模拟电子技术基础-第1章绪论-课件.ppt

第一章 半导体基础知识,武汉理工大学信息工程学院电子技术基础课程组,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,引言,什么是电子技术电子技术就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。电子技术课程体系（一年内学完）模拟电子技术基础模拟电子技术实验模拟电子技术课程设计数字电子技术基础数字电子技术实验数字电子技术课程设计,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,引言,选用教材模拟电子技术基础 武汉理工大学电子技术课程组编 吴友宇 伍时和 凌玲主编清华大学出版社2010年3月 第二次印刷（第一次印刷的错误较多）,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,引言,主要参考书,模拟电子技术基础 童诗白、华成英 主编 高等教育出版社 电子技术基础 模拟部分 康华光 主编 高等教育出版社出版晶体管电路设计 2004年 日本 铃木雅臣 主编 周南生译 科学出版社模拟电子技术基础习题集 陈大钦 主编 高等教育出版社,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,引言,作业问题每周三交作业，只改1/2，作业1/3不交者不能参加考试。实验问题找实验老师商定实验时间，一般5周后开始做实验，实验前要求写好预习报告，预习报告内容本次实验名称实验目的实验电路原理实验步骤,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,引言,课堂笔记要求每人准备一个笔记本，上课做笔记，后面的内容我板书。课堂练习模电素有“魔鬼模电”之称。上课必须带纸带笔，电子技术课程较难学，为解决大家做题难的问题，除了上课多讲些例题外，还要经常做些课堂练习。自备小型工具为了提高电类学生的动手能力，要求所有同学每人自备一套小工具电烙铁、剪刀、起子、镊子、万用表课余时间大家自己动手，制作一些简单的电子电路,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,课程重要性可从全国大学生学科竞赛中体现，两门竞赛：数学建模和电子设计竞赛。已毕业学生反映电子技术课程是工作中最为有用的课程。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,第1章 半导体基础知识,本章主要内容1.1 电子技术的发展简史1.2 电子技术的应用1.3 电子系统与信号1.4 半导体基础知识1.5 PN结,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.1 电子技术发展简史,进入21世纪，人们面临的是以微电子技术、计算机技术和网络技术为标志的信息化社会。都是电子技术的后续学科电子技术无处不在。收录机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、个人电脑、手机、U盘、MP3、大规模的工业流水线、网络和通信设备、汽车电子设备、机器人、导弹、航天飞机、宇宙探测器等。可以说没有电子技术，现代生活无法想象。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,在1904年美国人弗莱明（John Ambrose Fleming）利用热电子发射效应制成了真空电子二极管，并证实了电子二极管具有“单向导电性”功能，它首先被用于无线电检波。该事件的发生标志着电子学的诞生。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1906年美国的德弗雷斯（Lee de Forest，18731961）在弗莱明的二极管中放进了第三个电极栅极而发明了真空电子三极管，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，三极管在电子技术中立下了很大功劳；但是真空电子管毕竟成本高、制造繁、体积大、耗电多。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,二、电子学的发展电子管,真空电子二极管具有“单向导电性”功能，他首先被用于无线电检波。真空电子三极管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,贝尔研究所的肖克利（William B.Shockley）、巴丁（John Bardeen）、布拉顿（Walter H.Brattain）等多位科学家通过不断的努力和多次试验，终于在1947年12月23日，圣诞节的前一天晶体管诞生了。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,二、电子学的发展晶体管由于晶体管的发明，肖克利、巴丁和布拉顿荣获1956年度的诺贝尔物理学奖。,晶体管 20 世纪在电子技术方面最伟大的发明。推动了信息革命，改变了人类工作和生活方式。大多数领域晶体管已取代了电子管。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,二、电子学的发展晶体管半导体三极管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。尽管晶体管在体积、重量等方面性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,二、电子学的发展集成电路1959年，美国TI公司的科尔比（Jack S.Kilby）、美国仙童公司的诺伊斯（Noyis）将平面技术、照相腐蚀技术和布线技术组合起来，制成了人类历史上第一片集成电路样品。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。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1959年第一片集成电路样品诞生。2000年的10月10日，77岁的杰克科尔比（Jack S.Kilby）获得2000年的诺贝尔物理学奖。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,目前，单片集成电路上器件可达成千上万。例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。集成电路按集成度可分作(1)小规模集成电路（SSI）102(2)中规模集成电路（MSI）103(3)大规模集成电路（LSI）105(4)超大规模集成电路(VLSI)105 当前，微电子已成为最具有发展前途的产业，微电子技术水平已成为衡量一个国家技术水平的重要标志。,1.1 电子技术发展简史,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,电子技术在人们生活中的应用,手机,数码相机,U盘,数字电视机,1.2 电子技术的应用,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,电子技术在汽车中的应用,1.2 电子技术的应用,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.2 电子技术的应用,电子技术在网络中的应用,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.2 电子技术的应用,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,什么是模拟电子技术模拟电子技术是讨论模拟信号的产生和处理什么是模拟信号？这种信号在时间和数量上都是连续的。如针对加热炉温度波动曲线T(t)(图1.1.3)，用高温毫伏计传感模拟和放大电路输出的(t),电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,数字信号这种信号在时间和数量上都是离散的。内容,历届学生反映这门课内容繁杂、新概念多，为了便于学习大家了解课程结构，介绍学习内容、重点章节。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,学习方法这门课程的地位：介于基础课和专业课之间，是一门重要的专业基础课基础课专业基础课专业课这门课处于一个转折点，在某些观念上上不同于过去学过的基础课，希望大家尽快适应。基础课用的是理想模型，而电子技术课是一门实践性很强的课程，在平时对实际问题的分析要建立工程观点，对于实际问题的计算不再要求非常精确。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,要建立工程观念、工程意识比如在电工中计算的电阻是理想电阻315.1欧姆，在实际使用中有没有这样标称的电阻呢？没有！在电子技术中，我们运用工程观点，将这个电阻用300欧姆电子替代。而且一个电阻，它不再以一个纯电阻形式出现，也可能电阻中有电感，电感中有电阻。所以，这门课我们强调的不是精确计算而是工程上的近似计算，一般工程上允许10%的误差，,允许忽略,不允许忽略,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,建立实践观念设计的电路可行不可行，只有通过实践去检验。实际做得出，可行！否则，不可行！这门课的实用性很强，应配合简单电子小制作电子音乐门铃，防盗器、电子钟等等。有些同学要问：是不是会装收音机？学完这门课后，只可得懂收音机的部分电路图；因为收音机的内容设计高频电子线路问题，我们这门课不能解决。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,抓好三基学习（基本概念、基本放大电路、基本分析方法）内容繁杂新概念很多，一会讲到这，一会讲到那，不知道怎么回事，而且它分析问题的方法与以前不同。所以大家学习时，紧扣基本概念，熟练掌握这门课的分析方法熟练记忆一些基本公式,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,预备知识这门课与电路课程联系紧密分压、分流戴维南定律 任何一个线性含源二端网络N，就其两个端钮a、b来看，总可以用一个电压源串联电阻支路来等效，电压源的电压等于该网络的开路电压，其串联电阻等于该网络所有独立源为零值时，所得网络N的等效内阻。诺顿定律任何一个线性含源二端网络N，也可以简化为一个电流源并联电阻等效电路，这个电流源的电流等于该网络的短路电流，并联电阻等于该网络所有独立源为零值时，所得网络N的等效内阻。电容电容对直流相当于开路。电容对交流频率较高时，相当于短路。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,学习内容电子技术的三个方面电子器件电子电路分立元件电路集成电路电子系统电子系统通常是指由若干相互联接、相互作用的 基本电路组成的具有特定功能的电路整体。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.3 电子系统与信号,电子电路的分类模拟电路处理模拟信号的电子电路称为模拟电路模拟信号：在时间和幅值上均为连续的信号典型代表：正弦波数字电路处理数字信号的电子电路称为数字电路数字信号：在时间和幅值上均为不连续的、突变的信号（在数字电路中常用0和1表示）典型代表：方波、脉冲波,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4 半导体基本知识,本节主要内容1.4.1本征半导体1.4.2杂质半导体1.4.3 载流子的漂移运动和扩散运动,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.1 本征半导体,导体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.1 本征半导体,半导体的导电性能是由其原子结构决定的。,图3.1.2 硅和锗的原子结构简化模型,图3.1.1 硅和锗的共价键结构图,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.1 本征半导体,基本概念本征半导体：完全纯净的、不含其他杂质且排列整齐的半导体。本征激发：在温度作用下，束缚电子脱离共价键而形成自由电子，并在原来的位置上形成空穴的过程。空穴：当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做空穴。半导体中有两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.1 本征半导体,基本概念本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子-空穴对。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。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。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。（热敏性）,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.1 本征半导体,空穴,自由电子,图3.1.3 空穴电子对的产生,由于热激发而产生自由电子，自由电子移走后留下空穴。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.1 本征半导体,图3.1.4 电子与空穴的移动,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.2 杂质半导体,基本概念本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体有两种：N（电子）型半导体和P（空穴）型半导体。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.2 杂质半导体,N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价元素（杂质），如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，而五价杂质原子因提供了自由电子故也称为施主杂质。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.2 杂质半导体,N型半导体,施主正离子,多余的电子,图3.1.5 N型半导体的共价键结构,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.2 杂质半导体,P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价元素（杂质），如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。因3价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.2 杂质半导体,P型半导体,受主原子,图3.1.6 P型半导体的共价键结构,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.4.2 杂质半导体,有关杂质半导体的几点说明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。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。（掺杂性）杂质半导体总体上保持电中性。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.1 PN结的形成,PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散和漂移，在它们的交界面处就形成了PN结。扩散运动：载流子从浓度较高的区域向浓度低的区域的运动，形成的电流称为扩散电流。漂移运动：在电场力的作用下，载流子从浓度低的区域向浓度高的区域的定向运动，形成的电流称为漂移电流。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.1 PN结的形成,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,图3.2.1 载流子的扩散和漂移运动,空间电荷区,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.1 PN结的形成,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.1 PN结的形成,当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。此时PN结达到动态稳定！,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.2 PN结的单向导电性,PN结的单向导电性正向导通反向截止在PN结加上正向电压或正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。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。PN结加上反向电压或反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。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。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.2 PN结的单向导电性,P,N,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大,图3.2.2 PN结正向偏置,+,_,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.2 PN结的单向导电性,反向饱和电流很小，A级,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小,图3.2.3 PN结反向偏置,P,N,+,_,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1.5.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压或正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加正向电压导通,PN结加上反向电压或反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。PN结加反向电压截止,