【硬件設(shè)計(jì)】模擬電子基礎(chǔ)一元器件完整詳解

模擬電子基礎(chǔ)一--元器件介紹

一、半導(dǎo)體（了解）

1.1 基礎(chǔ)知識(shí)

1.2 PN結(jié)

二、二級(jí)管

2.1 定義與特性

2.2 二極管的分類

三、三級(jí)管

四、MOS管

三、其他元器件管

3.1 電容

3.2 光耦

3.3 發(fā)聲器件

3.4 繼電器

3.5 瞬態(tài)電壓抑制器

前言：本章為知識(shí)的簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)，不適合運(yùn)用于考試。

一、半導(dǎo)體（了解）

1.1 基礎(chǔ)知識(shí)

導(dǎo)體

其原子結(jié)構(gòu)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(chǎng)的作用下，這些電子產(chǎn)生定向漂移運(yùn)動(dòng)，從而形成電流，一般為低價(jià)元素（銅、鐵、鋁)

絕緣體

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

半導(dǎo)體

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物體,一般為四價(jià)元素，材料常用硅或鍺，它們的最外層電子數(shù)，本身就是對(duì)，所以本身就是穩(wěn)定狀態(tài),本征半導(dǎo)體將自然界中的半導(dǎo)體材料進(jìn)行高溫、高度提煉、使其純度達(dá)到99.9999999%，且物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)當(dāng)受到外界熱、光等作用的，興導(dǎo)電性能將明顯變化,也就是說(shuō)，當(dāng)本征半導(dǎo)體的絕對(duì)溫度為O時(shí)，它是不導(dǎo)電的

電子和空穴

在本征半導(dǎo)體中，一個(gè)自由電子對(duì)應(yīng)一個(gè)空穴，或者說(shuō)，自由電子與空穴總是成對(duì)出現(xiàn)。

由于沒(méi)有多余的自由電子或者空穴，在熱運(yùn)動(dòng)下，自由電子一旦碰上并進(jìn)入一個(gè)空穴，此時(shí)自由電子與空穴同時(shí)消失，稱之為復(fù)合運(yùn)動(dòng)在一定溫度下，自由電子與空穴的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在，稱之為“動(dòng)態(tài)平衡”。

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中,摻入微量5價(jià)元素,如磷、銻、砷等,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有5個(gè)價(jià)電子,因此它與周圍4個(gè)硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí),還多余1個(gè)價(jià)電子。它不受共價(jià)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(zhì)離子,它不能參與導(dǎo)電，N型半導(dǎo)體中,自由電子稱為多數(shù)載流子;空穴稱為少數(shù)載流子。

P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中,摻入微量3價(jià)元素,如硼,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。

1.2 PN結(jié)

單純的雜質(zhì)半導(dǎo)體和本征半導(dǎo)體相比僅僅是提高了導(dǎo)電性能，一般只能制作電阻器件，而無(wú)法制成半導(dǎo)體器件。如果采用一定的摻雜工藝，在一塊本征半導(dǎo)體的兩邊分別摻入不同的雜質(zhì)，則半導(dǎo)體的一邊成為N型半導(dǎo)體，另一邊就成為P型半導(dǎo)體了。由于兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的相互作用在其交界出形成了一個(gè)很薄（數(shù)量級(jí)）的特殊導(dǎo)電層，這就是PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

PN結(jié)單向?qū)щ娦?/strong>

若將電源的正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū),則稱此為正向接法或正向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相反,削弱了自建場(chǎng),使阻擋層變窄,如圖所示。顯然,擴(kuò)散作用大于漂移作用,在電源作用下,多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流其方向由電源正極通過(guò)P區(qū)、N區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。

若將電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，則稱此為反向接法或反向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相同,增強(qiáng)了自建場(chǎng),使阻擋層變寬,如圖此時(shí)漂移作用大于擴(kuò)散作用,少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng),由于其電流方向與正向電壓時(shí)相反，故稱為反向電流。由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的,故反向電流很小，而且當(dāng)外加反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏時(shí),少數(shù)載流子基本全被電場(chǎng)拉過(guò)去形成漂移電流，此時(shí)反向電壓再增加,載流子數(shù)也不會(huì)增加,因此反向電流也不會(huì)增加,故稱為反向飽和電流

PN結(jié)特性曲線

PN結(jié)加正向電壓,處于導(dǎo)通狀態(tài);加反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),即PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴?/p>

PN結(jié)處于反向偏置時(shí),在一定電壓范圍內(nèi),流過(guò)PN結(jié)的電

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

PN結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。

雪崩擊穿

當(dāng)反向電壓足夠高時(shí),阻擋層內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng),少數(shù)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)受強(qiáng)烈電場(chǎng)的加速作用,獲得很大的能量,在運(yùn)動(dòng)中與其它原子發(fā)生碰撞時(shí),有可能將價(jià)電子“打”出共價(jià)鍵,形成新的電子、空穴對(duì)。這些新的載流子與原先的載流子一道,在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對(duì),如此鏈鎖反應(yīng),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(dāng)PN結(jié)兩邊摻入高濃度的雜質(zhì)時(shí),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(jié)內(nèi)就可形成很強(qiáng)的電場(chǎng)(可達(dá)2×106 V/cm),將共價(jià)鍵的價(jià)電子直接拉出來(lái),產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使反向電流急劇增加,出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象?！?/p>

二、二級(jí)管

2.1 定義與特性

定義:

二極管就是半導(dǎo)體材料被封裝之后，在PN結(jié)兩端加上兩個(gè)正負(fù)極引線制作而成。

符號(hào)與實(shí)物:

特性:

單向?qū)щ娦?，伏安特?/p>

電路中二極管導(dǎo)通之后，所分電壓值為0.7V。

發(fā)光二極管導(dǎo)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(wěn)壓二極管

能夠穩(wěn)定一定電壓的二極管，其工作在反向擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓

multisim仿真：

②整流二極管

用于把交流電變成脈動(dòng)直流電

multisim仿真：

③開關(guān)二極管

功能:

它是電路上為進(jìn)行“開”、“關(guān)”作用而特殊設(shè)計(jì)的二極管。它由導(dǎo)通變?yōu)榻刂够蛴山刂棺優(yōu)閷?dǎo)通所需的時(shí)間比一般二極管短

應(yīng)用:

在電路中主要防止反向電流燒壞一些精密器件起保護(hù)作用。

例如：

當(dāng)電路遭遇反向電流時(shí)，電流可以通過(guò)右邊的開關(guān)二級(jí)管形成回路，從而保護(hù)左邊的電路。

三、三級(jí)管

定義:

由半導(dǎo)體組成具有三個(gè)電極的晶體管

特性：

輸入電流控制輸出電流

工作狀態(tài)：

放大狀態(tài) – 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏（UB>UE,UC>UB)

飽和狀態(tài) – 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。

截止?fàn)顟B(tài) – 發(fā)射結(jié)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(tài)：集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開路

放大狀態(tài)：上面的公式

飽和狀態(tài)：Ib與Ic都很大，沒(méi)有倍數(shù)關(guān)系，UCE很小，相當(dāng)于導(dǎo)線，工程上我們認(rèn)為硅飽和導(dǎo)通的UCE的壓降為0.3V，鍺管為0.1V

multisim仿真：

四、MOS管

MOS管相當(dāng)于另一種三極管，只有一種載流子(多子)參與導(dǎo)電，被稱為單極型三極管，又因?yàn)檫@種管子是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的半導(dǎo)體器件（被看成是電壓控制器件)，因此也稱為場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱FET)。

場(chǎng)效應(yīng)管可以分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱IGFET)兩類。

特點(diǎn)：

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

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管

電壓電流關(guān)系

工作區(qū)

1)可變電阻區(qū)

(特點(diǎn):當(dāng)UDS比較小時(shí)，ID,隨UGS的變化而變化)

2）恒流區(qū)

(特點(diǎn): ID不隨UDS變化，只隨UGS增大而增大)

3）截止區(qū)

(特點(diǎn):UGS小于1.5V，ID=0，場(chǎng)效應(yīng)管不導(dǎo)通)

4）擊穿區(qū)

(特點(diǎn):當(dāng)UDS增大到一定值時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管被擊穿，ID突然增大，如無(wú)限流措施,管子將燒壞，在場(chǎng)效應(yīng)管使用中一定要注意，防止管子擊穿)

5）過(guò)損耗區(qū)

特點(diǎn):如果長(zhǎng)時(shí)間工作在此區(qū)域，沒(méi)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(gè)電極板，和中間所夾的介質(zhì)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(chǔ)能的作用。

①旁路電容

使輸入電壓均勻化，減小噪聲對(duì)后級(jí)的影響。

進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)外界信號(hào)變化過(guò)快時(shí)，及時(shí)進(jìn)行電壓的補(bǔ)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(hào)的作用，只是旁路電容針對(duì)的是輸入信號(hào)，而去耦電容針對(duì)的是輸出信號(hào)。

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

③濾波和儲(chǔ)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(shí)際場(chǎng)景下的電容

鋁電容的長(zhǎng)腳為正極，短接為負(fù)極，或者電容上標(biāo)有銀色的一邊為負(fù)極，瓷片電容和獨(dú)石電容無(wú)極性，但設(shè)備生產(chǎn)中也有工藝要求。

總結(jié)：

電源上的電容作用一般是濾除電源電壓的波動(dòng)。

小電容濾高頻，大電容濾低頻，并且還提供一定的電壓儲(chǔ)備，以備后續(xù)電路的需要對(duì)于一些千擾性強(qiáng)的環(huán)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(shí)，還要注意耐壓值和反接問(wèn)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(jīng)驗(yàn)

3.2 光耦

定義：

光耦實(shí)現(xiàn)了是一種“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。

實(shí)物與符號(hào)：

multisim仿真：

3.3 發(fā)聲器件

定義：

作為電子訊響器，運(yùn)用其發(fā)聲特性，作為提示或播放等功能。

實(shí)物圖：

圖1為喇叭，無(wú)極性器件（沒(méi)有正負(fù)之分），無(wú)源蜂鳴器（內(nèi)部沒(méi)有振蕩源)，所以直流不能驅(qū)動(dòng)，需要2KHZ~5KHZ的方波才能使其發(fā)出聲響

圖2為蜂鳴器，有極性（長(zhǎng)腳為正，短接為負(fù)），有源蜂鳴器（內(nèi)部含有震蕩源），當(dāng)給予1.5V~15V的電壓后，就會(huì)發(fā)出聲響。

3.4 繼電器

定義：

它是一種“自動(dòng)開關(guān)”，通過(guò)低電壓、小電流去控制高電壓、大電流。

繼電器術(shù)語(yǔ):

常開觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)

實(shí)物圖：

觀察的數(shù)值：

驅(qū)動(dòng)電壓

可以承受的控制信號(hào)量值

multisim仿真：

3.5 瞬態(tài)電壓抑制器

定義：

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

作用：

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

能釋放超過(guò)10000V，60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms，而一般的TTL器件，遇到30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致?lián)p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(guān)引起的干擾。

將TVS放置在信號(hào)線和地之間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要噪聲的影響。

典型電路：

實(shí)物：

-- END --

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