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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時，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)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。光敏器件二極管第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月+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)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖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，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月+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)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——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（動畫1-1）（動畫1-2）第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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)合動態(tài)平衡第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月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出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。

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)的運動，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)合運動會達(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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月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價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體摻入5價元素后，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個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個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價雜質(zhì)原子稱為施主原子。第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月+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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：

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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月在一塊半導(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，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

PN結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴散運動

2.擴散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動。——PN結(jié)，耗盡層。PN（動畫1-3）第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月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)電場阻止多子的擴散——

阻擋層。

4.漂移運動內(nèi)電場有利于少子運動—漂移。少子的運動與多子運動方向相反阻擋層第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月5.擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減小；隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；當(dāng)擴散電流與漂移電流相等時，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。對稱結(jié)即擴散運動與漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡。PN不對稱結(jié)第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)外加正向電壓時處于導(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，有利于擴散運動，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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月在PN結(jié)加上一個很小的正向電壓，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)外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏)反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡層圖1.1.7

PN結(jié)加反相電壓時截止反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，

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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，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)。

（動畫1-4）

（動畫1-5）綜上所述：可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月五、PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)中儲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)包括兩部分勢壘電容擴散電容1.勢壘電容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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月空間電荷區(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，因此勢壘電容Cb不是一個常數(shù)。其Cb=f(U)

曲線如圖示。OuCb圖1.1.11（b)第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.擴散電容CdQ是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，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)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12Q當(dāng)加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。Q正向電壓變化時，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——擴散電容效應(yīng)。圖1.1.12PNPN結(jié)第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述：PN結(jié)總的結(jié)電容Cj

包括勢壘電容Cb和擴散電容Cd

兩部分。Cb和Cd

值都很小，通常為幾個皮法~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，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為Cj

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

Cd；在信號頻率較高時，須考慮結(jié)電容的作用。第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

一、模擬信號與數(shù)字信號模擬信號——時間連續(xù)數(shù)值也連續(xù)的信號。如速度、壓力、溫度等。數(shù)字信號——在時間上和數(shù)值上均是離散的。如電子表的秒信號，生產(chǎn)線上記錄零件個數(shù)的記數(shù)信號等。第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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：二、正邏輯與負(fù)邏輯

數(shù)字信號是一種二值信號，用兩個電平（高電平和低電平）分別來表示兩個邏輯值（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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、數(shù)字信號的主要參數(shù)

一個理想的周期性數(shù)字信號，可用以下幾個參數(shù)來描繪：

Vm——信號幅度。

T——信號的重復(fù)周期。

tW——脈沖寬度。

q——占空比。其定義為：

5V(V)0t(ms)twTVm第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中所示為三個周期相同（T=20ms），但幅度、脈沖寬度及占空比各不相同的數(shù)字信號。第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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0～9十個數(shù)。

要用二進(jìn)制代碼來表示十進(jìn)制的0～9十個數(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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月位權(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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個受外加電壓vi控制的開關(guān)。當(dāng)外加電壓vi為一脈沖信號時，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。這個轉(zhuǎn)換過程就是二極管開關(guān)的動態(tài)特性。(2)加反向電壓VR時，二極管截止，反向電流IS可忽略。二極管相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)。

第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2二極管開關(guān)的動態(tài)特性

給二極管電路加入一個方波信號，電流的波形怎樣呢？ts為存儲時間，tt稱為渡越時間。tre＝ts十tt稱為反向恢復(fù)時間第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月反向恢復(fù)時間：tre＝ts十tt產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因：反向恢復(fù)時間tre就是存儲電荷消散所需要的時間。

同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄒ残枰獣r間，這段時間稱為開通時間。開通時間比反向恢復(fù)時間要小得多，一般可以忽略不計。第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，IB＝ICBO≈0，

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

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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月工作狀態(tài)截止放大飽和條件工作特點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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

0.1ICS所需的時間

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

開通時間ton=td+tr關(guān)斷時間toff=ts+tf第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本邏輯運算設(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，這件事情才會發(fā)生。1．與運算與邏輯表達(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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2．或運算或邏輯表達(dá)式：

L＝A+B

或邏輯——當(dāng)決定一件事情的幾個條件中，只要有一個或一個以上條件具備，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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3．非運算非邏輯表達(dá)式：

非邏輯——某事情發(fā)生與否，僅取決于一個條件，而且是對該條件的否定。即條件具備時事情不發(fā)生；條件不具備時事情才發(fā)生。A燈L閉合不閉合不亮亮LA0110非邏輯真值表第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、其他常用邏輯運算2．或非

——由或運算和非運算組合而成。

1．與非

——

由與運算和非運算組合而成。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，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3．異或

異或是一種二變量邏輯運算，當(dāng)兩個變量取值相同時，邏輯函數(shù)值為0；當(dāng)兩個變量取值不同時，邏輯函數(shù)值為1。0101BLA0011輸入0110