 1.正向起始部分存在一个死 区或门坎,称为门限电压 。 硅:Ur=0.5-0.7v; 锗:Ur=0.1-0.2v 2.加反向电压时相同温度下 : Is硅(nA,10-9)EG(Ge) 3.当反压增大UB时再增加,反 向激增,发生反向击穿, UB称为反向击穿电压。 三
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