1河北工程大学 信电学院电子技术基础*1电子技术电子技术 基础基础信息与电气工程学院信息与电气工程学院 电工电子教研室电工电子教研室 3-3113-311张萱张萱2河北工程大学 信电学院电子技术基础*21. 本课程的性质及特点技术基础课，具有工程性、实践性。非纯理论性课程实践性很强以工程实践的观点来处理电路中的一些问题 2. 课程研究内容研究各种电子器件的结构、工作原理及性能指标等; 用各种电子 器件组成电路的分析与设计。包括：模拟电子技术、数字电子技术3. 学习目标前 言前 言能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单 元电路进行设计。3河北工程大学 信电学院电子技术基础*34. 电子技术的发展1904年弗莱明发明了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作 用，首先被用于无线电检波。1906 年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极 栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里 程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电 子管成本高，制造繁，体积大，耗电多，从 1948 年美国贝尔实验室的 几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代 电子管。但是，我们不能否定电子管的独特优点，在有些装置中,，不 论从稳定性，经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。 随着生产和科学技术发展的需要，电子技术得到高度发展和广泛应用 （如空间电子技术，生物医学电子技术，信息处理和遥感技术，微波应 用等），它对于社会生产力的发展，也起着变革性的推动作用。4河北工程大学 信电学院电子技术基础*4随着半导体技术的发展和科学研究，在工业上晶体闸流管(即可控硅 )也获得广泛应用，使半导体技术进入了强电领域。1958 年，集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了一个新的 阶段。它实现了材料，元件，电路三者之间的统一。随着集成电路制造工 艺的进步，集成度越来越高，出现了大规模和超大规模集成电路.5河北工程大学 信电学院电子技术基础发展特点:以电子器件的发展为基础电子管时代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。目前在一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电真空技术6河北工程大学 信电学院电子技术基础 晶体管时代电流控制器件半导体技术半导体二极管、三极管器件7河北工程大学 信电学院电子技术基础 半导体集成电路8河北工程大学 信电学院电子技术基础80年代后- ULSI ， 1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟目前- 芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m)量级微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。6070代-IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10万个晶体管/片。将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路9河北工程大学 信电学院电子技术基础*96. 成绩评定平时成绩： 19 %考试成绩： 81 %7. 参考书康华光主编，电子技术基础 模拟部分 ，高教出版社 童诗白主编，模拟电子技术基础 ，高教出版社 实验成绩： 20 %闫石主编， 数字电子技术基础 ，高教出版社 康华光主编，电子技术基础 数字部分 ，高教出版社 课堂成绩： 80 %5. 学习方法重点掌握基本概念、基本电路的分析方法和解题技巧。10河北工程大学 信电学院电子技术基础*10第一章 第一章 半导体器件半导体器件11河北工程大学 信电学院电子技术基础*111.11.1 半导体的特性 半导体的特性1. 导体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、 塑料等。3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物 质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗 (Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。12河北工程大学 信电学院电子技术基础*12硅原子结构图 1.1.1 硅原子结构(a)硅的原子结构图最外层电子称价电子价电子锗原子也是 4 价元素4 价元素的原子常常用 + 4 电荷的正离子和周围 4 个价电子表示。+4(b)简化模型13河北工程大学 信电学院电子技术基础*131.1.11.1.1 本征半导体 本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4共 价 键价 电 子完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材 料提纯便形成单 晶体，它的原子 结构为共价键结 构。图 1.1.2 单晶体中的共价键结构当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同 绝缘体。14河北工程大学 信电学院电子技术基础*14+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴T 图 1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成 为自由电子，在原来的共 价键中留下一个空位空穴自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力， 但很微弱。空穴可看成带正电的 载流子。15河北工程大学 信电学院电子技术基础*151. 半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到 平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。16河北工程大学 信电学院电子技术基础*161.1.21.1.2 杂质半导体 杂质半导体杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导体一、 N 型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。17河北工程大学 信电学院电子技术基础*17+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图 1.1.4 N 型半导体的晶体结构本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。18河北工程大学 信电学院电子技术基础*18+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、 P 型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。+3空穴浓度多于电子 浓度，空穴为多数载流 子，电子为少数载流子 。3 价杂质原子称为受主原子。受主 原子空穴图 1.1.5 P 型半导体的晶体结构19河北工程大学 信电学院电子技术基础*19说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体(b) P 型半导体图 1.1.6 杂质半导体的的简化表示法20河北工程大学 信电学院电子技术基础*201.21.2 半导体二极管 半导体二极管1.2.11.2.1 PN PN 结及其单向导电性结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另 一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，称为 PN 结。 PNPN结图 1.2.1 PN 结的形成21河北工程大学 信电学院电子技术基础*21一、 PN 结中载流子的运动耗尽层 空间电荷区PN2. 扩散运动 形成空间电荷区1. 电子和空穴 浓度差形成多数 载流子的扩散运 动。 PN 结，耗 尽层。图 1.2.1PN22河北工程大学 信电学院电子技术基础*223. 空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场 UD空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒；4. 漂移运动内电场有利于 少子运动漂移 运动少子的运动 与多子运动方向 相反阻挡层内电场阻止多子的扩散 阻挡层。23河北工程大学 信电学院电子技术基础*235. 扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V, 锗材料约为(0.2 0.3) V。24河北工程大学 信电学院电子技术基础*24二、二、 PN PN 结的单向导电性结的单向导电性1. PN PN 外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。图 1.2.2PN25河北工程大学 信电学院电子技术基础*25在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的 正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. PN PN 结结外加反向电压(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。26河北工程大学 信电学院电子技术基础*26空间电荷区图 1.2.3 反相偏置的 PN 结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随 着温度升高， IS 将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS27河北工程大学 信电学院电子技术基础*27综上所述：当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。可见， PN 结具有单向导电性。28河北工程大学 信电学院电子技术基础*281.2.21.2.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号(a)外形图 图 1.2.4 二极管的外形和符号29河北工程大学 信电学院电子技术基础*29半导体二极管图片30河北工程大学 信电学院电子技术基础*30二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流 ，I = f (U )之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性硅管的伏安特性2CP31死区电压击穿电压 U(BR)反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.01 0.02锗管的伏安特性2AP260图 1.2.4 二极管的伏安特性31河北工程大学 信电学院电子技术基础*311. 正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范 围称死区。死区电压与材料和温 度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗 管约 0.1 V 左右。正向特性死区 电压60402000.4 0.8I / mAU / V当正向电压超过死区电压后 ，随着电压的升高，正向电流迅 速增大。32河北工程大学 信电学院电子技术基础*322. 反向特性 0.02 0.0402550I / mA U / V反向特性当电压超过零点几伏后 ，反向电流不随电压增加而 增大，即饱和；二极管加反向电压，反 向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电 流会突然增大；反向饱 和电流这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降 低后，还可恢复正常。击穿 电压 U(BR)33河北工程大学 信电学院电子技术基础*333. 伏安特性表达式(二极管方程)IS ：反向饱和电流UT ：温度的电压当量在常温(300 K)下，UT 26