1、电子技术概貌：,电子技术应用领域：,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机 网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器 工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床 交通：飞机、火车、轮船、汽车 军事：雷达、电子导航 航空航天：卫星定位、监测 医学：刀、CT、B超、微创手术 消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子器件发展历程：,电子管晶体管集成电路大规模集成电路 超大规模集成电路,1904年 电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,1947年 贝尔实验室第一只晶体管 1958年 德州仪器公司第一块集成电路
2、1969年 大规模集成电路 1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。,现代电子器件的鼻祖,第一只晶体管的发明者 （by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）,他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,第一个集成电路及其发明者 （ Jack
3、 Kilby from TI ）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。,模电与数电：,自然界中的物理量有两大类：模拟量和数字量,？,模拟量,模拟信号,模拟电路,模拟电子技术,？,数字量,数字信号,数字电路,数字电子技术,电子系统：,从电路板产生来看学习要求与教学环节,确定电路功能与要求,电路结构设计,电路参数计算,元件选型,电路可行性分析,计算机仿真,制板制作,调试与测试,掌握电子技术基本概念,掌握各功能电路结构,掌握各类定性分析方法,掌握各类参数估算方法,熟悉各
4、类元器件外特性,熟悉EDA软件,熟悉制板软件,培养动手操作能力,熟悉电子仪器仪表,课堂教学,实验教学,电子实习,课程设计,第1章 半导体二极管及其应用电路,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,小 结,1.3 稳压二极管,1.4 二极管典型应用电路,1.5 辅修内容,包含半导体元件,你想知道吗？,电子电路,你知道吗？,1.1 半导体基础知识,1.1.1 半导体材料及其特性,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结,1.1.1 半导体材料及其特性,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体 ,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,从
5、导电性来分类，物体可分为：,共价键结构,2. 本征半导体的共价键结构,导体、绝缘体、半导体,1. 半导体的特殊性质热敏性、光敏性、掺杂性,硅(锗)的原子结构,简化模型,硅(锗)的共价键结构,(束缚电子),硅,锗,本征半导体的晶体结构,本征激发：,复合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空穴的过程。,3. 本征半激发与复合,空穴可在共 价键内移动,本证激发与复合是一对相反的运动！,半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,两种载流子的运动：,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动
6、,载流子 ,运载电荷的粒子（带电粒子）,本征半导体中的电流是两个电流之和,电子电流、空穴电流,自由电子带负电，空穴带正电。,结论：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,4.、 温度对本征半导体中载流子的影响,载流子的浓度随温度的升高而增加。,动态平衡本征激发与复合运动最终要达到动态平衡。,N 型,磷原子,多余电子,载流子数 电子数,1. N 型半导体,在本征半导体中掺入微量的5价杂质元素,空穴少子（少数载流子）,电子多子（多数载流子）,多余电子,杂质原子为施主原子,正离子带正电，不能移动,1
7、.1.2 杂质半导体,P 型,硼原子,空位,空穴多子（多数载流子）,电子少子（少数载流子）,载流子数 空穴数,2. P 型半导体,在本征半导体中掺入微量的3价杂质元素,空位电中性,杂质原子为受主原子,负离子带负电，不能移动,区分N型半导体和P型半导体！,4. 杂质半导体的导电作用,I,IP,IN,I = IP + IN,N 型半导体 I IN,P 型半导体 I IP,3. 杂质半导体中载流子的浓度,5. P 型与N 型半导体的简化示意图,P型,N型,少数载流子（少子）自由电子,多数载流子（多子）（空穴）,负离子,多数载流子（多子）自由电子,少数载流子（少子）空穴,正离子,【问题引导】N型、P型
8、半导体多子是什么，少子是什么？,负离子、或正离子是怎么形成的？,1.1.3 PN 结,1. PN 结(PN Junction)的形成,扩散运动由于载流子浓度差而引起的运动,复合使交界面形成空间电荷区,空间电荷区、耗尽层、阻挡层、PN结,内电场,漂移运动载流子在电场力作用下的运动,扩散和漂移达到动态平衡：,扩散电流 等于漂移电流，,总电流 I = 0。,PN结是怎么形成的？,内电场,外电场,外电场抵消内电场 使空间电荷区变窄 有利于扩散运动 不利于漂移运动,扩散运动加强形成正向电流 IF,2. PN 结的单向导电性,(1) PN结外加正向电压时处于导通状态,正向电压、正向接法、正向偏置、正偏,P
9、N 结的单向导电性： 正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR = I少子 0,(2) PN结外加反向电压时处于截止状态,反向电压、反向接法、反向偏置、反偏,反向饱和电流 Is ,内电场,外电场,外电场与内电场同向 使空间电荷区变宽 有利于漂移运动 不利于扩散运动,【问题引导】什么是PN结的单向导电性？,3. PN 结的伏安特性,反向饱和电流,温度 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,正向特性,反向击穿,加正向电压时,加反向电压时,iIS,IS,PN结具有单向导电性！,反向击穿，
10、反向击穿电压,雪崩击穿当耗尽层宽度较宽时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞击出共价键，产生电子空穴对，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加。,内电场,P型,N型,自由电子漂移,撞击价电子,内电场,P型,N型,价电子被拉出变成自由电子,齐纳击穿当耗尽层宽度很小时，不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，致使电流急剧增加。,4. PN结的电容效应 Cj=Cb+Cd,势垒电容Cb空间电荷区的宽度和空间电荷的数量随外加电压而变化，如同电容的充放电过程。 外加反向电压时，势垒电容占主导。,内电场,P型,
11、N型,等效电容极板,等效充电电荷,常把PN结当电容使用！,4. PN结的电容效应 Cj=Cb+Cd,内电场,P型,N型,等效电容极板,等效充电电荷,扩散电容CdPN结在正偏时，在外电场的作用下，靠近耗尽层交界面的地方，少子的浓度高，且向远离耗尽层的地方扩散。扩散区内电荷的积累与释放如同电容的充放电过程。 外加正向电压时，扩散电容占主导；,5. PN节的温度特性,无论是正偏还是反偏，当温度升高时，电流增加,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构类型,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.4 二极管的主要参数,1.2.3 二极管的势垒电容与扩散电容,1.2.5 二极管等效电路,1.2.1
12、二极管的结构与类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),符号：,A,(anode),C,(cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,阳极,阴极,阳极,阴极,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,1.2.2 二极管的伏安特性,1. 二极管结电流方程,反向饱和电流,温度 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当
13、T = 300(27C)：,UT = 26 mV,二极管实质就是一个PN结！,2. 二极管的伏安特性曲线,正向特性,Uth,开启 电压,U Uth时， iD 急剧上升,0 U Uth时 ，iD = 0,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0时, iD = IS,U U(BR) 时，反向电流急剧增大(反向击穿),IS,反向饱和电流,击穿 电压,记得对二极管限流！,不要让二极管击穿了！,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击
14、使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,3. 温度对二极管特性的影响,60,40,20, 0.02,0,0.4,25,50,iD / mA,uD / V,20C,90C,T 升高时，,UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降,【问题引导】温度变化会导致半导体元件的一些参数发生变化！,Cj=Cb+Cd,（1）势垒电容Cb空间电荷区的宽度和空间电荷的数量随外加电压而变化，如同电容的充放电过程。外加反向电压时，势垒电容占主导。,内电场,P型,N型,等效
15、电容极板,等效充电电荷,1.2.3 二极管的势垒电容与扩散电容,4. PN结的电容效应 Cj=Cb+Cd,内电场,P型,N型,等效电容极板,等效充电电荷,（2）扩散电容CdPN结在正偏时，在外电场的作用下，靠近耗尽层交界面的地方，少子的浓度高，且向远离耗尽层的地方扩散。扩散区内电荷的积累与释放如同电容的充放电过程。外加正向电压时，扩散电容占主导。,1.2.4 二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压， 为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(越小单向导电性越好),2. fM 最高工作频率 (超过时单向导电性变差),4. RD 直流电阻
16、,1. rd 交流电阻,直流参数：,交流参数：,影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,结论： 1. 低频时，因结电容很小，容抗很大，结电容对 二极管影响很小。高频时，因结电容容抗减小，使结电容分流，导致二极管单向导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。,高频信号时，必须考虑二极管的电容效应！,1.2.5 二极管等效电路,1. 理想二极管模型,特性,符号及 等效模型,正偏导通，uD = 0, rd = 0,反偏截止， iD = 0 , rd = ,2. 二极管的恒压降模型（理想二极管串联电压源模型）,UD(on),uD = UD(on),0.7 V (Si),0.3 V (Ge)
17、,导通时,3. 二极管的折线化模型,Uon,斜率1/ rd,rD,Uon,导通时 uD=Uon+rdid 截止时 id=0,二极管的动态电阻,4. 二极管的低频小信号模型,二极管的动态电阻反映了静态工作点 附近微变电压和微变电流的动态关系,根据,得,IDmA,iD=ID+id,iD全电流,ID直流分量,id交流分量,步骤：,1. 设定工作电压(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ ),2. 确定工作电流(如 1 mA；10 mA；5 mA),3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID,(R 要选择标称值),1.2.6 选择二极管限流电阻,记得对二极管限流！,半导体二极管的型号
18、（补充）国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2 A P 9用数字代表同类型器件的不同型号用字母代表器件的类型，P代表普通管用字母代表器件的材料，A代表N型GeB代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si2代表二极管，3代表三极管,1.3 稳压二极管,1.3.1 稳压二极管的工作原理,1.3.2 稳压二极管的主要参数,1.3.3 稳压电路,符号,工作条件：反向击穿,1.3.1 稳压二极管的工作原理,伏安特性,【问题引导】稳压二极管的工作区是？,稳压二极管起稳压作用是工作在反向击穿区！,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,1.3.2 稳压二极管的主要参数,1. 稳定电压 UZ 流过规
19、定电流时 稳压管两端的反向电压值。,2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好 小于 IZ 时不稳压。,3. 最大工作电流 IZM最大耗散功率 PZM,P ZM = UZ IZM,4. 动态电阻 rZ,rZ = UZ / IZ,越小稳压效果越好。,几 几十 ,5. 稳定电压温度系数 CT,UZ 4 V，CTV 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数；,UZ 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；,4 V UZ 7 V，CTV 很小。,1.3.3 稳压电路,稳压原理：UI UOIZURUO,记得让稳压二极管工作在反向击穿区！但要限流！,1.4 二极管典型应用电路,1. 二极管的整流与检波,2.
20、 二极管限幅,3. 二极管钳位电路,4. 二极管在电路中的应用,5. 稳压管基本稳压电路,1. 二极管整流,半波整流,例1.1(a) uI为正弦波输入信号，试画出uO的波形。,【问题引导】当uI幅值只有几毫伏时，也能整流吗？,全波整流,例1-1(b) uI为正弦波输入信号，试画出uO的波形。,正半周是利用哪一交流电压整流？,负半周是利用哪一交流电压整流？,2. 二极管限幅,例1-2 已知电路和 ui，试画出电压传输特性和uo的波形。,解：,设为理想二极管，,3. 二极管钳位,例1-3 (选讲)已知电路，输入波形为矩形波，试画出输出波形。,解：,设为理想二极管，,例1-4 二极管构成“门”电路，
21、设 D1、D2 导通压降为0.7V，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 3 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。,0 V,正偏 导通,5 V,正偏 导通,4. 二极管逻辑电路-二极管的优先导通,0 V,0 V,正偏 导通,正偏 导通,0.7 V,0 V,3 V,正偏 导通,反偏 截止,0 .7V,3V,0 V,反偏 截止,正偏 导通,0.7 V,3 V,3 V,正偏 导通,正偏 导通,3.7 V,5. 稳压管稳压电路,例1-5 稳压电路和波形如图所示，画出输出电压波形。,稳压原理：UI UOIZURUO,解：,UD(on),例A 下图电路中，硅二极管，R = 2 k，分别
22、用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。,理想模型,恒压降模型,实际电路,解,1. VDD = 2 V,理想,IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA),UO = VDD = 2 V,恒压降,UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V),IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA),2. VDD = 10 V,理想,IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA),恒压降,UO = 10 0.7 = 9.3 (V),IO = 9.3 / 2 = 4.65 (m
23、A),VDD 大，采用理想模型 VDD 小，采用恒压降模型,例B 试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值。,解：假设二极管断开,UP = 15 V,UP UN,二极管导通,采用恒压降模型，二极管等效为 0.7 V 的恒压源,P,N,记得先判断：二极管导通吗？,UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V),IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA),I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA),I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA),例C 画出硅二极管
24、构成的桥式整流电路在 ui = 15sint (V) 作用下输出 uO 的波形。,(按理想模型),例D ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。,ui 较小，宜采用恒压降模型,ui 0.7 V,D1、D2 均截止,uO = ui,uO = 0.7 V,ui 0.7 V,D2 导通 D截止,ui 0.7 V,D1 导通 D2 截止,uO = 0.7 V,思考题:,【问题引导】若在D1、D2 支路各串联恒压源，输出波形如何？,例F 分析简单稳压电路的工作原理， R 为限流电阻。,IR = IZ + IL,UO= UI IR R,练习：已知 ui = 4 sin t (V)，二极管为
25、理想二极管，画出uo的波形。,1.5 辅修内容,1.5.1 发光二极管,1.5.2. 光电二极管,1.5.1 发光二极管 LED (Light Emitting Diode),1. 符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十 mA，导通电压 (1 2) V,符号,特性,外形,符号,应用,2. 主要参数,电学参数：I FM ，U(BR) ，IR,光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 ,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通 LED ，,不可见光：红外光,点阵 LED,七段 LED ,1.5.2 光电二极管,1符号和特性,符号,特性,工作条件：反向偏置,2. 主要参数,电学参数
26、：,暗电流，光电流，最高工作范围,光学参数：,光谱范围，灵敏度，峰值波长,实物照片,辅修： 图解法和微变等效电路法,一、二极管电路的直流图解分析,uD = VDD iDR,iD = f (uD),1.2 V,100 ,M,N,斜率 1/R,静态工作点,斜率1/RD,也可取 UQ = 0.7 V,IQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA),二极管直流电阻 RD,1.2 V,100 ,M,N,斜率 1/R,静态工作点,二、交流图解法,电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分,C 隔直流 通交流,当 ui = 0 时,iD = IQ,UQ= 0.7 V (硅)，0.3 V (锗
27、),设 ui = sin wt,VDD,VDD/ R,Q,IQ,UQ,斜率1/rd,VDD,VDD/ R,Q,IQ,UQ,id,斜率1/rd,rd = UT / IQ= 26 mV / IQ,当 ui 幅度较小时， 二极管伏安特性在 Q点附近近似为直线,三、微变等效电路分析法,对于交流信号 电路可等效为,例：ui = 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k，求 iD 和 uD。,解,1. 静态分析,令 ui = 0，取 UQ 0.7 V,IQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mA,2. 动态分析,rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 (),IdM= UdM
28、/ rd= 5 /8 0.625 (mA),id = 0.625 sint,3. 总电压、电流,= (0.7 + 0.005 sint ) V,= (3.3 + 0.625 sint ) mA,一、两种半导体和两种载流子,两种载流 子的运动,电子, 自由电子,空穴, 价电子,两 种 半导体,N 型 (多电子),P 型 (多空穴),二、二极管,1. 特性, 单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,小 结,2. 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响),IS,3. 二极管的等效模型,理想模型 (大信号状态采用),正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压 UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(on) = (0.6 0.8) V,估算时取 0.7 V,硅管：,锗管：,(0.2 0.4) V,0.3 V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源 UD(on),4. 二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5. 特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光电二极管,反 偏,光电转换,
