本文關(guān)鍵詞：電子線路

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《線性電路》 多媒體課件《線性電路》 多媒體課件蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院王勇王勇 前言該課件是蘭州大學(xué)教學(xué)研究資助項目， 課件內(nèi)容主要由該課件是州大學(xué)教學(xué)研究資助項目課堂講授講義整理而成， 并配有大量的例題和習(xí)題解答。課件中還引入了電子線路的CAD 軟件PSPICE進行電路分析。 課件注重基礎(chǔ)知識和基本概念的系統(tǒng)性、 嚴(yán)密性； 注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、 解決問題的能力。課件主要參考教材有：《電子線路》 線性部分， 謝嘉奎主編， 1999第四版�！� 現(xiàn)代電子技術(shù)》 ， 席德勛編， 1999年第一版�！赌M電子技術(shù)基礎(chǔ)》 ， 童詩白主編， 1988第2版�！赌M電子技術(shù)基礎(chǔ)解題指南》 ， 唐競新主編， 1998。課件內(nèi)容要由 第一章： 晶體二極管•電子線路是電子學(xué)的一門應(yīng)用學(xué)科， 是現(xiàn)代先進科學(xué)的組成部分之一， 也是發(fā)展迅速的學(xué)科之一。 1、 最早在1883年， 托馬斯·愛迪生再改進白熾燈的實驗中，發(fā)現(xiàn)了愛迪生效應(yīng)， 但他當(dāng)時未能認(rèn)識到這一發(fā)現(xiàn)的重要意義。 直到1907年L ·De ·Forest（李·德·弗列斯特） 研制了電子三極管， 使電子學(xué)進入實用階段并作為一門新興科學(xué)而崛起， 由于有了利用電子三極管制作的放大器和振蕩器電路才使我們今天所熟悉的無線電和電視廣播成為現(xiàn)世路， 才使我們今天所熟悉的無線電和電視廣播成為現(xiàn)世， 其他諸如雷達、 自動導(dǎo)航、 立體聲放大器和計算機等的應(yīng)用， 也無不歸功于電子三極管的發(fā)明， 而在這一發(fā)明 的推動下， 開創(chuàng)了偉大的技術(shù)和社會革命。 然而， 電子管有它固有的弱點，， 管子的燈絲必須加熱至足夠的溫度以便使陰極發(fā)射電子， 燈絲電壓和電流的典型值是6. 3(V) 和0. 3(A) ， 即大約2（W） 功率， 最早的第一臺電子數(shù)字計算機約用了18， 000只電子管， 需供36， 000（W） 的功率， 另外電子管還有體積大、 壽命短、 轉(zhuǎn)換速率受限制等缺點。 2、 到1947年晶體管的發(fā)明才克服了電子管的這些缺點， 引起了電子學(xué)的又一次革命， 晶體管是約翰·巴丁、 沃爾特·布雷登和威廉·肖克萊共同發(fā)明， 該發(fā)明促成了計算機、 通信等方面的飛速發(fā)展，鑒于它的重要價值， 這些人共同獲得了1956年的諾貝爾物理機獎。 單個電子器件與元件組成的電路稱為分立電路， 復(fù)雜的分立電路由于焊點多及布線等影響了可靠性及精度的提高。 3、 隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展， 五十年代末得克薩斯儀器公司的基爾白、 仙童半導(dǎo)體公司的諾依斯等人研究實現(xiàn)了集成電路， 實現(xiàn)了管路結(jié)合， 以后集成度越來越高， 出現(xiàn)了超大規(guī)模集成電路， 這是電子學(xué)的又一次革命， 也是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新的標(biāo)志。其他諸如雷達自動 •本課程的主要內(nèi)容簡介： 1、 半導(dǎo)體器件： 是本課程基礎(chǔ)部分， 主要包括半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識， 二極管、 晶體三極管、 場效應(yīng)管工作原理及應(yīng)用原理。 2、放大器基礎(chǔ)： 是本課程重點之一， 主要包括放大器的靜態(tài)分析、 動態(tài)分析及性能指標(biāo)， 單管放大電路， 組合放大電路， 差分放大電路， 電流源電路及應(yīng)用， 集成功率放大電路， 集成運算放大電路， 放大器的頻率分析和噪聲分析。3、 放大器中的負反饋， 是課程重點和難點之一， 主要包括反饋放大器的組成和類型， 負反饋放大器的性能分析， 深度負反饋計算， 負反饋放大器的穩(wěn)定性分析4集成運算放大器及其應(yīng)用電路性分析。 4、 集成運算放大器及其應(yīng)用電路， 是課程又一個重點和難點， 主要包括集成運算放大器應(yīng)用電路的組成原理（加減乘除比例對數(shù)指數(shù)開平方等各類算術(shù)運算、 有源濾波、 精密測量放大器和儀器放大器、 電流傳輸器等） ，集成運算放大器性能參數(shù)及其對電路的影響， 集成電壓比較器。是課程又個重點和難點主要•學(xué)習(xí)方法： 本課程是兩個專業(yè)的主干基礎(chǔ)課， 也是學(xué)習(xí)《非線性電路》 （諧振功放、 振蕩器、 調(diào)制解調(diào)、 鎖相環(huán)） 、 通信、 計算機應(yīng)用等必備的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)中應(yīng)著重掌握各類放大器的工作原理、 特點、 應(yīng)用和分析方法。 1、 由于器件的非線性， 在線性應(yīng)用時需要進行近似處理。 2、 對各類放大器應(yīng)掌握其器件的非線性， 在線性應(yīng)用時需要進行近似處理。 2、 對各類放大器應(yīng)掌握其靜態(tài)分析方法（判斷放大器工作和動態(tài)分析方法， 應(yīng)具備較高的電路分析能力。 3、 一定量的習(xí)題訓(xùn)練是十分必要的， 一般需要100--200道題的訓(xùn)練量，一定要獨立完成作業(yè)。 4、 重視實驗環(huán)節(jié)， 具備一定的動手能力和電路設(shè)計能力才算真正理解和掌握了本課程的基本知識點。本章主要內(nèi)容簡介（略） 。• 1. 1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體： 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體， 它的電阻率在（10-3--109） Ω . cm范圍內(nèi)， 主要有硅（主要材料） 、 鍺、 砷化鎵（高頻高速器件） 等。一、 本征半導(dǎo)體1、 本征半導(dǎo)體： 硅和鍺的單晶（整塊晶體內(nèi)部晶格排列完全一致或原子在空間排列成很有規(guī)律的空間點陣） 稱為本征半體（將純凈原材料及需要的雜質(zhì)放在坩堝中加熱至熔點Si 14200C使其融化為晶體在坩堝中加熱至熔點Si=14200C使其融化為晶體， 用一塊小晶體與液面接觸，將籽晶上拉即可生成新的晶體， 另一種辦法是用高頻感應(yīng)加熱硅棒， 使其局部融化， 冷卻后成為單晶）Si： 1S22S22P63S23P2 {內(nèi)層原子核稱為慣性核}Ge： 1S22S22P63S23P63P104S24P2 { 2N2個電子旋轉(zhuǎn)方向的不同分布}它們最外層都有四個價電子， 形成單晶時， 每個價電子和鄰近原子的價電子形成共價鍵。子形成共價鍵。在熱力學(xué)溫度0K時和沒有外界影響條件下， 價電子束縛在共價鍵中， 不能自由移動， 不是自由電子， 是良好的絕緣體。2、 本征激發(fā)和復(fù)合： 在溫度升高和受到光線照射時， 共價鍵中的價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子， 在共價鍵中留下相同數(shù)量的空穴（可以看作帶正電的離子或載流子） 這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。 空穴形成后， 鄰近共價鍵中的價電子受它的吸引作用很容易跳過去填補空穴， 這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價用塊小晶體與液面接觸 價鍵中去， 因此就出現(xiàn)價電子和空穴兩個相反方向的運動， 半導(dǎo)體正是依靠自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的物質(zhì)。 所謂復(fù)合是指自由電子在熱騷動過程中與空穴相遇而釋放能量， 造成自由電子--空穴對的消失。3、 費米能級與熱平衡載流子濃度： 根據(jù)量子統(tǒng)計理論可知， 在溫度為T時（晶體處于熱平衡狀態(tài)） ， 能量為E的狀態(tài)被電子占有的幾率為：F（E） ={1+EXP[（E-EF） /KT]}-1其中絕度室其中T 是絕對溫度（室溫T=3000K）K是玻爾茲曼常數(shù) K=1.38×10-23焦耳/0KEF是費米能級， E= EF狀態(tài)被電子占有的幾率為1/2在原子中， 電子所具有的能量狀態(tài)不是連續(xù)分布的， 而是離散的， 每一個能量狀態(tài)對應(yīng)一個能級， 能級是量子化的， 其分布如下圖1-1所示：導(dǎo)帶——————————Ec——————————Ec• • • • • • • • • • • • • • • • • •禁帶 – – –– – – – – – – – – – – EF圖1-1 ——————————Ev 價帶 o o o o o o o o o o o o o 為了計算自由電子的濃度， 還應(yīng)知道狀態(tài)密度函數(shù) Ne（E） ， 它表示單位 體積內(nèi)和單位能量范圍內(nèi)（ev電子伏特） 允許電子占有的能量狀態(tài)數(shù)目， 自由電子均處在導(dǎo)帶內(nèi)， 空穴均處在價帶內(nèi)， 處在導(dǎo)帶內(nèi)的自由電子至少具有Ec能量， 因此本征半導(dǎo)體中自由電子的濃度為：∞Ni =痱EcNe（E） •F（E） d E= AT3/2EXP [-Eg0/KT] 式中A是常數(shù)（硅為3.88×1016cm-3K-3/2鍺為1.76 ×1016cm-3K-3/2）Eg0是T=0K即-273OC時的禁帶寬度室溫下計算的： 硅的Ni=1.5 ×1010 cm-3 鍺的Ni=2.4 ×1013 cm-3 而在金屬導(dǎo)體中， 自由電子濃度可達1022∼1023cm-3， 相比之下導(dǎo)電能力差，不能產(chǎn)生二極管、 三極管所需的導(dǎo)電機制， 必須采取措施（如摻雜） 。二、 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中， 摻入一定量的雜質(zhì)元素就成為雜質(zhì)半導(dǎo)體， 分為N型和P型若摻入五價元素的雜質(zhì)（磷銻或砷）型若摻入五價元素的雜質(zhì)（磷、 銻或砷） ， 則是N型半導(dǎo)體， 若摻入三價元素（硼、 鎵、 銦） ， 則是P型半導(dǎo)體。1、 N型半導(dǎo)體： 磷有五個價電子， 而只需拿出四個與相鄰的硅原子進行共價鍵結(jié)合， 多余一個電子未被束縛在共價鍵中， 僅受磷原子核內(nèi)的正電核吸引（比共價鍵弱） ， 在常溫下很容易掙脫束縛成為自由電子（施主雜質(zhì)能級比較高， 接近導(dǎo)帶， 常溫下幾乎全部電離， 成為自由電子） ， 磷原子因少一個則是 型半導(dǎo)體若摻入價元 電子成為帶正電荷的磷離子（但其束縛在晶格中， 不能移動， 不能象載流子，那樣起導(dǎo)電作用） ， 因其施放電子， 故稱施主雜質(zhì)。 與本征激發(fā)相比， N型半導(dǎo)體中自由電子濃度大大增加， 而空穴因與自由電子相遇而復(fù)合機會增加濃度反而更小了。 雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子濃度不再相等， 多的稱為多數(shù)載流子又稱多子， 少的稱為少數(shù)載流子， 又稱少子。2、 P型半導(dǎo)體： 硼只有三個價電子， 在與相鄰的硅原子形成共價鍵時， 缺少一個價電成個空這個空個價電子， 因而形成一個空穴， 這個空穴不是釋放價電子形成的， 不會同時產(chǎn)生自由電子， 而自由電子因與空穴相遇而復(fù)合機會增加濃度反而更小了。當(dāng)空穴由相鄰共價鍵中的價電子填補時（相當(dāng)于空穴移動） ， 硼原子由于接受一個電子成為帶負電的硼離子（受主雜質(zhì)能級比較低， 接近價帶， 常溫下價帶中價電子很容易獲得能量來填補這個能級， 從而產(chǎn)生空穴） ， 因其接受電子而產(chǎn)生空穴， 稱為受主雜質(zhì)。3雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度在雜質(zhì)半導(dǎo)體中3、 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度： 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中， 載流子是由雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個過程產(chǎn)生的， 雜質(zhì)電離只能產(chǎn)生一種載流子（施主雜質(zhì)是自由電子，受主雜質(zhì)是空穴） ， 在常溫下雜質(zhì)原子幾乎全部電離， 由雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子濃度等于摻入雜質(zhì)的濃度。 摻雜越多， 多子數(shù)目就越多， 少子數(shù)目就越少， 但它們之間的定量關(guān)系服從下面兩個約束：（1） 、 在熱平衡狀態(tài)下， 滿足相應(yīng)的熱平衡條件： 當(dāng)溫度一定時， 兩種載放價電成的會時載流子是由雜質(zhì)電離和本征激 流子熱平衡濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值Ni的平方。 即 N0P0=Ni2（2） 、 滿足電中性條件， 整塊半導(dǎo)體中的正電荷量恒等于負電荷量。 若施主雜質(zhì)濃度為Nd， 則帶正電的有已電離的雜質(zhì)原子和少子空穴， 帶 負電的僅是多子自由電子， 這樣電中性條件為：由熱平衡條件得： （ Nd+P0） P0= Ni2 由于Nd》 P0故：同理對受主雜質(zhì)： （ Na+N0） N0= Ni2 由于Na》 N0故：為受主雜質(zhì)濃度Na為受主雜質(zhì)濃度。例題： 一塊本征硅片， 先摻入濃度為8×1016cm-3的五價砷原子， 再摻入濃度為5×1017cm-3的三價硼原子， 問它為何種雜質(zhì)半導(dǎo)體， 并求室溫時多子和少子的熱平衡濃度值。解： 由于Na大于Nd， 結(jié)果是Nd釋放的自由電子全部填入Na產(chǎn)生的空穴外， 還余下（ Na - Nd ） 個空穴， 因而雜質(zhì)半導(dǎo)體由N型轉(zhuǎn)變?yōu)镻型。 根據(jù)電中性條件PNNd +NNNd 4 2 ×1017cm-3條件： P0= Na - Nd +N0≈ Na - Nd=4.2 ×1017cm-3相應(yīng)少子濃度 N0=（Ni2/P0） =5.4 ×102cm-3雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子濃度與溫度無關(guān)， 而少子濃度與Ni2成正比， 因而隨溫度升高而迅速增大， 直到少子濃度增大到與多子濃度相當(dāng)， 雜質(zhì)半導(dǎo)體又恢復(fù)到類似的本征半導(dǎo)體， 少子濃度的溫度敏感特性是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件溫度特性差的主要原因。N0= Nd+P0Nd P0 ≈ Ni2NaN0 ≈ Ni2 三、 漂移和擴散半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子， 它們除了在電場作用下形成漂移電流外， 還會在濃度差的作用下產(chǎn)生定向的擴散運動， 形成相應(yīng)的擴散電流，而導(dǎo)體中不存在擴散電流， 也沒有空穴漂移電流， 只有自由電子在電場作用下形成的漂移電流。1、 漂移電流： 載流子在外加電場作用下， 形成漂移電流， 如下圖1-2所示：電場電場E#

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