電工學(xué)下第一章

緒

論一、電子技術(shù)的發(fā)展二、模擬電路與數(shù)字電路電子技術(shù)就是研究電子器件、電子電路及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。1．電子器件電子器件的發(fā)展歷程什么是電子技術(shù)?一、電子技術(shù)的發(fā)展

第一代電子器件電子管離子管電真空器件(1)

電子管d.電子受外加電場和磁場的作用，在真空中運(yùn)動(dòng)就形成了電子管中的電流。

電子管的結(jié)構(gòu)和工作原理a.有密封的管殼，內(nèi)部抽到高真空。b.在熱陰極電子管中，有一個(gè)陰極。c.陰極可由燈絲加熱，使溫度升高，發(fā)射出電子。電子管的主要特點(diǎn):a.體積大、重量重、耗電大、壽命短。b.目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。(2)

離子管a.與電子管類似,也抽成高真空。b.管子中的電流，除了電子外，也有正離子。第二代電子器件——晶體管晶體管是用半導(dǎo)體材料制成的，也稱為半導(dǎo)體器件(semiconductordevice)或者固體器件(solid-statedevice)。晶體管的主要特點(diǎn):a.體積小、重量輕。b.壽命長、功耗低。2．電子電路

電子器件與電阻器、電感器、電容器、變壓器、開關(guān)等元件適當(dāng)?shù)剡B接起來所組成的電路。電子電路的主要特點(diǎn):控制方便、工作靈敏、響應(yīng)速度快等。(3)電子電路必須采用非線性電路的分析方法來分析電子電路與普通電路的主要區(qū)別:(1)電子電路包含有電子器件(2)電子器件的特性往往是非線性的電子電路分立電路集成電路分立電路:由各種單個(gè)的電子器件和元件構(gòu)成的電路(3)體積大，功耗大，可靠性低。分立電路的主要特點(diǎn):(1)把許多元件和器件焊接在印制電路板上。(2)焊點(diǎn)多，容易造成虛焊。8路數(shù)字顯示搶答器電路集成電路（IC—integratedcircuit）——把許多晶體管與電阻等元件制作在同一塊硅晶片上的電路.(1)體積小，重量輕。集成電路的主要特點(diǎn):(2)功耗小。(3)可靠性高。(4)壽命長。世界上第一塊集成電路在1959年美國的德州儀器公司和西屋電氣公司誕生，電路上僅集成了4只晶體管。集成電路發(fā)展的歷程(1)小規(guī)模集成電路(元件數(shù)<100)(2)中規(guī)模集成電路(元件數(shù)100~999)(3)大規(guī)模集成電路(元件數(shù)1000~9999)(4)超大規(guī)模集成電路

1997年,一片集成電路中有40億個(gè)晶體管。有科學(xué)家預(yù)測，集成度還將按10倍/6年的速度增長，到2015或2020年達(dá)到飽和。3．電子技術(shù)應(yīng)用有線載波通信、激光通信、光纖維通信等。特點(diǎn)：快速、靈敏、精確等。(1)通信系統(tǒng)無線電通信(包括廣播、電報(bào)、電視等)、(2)自動(dòng)控制在自動(dòng)化技術(shù)中，電子控制是后起之秀。Google的自動(dòng)駕駛汽車頭頂一臺(tái)探測半徑為200英尺的激光雷達(dá)，內(nèi)置GPS和計(jì)算機(jī)，帶有前后距離雷達(dá)，自力更生跑長途完全不成問題。

(3)測量方面的應(yīng)用電測量的主要特點(diǎn):a.準(zhǔn)確度和靈敏度高，測量范圍廣。b.可以智能化。c.可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量。a.電量測量b.非電量電測量例如:酒后駕駛能激光遠(yuǎn)程檢測了,不用停車這套系統(tǒng)通過一束激光照射正在行駛中的汽車，并且配以反光鏡和配套檢測器。從而能檢測到當(dāng)前車內(nèi)的酒精濃度，進(jìn)而夠確定駕駛者當(dāng)前的血液酒精濃度。

(4)

電子技術(shù)對計(jì)算機(jī)的發(fā)展

20世紀(jì)40年代,第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”(ENIAC)的一些參數(shù):b.功率130kWa.使用了18,000個(gè)電子管c.質(zhì)量達(dá)30td.占地約150m2e.運(yùn)算速度約5000次/秒f.故障率高現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn):a.采用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路b.功耗低c.體積小d.重量輕e.運(yùn)算速度快f.功能強(qiáng)大1.信號(hào)：是反映消息的物理量

信息需要借助于某些物理量（如聲、光、電）的變化來表示和傳遞。

電信號(hào)是指隨時(shí)間而變化的電壓u

或電流i

，記作u

=

f(t)或I

=

f(t)。二、模擬電路與數(shù)字電路如溫度、壓力、流量，自然界的聲音信號(hào)等等，因而信號(hào)是消息的表現(xiàn)形式。2.電信號(hào)由于非電的物理量很容易轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而且電信號(hào)又容易傳送和控制，因此電信號(hào)成為應(yīng)用最為廣泛的信號(hào)。二、模擬電路與數(shù)字電路3.電子電路中信號(hào)的分類

模擬信號(hào)對應(yīng)任意時(shí)間值t均有確定的函數(shù)值u或i，并且u或i的幅值是連續(xù)取值的，即在時(shí)間和數(shù)值上均具有連續(xù)性。

數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上均具有離散性，u或i的變化在時(shí)間上不連續(xù)，總是發(fā)生在離散的瞬間；且它們的數(shù)值是一個(gè)最小量值的整數(shù)倍，當(dāng)其值小于最小量值時(shí)信號(hào)將毫無意義。*大多數(shù)物理量所轉(zhuǎn)換成的信號(hào)均為模擬信號(hào)。4.模擬電路與數(shù)字電路

模擬電路：對模擬量進(jìn)行處理的電路。4.模擬電路與數(shù)字電路

數(shù)字電路：對數(shù)字量進(jìn)行處理的電路。第14章半導(dǎo)體器件14.3二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5雙極型晶體管14.2PN結(jié)及其導(dǎo)電性14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本章要求：

1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；

2.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；

3.會(huì)分析含有二極管的電路。第14章半導(dǎo)體器件14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)體絕緣體按導(dǎo)電性能自然界物質(zhì)的分類物質(zhì)結(jié)構(gòu)＝原子核＋核外電子最外層電子數(shù)1~3個(gè)，距原子核較遠(yuǎn)，常溫下導(dǎo)體內(nèi)有大量的自由電子，因此，導(dǎo)電能力強(qiáng)。導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁等。半導(dǎo)體最外層電子數(shù)通常4個(gè)，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，具有光敏性、熱敏性和參雜性。半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等最外層電子數(shù)6~8個(gè)，因距原子核很近而束縛力極強(qiáng)，絕緣體內(nèi)幾乎沒有自由電子而不導(dǎo)電。如橡膠、云母、陶瓷等。14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì),導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí),導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)

(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。例如，在室溫30℃時(shí)，在純凈鍺中摻入億分之一的雜質(zhì)，電導(dǎo)率會(huì)增加幾百倍。14.1.1

本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。價(jià)電子價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后,即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子(帶負(fù)電),同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于正電荷的移動(dòng))?？昭ū菊靼雽?dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時(shí),又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素p+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素),形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或

P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.2.1

PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)加正向電壓(正向偏置)

P接正、N接負(fù)

內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)變窄外電場IF內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變