模拟电子技术(第三版)江晓安版-第一章ppt课件.ppt
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1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础西电出版社西电出版社教材:教材:模拟电子技术模拟电子技术(第三版)(第三版)作者:江晓安作者:江晓安专业基础课课程体系专业基础课课程体系(低频电子线路)(低频电子线路)(计算机硬件)(计算机硬件)微机原理、单片机微机原理、单片机等等高频电子线路高频电子线路等等电路电路数电数电考研课考研课电子技术(模电、数电)、信号与系统电子技术(模电、数电)、信号与系统数字信号处理数字信号处理语音信号处理语音信号处理图像信号处理图像信号处理等等模电模电信号与系统信号与系统专业基础课专业基础课专业课专业课学位课学位课模拟电子技术基础模拟电子技术基础概述概述:四、难点:四、难点:1
2、.器件非线性、交直流共存器件非线性、交直流共存 2.“近似近似”处理处理(突出主要矛盾突出主要矛盾,简化实际问题简化实际问题)三、课程特点:三、课程特点:物理、高数、电路物理、高数、电路.高频、数电高频、数电学习电子元器件种类、结构、参数、原理学习电子元器件种类、结构、参数、原理学习基本电路工作原理、分析方法、指标计算学习基本电路工作原理、分析方法、指标计算二、先修课:二、先修课: 后续课:后续课: 性质性质: :入门性质的专业基础课入门性质的专业基础课( (考研课、学位课考研课、学位课) ) 任务:任务:一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务熟悉常用电子仪器的原理、使用及电路的测试熟悉常用
3、电子仪器的原理、使用及电路的测试 方法方法1、工程性:近似计算、工程性:近似计算 2、实践性:电路测试、故障判断和排除、仿真、实践性:电路测试、故障判断和排除、仿真3.概念多、电路多、分析方法多概念多、电路多、分析方法多五、分析方法五、分析方法 1.电路课程:严密推导、精确计算电路课程:严密推导、精确计算3.掌握器件外特性和使用方法,不过分追究内部机理。掌握器件外特性和使用方法,不过分追究内部机理。4.重视实践环节重视实践环节(实验实验)。归纳归纳12个字:个字: 定性分析定性分析 定量估算定量估算 实验调整实验调整2.非线性器件在非线性器件在一定条件下一定条件下线性使用线性使用(注意其条件注
4、意其条件)。电路识图、判断作用、波形失真、是否自激电路识图、判断作用、波形失真、是否自激23位有效位位有效位通过调整达到指标要求通过调整达到指标要求 模电课程:模电课程:近似处理近似处理,有时图解,有时图解 (1)问题复杂,未知参数多问题复杂,未知参数多 (2)器件分散性器件分散性 (3)寄生电容、引线电感寄生电容、引线电感 (4)RC标称值与实际误差标称值与实际误差掌握掌握“近似近似”的方法的方法 (不片面强调不片面强调“精确精确”) (困难困难且且不不实用实用)六、本课程的能力要求六、本课程的能力要求1. 会看:定性分析会看:定性分析2. 会算:定量估算会算:定量估算分析问题的能力分析问题
5、的能力3. 会选:电路形式、器件、参数会选:电路形式、器件、参数4. 会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、仿真会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、仿真解决问题的能力设计能力解决问题的能力设计能力解决问题的能力实践能力解决问题的能力实践能力综合应用所学知识的能力综合应用所学知识的能力解题要求:解题要求:(1)抄题、抄图(描图);)抄题、抄图(描图); (2)各电压、电流要标明位置、方向、极性;)各电压、电流要标明位置、方向、极性;(3)按公式)按公式代数代数结果结果(含单位含单位)三步骤完成。三步骤完成。八、考核方法八、考核方法七、几点忠告七、几点忠告1.规范化规范化的工程师的基本训练(文字标识
6、、符号、实验)的工程师的基本训练(文字标识、符号、实验)2.不缺课,认真听,积极提问,会做笔记;不缺课,认真听,积极提问,会做笔记;4.认真作业认真作业(不应付不应付,不乱抄不乱抄),按时作业,按时作业(跟上进度跟上进度),自自查自纠查自纠;3.互相学习,多学多问,及时反馈意见;互相学习,多学多问,及时反馈意见;九、本课程不作要求的内容九、本课程不作要求的内容 电子技术的发展电子技术的发展从电子管从电子管半导体管半导体管集成电路集成电路1958年集成电年集成电路研制成功路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较电子管、晶体管、集成电路比较1958年只有年只有4个晶体管个晶体管1997年一芯片中有年
7、一芯片中有40亿个晶体管亿个晶体管1904年年电子管问世电子管问世1947年年晶体管诞生晶体管诞生第一只晶体管的发明者第一只晶体管的发明者(by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab)第一个集成电路及其发明者第一个集成电路及其发明者( Jack Kilby from TI ) 1958年年9月月12日,在德州仪器公司日,在德州仪器公司的实验室,实现了把电子器件集成在的实验室,实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。一块半导体材料上的构想。42年后,年后,于于2000年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物
8、理学奖。 贝尔实验室三名科学家在贝尔实验室三名科学家在1947年年11月底发明了晶体管,月底发明了晶体管,1956年因年因此获得诺贝尔物理学奖。此获得诺贝尔物理学奖。 巴因所做的超导研究于巴因所做的超导研究于1972年年第二次获得诺贝尔物理学奖。第二次获得诺贝尔物理学奖。值得纪念的几位科学家!值得纪念的几位科学家! 半导体半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质。导电性介于导体与绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体纯净的晶体结构的半导体。纯净的晶体结构的半导体。1. 什么是半导体?什么是本征半导体?什么是半导体?什么是本征半导体? 导体导体最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动,最外层电子在
9、外电场作用下容易产生定向移动, 多为低价金属元素,如铁、铝、铜等。多为低价金属元素,如铁、铝、铜等。 绝缘体绝缘体原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,很原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,很 难导电。如惰性气体、橡胶、陶瓷等。难导电。如惰性气体、橡胶、陶瓷等。 半导体半导体最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体 之间。是四价元素,如硅(之间。是四价元素,如硅(SiSi)、锗()、锗(GeGe)。)。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构1.1.1 本征半导体本征半导体1.1 半导体基础知识半导体基础知识第一章第一章 半导体器件半导体器件2. 本征半导
10、体的结构本征半导体的结构由于热运动,具有足够能量由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴留有一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。共价键共价键 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡两种载流子两种载流子 外
11、加电场时,带负电的自由电外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。目很少,故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?3. 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高,热运动加剧,载温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。 1. N型半导体型半导体5磷(磷(P) 杂质半导体
12、主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。实现导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?多了?少了?为什么? 多子多子:自由电子自由电子 少子少子:空穴空穴 导电特点:导电特点: nnpn N型半导体主要靠自由电子导电型半导体主要靠自由电子导电1.1.2 杂质半导体杂质半导体2. P型半导体型半导体3硼(硼(B)多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电,型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,掺入杂质越多,空穴浓度
13、越高,导电性越强。导电性越强。 讨论:讨论:在杂质半导体中,温度变在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?子与多子浓度的变化相同吗?多子多子:空穴空穴少子少子:自由电子自由电子导电特点:导电特点: ppnpP型半导体主要靠空穴导电型半导体主要靠空穴导电说明:说明:1. 掺入杂质的浓度决定掺入杂质的浓度决定多数载流子多数载流子的浓度;温度的浓度;温度决定决定少数载流子少数载流子的浓度。的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示
14、方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。体,因而其导电能力大大改善。N 型半导体型半导体 P 型半导体型半导体受温度的影响很小受温度的影响很小本征激发产生本征激发产生 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 (a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度)有关。温度)有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 (a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度)有关。温度)有关。 3. 当温度升高时,少子的数量当温度升高时,少子的数量 (a. 减少、减少
15、、b. 不变、不变、c. 增多)。增多)。abcba5. N型半导体对外显型半导体对外显 。(a. 正电、正电、 b. 负电、负电、 c.电中性)电中性)c 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场,不利于扩散运动的继区的自由电子浓度降低,产生内电场,不利于扩散运动的继
16、续进行。续进行。1.2 PN结结 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了达到动态平衡,就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子,形成区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。1.2.1 PN结的形成结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一
17、块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体的结合面上形成如下物理过程的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 PN结加正向电压导通:结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加耗尽层变窄,扩散运动加剧,
18、由于外电源的作用,形剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,成扩散电流,PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止:结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似流。由于电流很小,故可近似认为其截止。认为其截止。1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性必要吗?必要吗?PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结结u-i特性表达式:特性表达式:其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下(且在常温下(T=300K)V0
19、26. 0qkTUTmV 26S(e1)DTUUDII0,DTUUDDsUII e0,DDsUII ID 流过流过PN结的电流结的电流UD PN结两端的电压结两端的电压 当当PN结的反向电压增加到一结的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然快速增定数值时,反向电流突然快速增加,此现象称为加,此现象称为PN结的反向击结的反向击穿穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 PN结的电流和温升不断结的电流和温升不断增加,使增加,使PN结的发热超过它结的发热超过它的耗散功率。的耗散功率。电击穿电击穿可逆可逆PN结结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。1.2.3 PN结的击穿结的击穿1
20、.2.4 PN结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容电相同,其等效电容称为势垒电容CT。2. 扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容释放的过程,其等效电容称为扩散电容CD。DTjCCC结电容:结电容: 结电
21、容不是常量!若结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性!程度,则失去单向导电性!PN结正偏:结正偏: CjCD PN结反偏:结反偏:CjCT 1.2.5 二极管二极管将将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。结封装,引出两个电极,就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管结面积小,结电容小结面积小,结电容小允许的电流小允许的电流小工作频率高工作频率高用于高频检波等用于高频检波等结面积大,结电容大结面积大,结电容大允许的电流大允许的电流大工作频率低工作频率低用于整流等用于整流等结面积
22、可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大 阴极阴极 阳极阳极SiO2P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝 阳极阳极N 型锗片型锗片阴极阴极外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金铝合金N型硅型硅阳极阳极PN 结结金锑合金金锑合金底座底座 阴极阴极( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极D 1.2.5 二极管二极管材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.60.8V 1A以下( )锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿
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