模擬電子和數(shù)字電子講課簡要

模擬電子和數(shù)字電子講課簡要第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。光敏器件二極管第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體

將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。價(jià)電子共價(jià)鍵圖1.1.1本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度T=0

K時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T

，將有少數(shù)價(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（動(dòng)畫1-1）（動(dòng)畫1-2）第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征激發(fā)復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱為電子-空穴對(duì)。

3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi

表示，顯然ni

=pi

。

4.由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五本征半導(dǎo)體摻入5價(jià)元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n>>p。

電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，

空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。5價(jià)雜質(zhì)原子稱為施主原子。第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.3

N型半導(dǎo)體第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五二、P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。

3價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.4

P型半導(dǎo)體第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五說明：

1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)圖PN結(jié)的形成一、PN結(jié)的形成1.1.3

PN結(jié)第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

2.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?！狿N結(jié)，耗盡層。PN（動(dòng)畫1-3）第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差Uho

——電位壁壘；——

內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散——

阻擋層。

4.漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動(dòng)—漂移。少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反阻擋層第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，PN結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)稱結(jié)即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。PN不對(duì)稱結(jié)第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。圖1.1.6PN什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?？有什么作用？?6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五在PN結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。2.PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏)反向接法時(shí)，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流I

；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五耗盡層圖1.1.7

PN結(jié)加反相電壓時(shí)截止反向電流又稱反向飽和電流。對(duì)溫度十分敏感，

隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

（動(dòng)畫1-4）

（動(dòng)畫1-5）綜上所述：可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴５?9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五四、PN結(jié)的伏安特性

i=f

(u

)之間的關(guān)系曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性圖1.1.10

PN結(jié)的伏安特性反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五五、PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時(shí)，PN結(jié)中儲(chǔ)存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容1.勢(shì)壘電容Cb是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。(a)PN結(jié)加正向電壓（b)PN結(jié)加反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。由于PN結(jié)寬度l隨外加電壓u而變化，因此勢(shì)壘電容Cb不是一個(gè)常數(shù)。其Cb=f(U)

曲線如圖示。OuCb圖1.1.11（b)第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.擴(kuò)散電容CdQ是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。在某個(gè)正向電壓下，P區(qū)中的電子濃度np(或N區(qū)的空穴濃度pn)分布曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P與耗盡層的交界處當(dāng)電壓加大，np(或pn)會(huì)升高，如曲線2所示(反之濃度會(huì)降低)。OxnPQ12Q當(dāng)加反向電壓時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。Q正向電壓變化時(shí)，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程——擴(kuò)散電容效應(yīng)。圖1.1.12PNPN結(jié)第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五綜上所述：PN結(jié)總的結(jié)電容Cj

包括勢(shì)壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd

兩部分。Cb和Cd

值都很小，通常為幾個(gè)皮法~幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。當(dāng)反向偏置時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用，可以認(rèn)為Cj

Cb。一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為Cj

Cd；在信號(hào)頻率較高時(shí)，須考慮結(jié)電容的作用。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

1.1數(shù)字電路的基本概念5V(V)0t(ms)1020304050數(shù)字信號(hào)在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流。

一、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)——時(shí)間連續(xù)數(shù)值也連續(xù)的信號(hào)。如速度、壓力、溫度等。數(shù)字信號(hào)——在時(shí)間上和數(shù)值上均是離散的。如電子表的秒信號(hào)，生產(chǎn)線上記錄零件個(gè)數(shù)的記數(shù)信號(hào)等。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

有兩種邏輯體制：

正邏輯體制規(guī)定：高電平為邏輯1，低電平為邏輯0。

負(fù)邏輯體制規(guī)定：低電平為邏輯1，高電平為邏輯0。

下圖為采用正邏輯體制所表的示邏輯信號(hào)：二、正邏輯與負(fù)邏輯

數(shù)字信號(hào)是一種二值信號(hào)，用兩個(gè)電平（高電平和低電平）分別來表示兩個(gè)邏輯值（邏輯1和邏輯0）。

邏輯0

邏輯0

邏輯0

邏輯1

邏輯1

第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

三、數(shù)字信號(hào)的主要參數(shù)

一個(gè)理想的周期性數(shù)字信號(hào)，可用以下幾個(gè)參數(shù)來描繪：

Vm——信號(hào)幅度。

T——信號(hào)的重復(fù)周期。

tW——脈沖寬度。

q——占空比。其定義為：

5V(V)0t(ms)twTVm第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

圖中所示為三個(gè)周期相同（T=20ms），但幅度、脈沖寬度及占空比各不相同的數(shù)字信號(hào)。第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

1.2數(shù)制例1.2.1

將二進(jìn)制數(shù)10011.101轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。解：將每一位二進(jìn)制數(shù)乘以位權(quán)，然后相加，可得

(10011.101)B＝1×24＋0×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3

＝（19.625)D一、幾種常用的計(jì)數(shù)體制

1.十進(jìn)制(Decimal)

2.二進(jìn)制(Binary)

3.十六進(jìn)制(Hexadecimal)與八進(jìn)制（Octal）二、不同數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換

1．二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五例1.2.2

將十進(jìn)制數(shù)23轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。

解：用“除2取余”法轉(zhuǎn)換:

2.十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制則（23)D=（10111)B第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

1.3二—十進(jìn)制碼（BCD碼）

BCD碼——用二進(jìn)制代碼來表示十進(jìn)制的0～9十個(gè)數(shù)。

要用二進(jìn)制代碼來表示十進(jìn)制的0～9十個(gè)數(shù)，至少要用4位二進(jìn)制數(shù)。

4位二進(jìn)制數(shù)有16種組合，可從這16種組合中選擇10種組合分別來表示十進(jìn)制的0～9十個(gè)數(shù)。

選哪10種組合，有多種方案，這就形成了不同的BCD碼。

第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五位權(quán)0123456789十進(jìn)制數(shù)842100000001001000110100010101100111100010018421碼242100000001001000110100101111001101111011112421碼0011010001010110011110001001101010111100000000010010001101001000100110101011110054215421碼無權(quán)余3碼

常用BCD碼第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

1.4數(shù)字電路中的二極管與三極管(1)加正向電壓VF時(shí)，二極管導(dǎo)通，管壓降VD可忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。一、二極管的開關(guān)特性1．二極管的靜態(tài)特性第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個(gè)受外加電壓vi控制的開關(guān)。當(dāng)外加電壓vi為一脈沖信號(hào)時(shí)，二極管將隨著脈沖電壓的變化在“開”態(tài)與“關(guān)”態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就是二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性。(2)加反向電壓VR時(shí)，二極管截止，反向電流IS可忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。

第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性

給二極管電路加入一個(gè)方波信號(hào)，電流的波形怎樣呢？ts為存儲(chǔ)時(shí)間，tt稱為渡越時(shí)間。tre＝ts十tt稱為反向恢復(fù)時(shí)間第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五反向恢復(fù)時(shí)間：tre＝ts十tt產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因：反向恢復(fù)時(shí)間tre就是存儲(chǔ)電荷消散所需要的時(shí)間。

同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄒ残枰獣r(shí)間，這段時(shí)間稱為開通時(shí)間。開通時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間要小得多，一般可以忽略不計(jì)。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

二、三極管的開關(guān)特性1．三極管的三種工作狀態(tài)

（1）截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)VI小于三極管發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時(shí)，IB＝ICBO≈0，

IC＝ICEO≈0，VCE≈VCC，三極管工作在截止區(qū)，對(duì)應(yīng)圖中的A點(diǎn)。

三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件為：發(fā)射結(jié)反偏或小于死區(qū)電壓第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五工作狀態(tài)截止放大飽和條件工作特點(diǎn)偏值情況集電極電流管壓降近似的等效電路C、E間等效電阻

三種工作狀態(tài)比較發(fā)射結(jié)電壓＜死區(qū)電壓發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏很大相當(dāng)開關(guān)斷開可變很小相當(dāng)開關(guān)閉合第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

2．三極管的動(dòng)態(tài)特性（1）延遲時(shí)間td——從vi正跳變的瞬間開始，到iC上升到

0.1ICS所需的時(shí)間

（2）上升時(shí)間tr——iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需的時(shí)間。（3）存儲(chǔ)時(shí)間ts——從vi下跳變的瞬間開始，到iC下降到0.9ICS所需的時(shí)間。（4）下降時(shí)間tf——C從0.9ICS下降到0.1ICS所需的時(shí)間。

開通時(shí)間ton=td+tr關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五一、基本邏輯運(yùn)算設(shè)：開關(guān)閉合=“1”

開關(guān)不閉合=“0”

燈亮，L=1

燈不亮，L=0

1.5基本邏輯運(yùn)算

與邏輯——只有當(dāng)決定一件事情的條件全部具備之后，這件事情才會(huì)發(fā)生。1．與運(yùn)算與邏輯表達(dá)式：AB燈L不閉合不閉合閉合閉合不閉合閉合不閉合閉合不亮不亮不亮亮0101BLA0011輸入0001輸出

與邏輯真值表第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．或運(yùn)算或邏輯表達(dá)式：

L＝A+B

或邏輯——當(dāng)決定一件事情的幾個(gè)條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上條件具備，這件事情就發(fā)生。AB燈L不閉合不閉合閉合閉合不閉合閉合不閉合閉合不亮亮亮亮0101BLA0011輸入0111輸出

或邏輯真值表第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3．非運(yùn)算非邏輯表達(dá)式：

非邏輯——某事情發(fā)生與否，僅取決于一個(gè)條件，而且是對(duì)該條件的否定。即條件具備時(shí)事情不發(fā)生；條件不具備時(shí)事情才發(fā)生。A燈L閉合不閉合不亮亮LA0110非邏輯真值表第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

二、其他常用邏輯運(yùn)算2．或非

——由或運(yùn)算和非運(yùn)算組合而成。

1．與非

——

由與運(yùn)算和非運(yùn)算組合而成。0101BLA0011輸入1110輸出

“與非”真值表0101BLA0011輸入1000輸出

“或非”真值表第43頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3．異或

異或是一種二變量邏輯運(yùn)算，當(dāng)兩個(gè)變量取值相同時(shí)，邏輯函數(shù)值為0；當(dāng)兩個(gè)變量取值不同時(shí)，邏輯函數(shù)值為1。0101BLA0011輸入011