模擬電子基礎一--元器件介紹

一、半導體（了解）

1.1 基礎知識

1.2 PN結

二、二級管

2.1 定義與特性

2.2 二極管的分類

三、三級管

四、MOS管

三、其他元器件管

3.1 電容

3.2 光耦

3.3 發聲器件

3.4 繼電器

3.5 瞬態電壓抑制器

前言：本章為知識的簡單復習，不適合運用于考試。

一、半導體（了解）

1.1 基礎知識

導體

其原子結構中，最外層電子受原子核的束縛力很小，因而極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，而在外電場的作用下，這些電子產生定向漂移運動，從而形成電流，一般為低價元素（銅、鐵、鋁)

絕緣體

其原子結構中，最外層電子受原子核的束縛力很強，不易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，因此導電性能極差，一般為高價元素（氦、氖、氬、氮等惰性氣體）或高分子物質（塑料)

半導體

導電性能介于導體與絕緣體之間的物體,一般為四價元素，材料常用硅或鍺，它們的最外層電子數，本身就是對，所以本身就是穩定狀態,本征半導體將自然界中的半導體材料進行高溫、高度提煉、使其純度達到99.9999999%，且物理結構上呈單晶體形態當受到外界熱、光等作用的，興導電性能將明顯變化,也就是說，當本征半導體的絕對溫度為O時，它是不導電的

電子和空穴

在本征半導體中，一個自由電子對應一個空穴，或者說，自由電子與空穴總是成對出現。

由于沒有多余的自由電子或者空穴，在熱運動下，自由電子一旦碰上并進入一個空穴，此時自由電子與空穴同時消失，稱之為復合運動在一定溫度下，自由電子與空穴的產生和復合同時存在，稱之為“動態平衡”。

N型半導體

在本征半導體中,摻入微量5價元素,如磷、銻、砷等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層有5個價電子,因此它與周圍4個硅(鍺)原子組成共價鍵時,還多余1個價電子。它不受共價鍵的束縛,而只受自身原子核的束縛,因此,它只要得到較少的能量就能成為自由電子,并留下帶正電的雜質離子,它不能參與導電，N型半導體中,自由電子稱為多數載流子;空穴稱為少數載流子。

P型半導體

在本征半導體中,摻入微量3價元素,如硼,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。

1.2 PN結

單純的雜質半導體和本征半導體相比僅僅是提高了導電性能，一般只能制作電阻器件，而無法制成半導體器件。如果采用一定的摻雜工藝，在一塊本征半導體的兩邊分別摻入不同的雜質，則半導體的一邊成為N型半導體，另一邊就成為P型半導體了。由于兩種雜質半導體的相互作用在其交界出形成了一個很?。〝盗考墸┑奶厥鈱щ妼?，這就是PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。

PN結單向導電性

若將電源的正極接P區,負極接N區,則稱此為正向接法或正向偏置。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相反,削弱了自建場,使阻擋層變窄,如圖所示。顯然,擴散作用大于漂移作用,在電源作用下,多數載流子向對方區域擴散形成正向電流其方向由電源正極通過P區、N區到達電源負極。

若將電源的正極接N區，負極接P區，則稱此為反向接法或反向偏置。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相同,增強了自建場,使阻擋層變寬,如圖此時漂移作用大于擴散作用,少數載流子在電場作用下作漂移運動,由于其電流方向與正向電壓時相反，故稱為反向電流。由于反向電流是由少數載流子所形成的,故反向電流很小，而且當外加反向電壓超過零點幾伏時,少數載流子基本全被電場拉過去形成漂移電流，此時反向電壓再增加,載流子數也不會增加,因此反向電流也不會增加,故稱為反向飽和電流

PN結特性曲線

PN結加正向電壓,處于導通狀態;加反向電壓,處于截止狀態,即PN結具有單向導電特性。

PN結處于反向偏置時,在一定電壓范圍內,流過PN結的電

流是很小的反向飽和電流。但是當反向電壓超過某一數值(UB)后,反向電流急劇增加,這種現象稱為反向擊穿,如圖所示。UB稱為擊穿電壓。

PN結的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。

雪崩擊穿

當反向電壓足夠高時,阻擋層內電場很強,少數載流子在結區內受強烈電場的加速作用,獲得很大的能量,在運動中與其它原子發生碰撞時,有可能將價電子“打”出共價鍵,形成新的電子、空穴對。這些新的載流子與原先的載流子一道,在強電場作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對,如此鏈鎖反應,使反向電流迅速增大。這種擊穿稱為雪崩擊穿。

齊納擊穿

所謂“齊納”擊穿，是指當PN結兩邊摻入高濃度的雜質時,其阻擋層寬度很小,即使外加反向電壓不太高(一般為幾伏),在PN結內就可形成很強的電場(可達2×106 V/cm),將共價鍵的價電子直接拉出來,產生電子-空穴對,使反向電流急劇增加,出現擊穿現象?！?/p>

二、二級管

2.1 定義與特性

定義:

二極管就是半導體材料被封裝之后，在PN結兩端加上兩個正負極引線制作而成。

符號與實物:

特性:

單向導電性，伏安特性

電路中二極管導通之后，所分電壓值為0.7V。

發光二極管導通之后為分壓值1 ~ 2v，電流范圍為5 ~ 20mA

multisim仿真：

2.2 二極管的分類

①穩壓二極管

能夠穩定一定電壓的二極管，其工作在反向擊穿狀態，反向電壓應大于穩壓電壓

multisim仿真：

②整流二極管

用于把交流電變成脈動直流電

multisim仿真：

③開關二極管

功能:

它是電路上為進行“開”、“關”作用而特殊設計的二極管。它由導通變為截止或由截止變為導通所需的時間比一般二極管短

應用:

在電路中主要防止反向電流燒壞一些精密器件起保護作用。

例如：

當電路遭遇反向電流時，電流可以通過右邊的開關二級管形成回路，從而保護左邊的電路。

三、三級管

定義:

由半導體組成具有三個電極的晶體管

特性：

輸入電流控制輸出電流

工作狀態：

放大狀態 – 發射結正偏，集電結反偏（UB>UE,UC>UB)

飽和狀態 – 發射結和集電結均為正偏。

截止狀態 – 發射結反偏或兩端電壓為零。

主要公式：

Ie = Ic + Ib = (1+β)Ib

Ic = βIb

截至狀態：集電極和發射極之間相當于開路

放大狀態：上面的公式

飽和狀態：Ib與Ic都很大，沒有倍數關系，UCE很小，相當于導線，工程上我們認為硅飽和導通的UCE的壓降為0.3V，鍺管為0.1V

multisim仿真：

四、MOS管

MOS管相當于另一種三極管，只有一種載流子(多子)參與導電，被稱為單極型三極管，又因為這種管子是利用電場效應來控制電流的半導體器件（被看成是電壓控制器件)，因此也稱為場效應管（簡稱FET)。

場效應管可以分為結型場效應管（簡稱JFET）和絕緣柵場效應管（簡稱IGFET)兩類。

特點：

它是一種電壓控電流的器件。它有三個電極柵極(G）,漏極（D），源級（S)，符號如下：

N溝道場效應管

P溝道場效應管

電壓電流關系

工作區

1)可變電阻區

(特點:當UDS比較小時，ID,隨UGS的變化而變化)

2）恒流區

(特點: ID不隨UDS變化，只隨UGS增大而增大)

3）截止區

(特點:UGS小于1.5V，ID=0，場效應管不導通)

4）擊穿區

(特點:當UDS增大到一定值時，場效應管被擊穿，ID突然增大，如無限流措施,管子將燒壞，在場效應管使用中一定要注意，防止管子擊穿)

5）過損耗區

特點:如果長時間工作在此區域，沒有很好的散熱措施，很可能由于功率較大，造成管子燒壞。所以在使用中也要注意。管子的散熱和最大功率

MOS管與三極管的比較

不同類型的MOS管

multisim仿真：

三、其他元器件管

3.1 電容

定義：

它有兩個電極板，和中間所夾的介質封裝而成，具有特定功能的電子器件。

作用：

旁路、去耦、濾波、和儲能的作用。

①旁路電容

使輸入電壓均勻化，減小噪聲對后級的影響。

進行儲能，當外界信號變化過快時，及時進行電壓的補償。

②去耦電容

去耦電容和旁路電容的作用是差不多的，都有濾除干擾信號的作用，只是旁路電容針對的是輸入信號，而去耦電容針對的是輸出信號。

去耦電容一般比較大10uF或更大，旁路電容一般根據諧振頻率是0.1uF或0.01uF。

③濾波和儲能的電容

濾除雜波，大電容濾低頻，小電容濾高頻

收集電荷

④實際場景下的電容

鋁電容的長腳為正極，短接為負極，或者電容上標有銀色的一邊為負極，瓷片電容和獨石電容無極性，但設備生產中也有工藝要求。

總結：

電源上的電容作用一般是濾除電源電壓的波動。

小電容濾高頻，大電容濾低頻，并且還提供一定的電壓儲備，以備后續電路的需要對于一些千擾性強的環境，電容的加入可以減少很多電路控制上不必要的麻煩，在使用電容時，還要注意耐壓值和反接問題。

電容使用的取值大小可以參考別人的一些電路,很多都是工程上的一些經驗

3.2 光耦

定義：

光耦實現了是一種“電-光-電”的轉換。

實物與符號：

multisim仿真：

3.3 發聲器件

定義：

作為電子訊響器，運用其發聲特性，作為提示或播放等功能。

實物圖：

圖1為喇叭，無極性器件（沒有正負之分），無源蜂鳴器（內部沒有振蕩源)，所以直流不能驅動，需要2KHZ~5KHZ的方波才能使其發出聲響

圖2為蜂鳴器，有極性（長腳為正，短接為負），有源蜂鳴器（內部含有震蕩源），當給予1.5V~15V的電壓后，就會發出聲響。

3.4 繼電器

定義：

它是一種“自動開關”，通過低電壓、小電流去控制高電壓、大電流。

繼電器術語:

常開觸點與常閉觸點

實物圖：

觀察的數值：

驅動電壓

可以承受的控制信號量值

multisim仿真：

3.5 瞬態電壓抑制器

定義：

它是一種二極管形式的高效能的保護器件，防止瞬態高能量時沖擊時，保護精密器件免受各種浪涌脈沖的損壞。

作用：

加在信號和電源線上，能防止微處理器，人體靜電、交流浪涌或噪聲，導致處理器的失靈。

能釋放超過10000V，60A以上的脈沖，并能持續10ms，而一般的TTL器件，遇到30ms的10V脈沖時，便會導致損壞，所以利用TVS是既可以防止器件損壞，也可以防止總線之間開關引起的干擾。

將TVS放置在信號線和地之間，能避免數據及控制總線受到不必要噪聲的影響。

典型電路：

實物：

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