【硬件设计】模拟电子基础一元器件完整详解

模拟电子基础一--元器件介绍

一、半导体（了解）

1.1 基础知识

1.2 PN结

二、二级管

2.1 定义与特性

2.2 二极管的分类

三、三级管

四、MOS管

三、其他元器件管

3.1 电容

3.2 光耦

3.3 发声器件

3.4 继电器

3.5 瞬态电压抑制器

 

前言：本章为知识的简单复习，不适合运用于考试。

 

一、半导体（了解）

 

1.1 基础知识

导体

其原子结构中，最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，而在外电场的作用下，这些电子产生定向漂移运动，从而形成电流，一般为低价元素（铜、铁、铝)

绝缘体

其原子结构中，最外层电子受原子核的束缚力很强，不易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，因此导电性能极差，一般为高价元素（氦、氖、氩、氮等惰性气体）或高分子物质（塑料)

半导体

导电性能介于导体与绝缘体之间的物体,一般为四价元素，材料常用硅或锗，它们的最外层电子数，本身就是对，所以本身就是稳定状态,本征半导体将自然界中的半导体材料进行高温、高度提炼、使其纯度达到99.9999999%，且物理结构上呈单晶体形态当受到外界热、光等作用的，兴导电性能将明显变化,也就是说，当本征半导体的绝对温度为O时，它是不导电的

 

电子和空穴

在本征半导体中，一个自由电子对应一个空穴，或者说，自由电子与空穴总是成对出现。

由于没有多余的自由电子或者空穴，在热运动下，自由电子一旦碰上并进入一个空穴，此时自由电子与空穴同时消失，称之为复合运动在一定温度下，自由电子与空穴的产生和复合同时存在，称之为“动态平衡”。

 

N型半导体

 

在本征半导体中,掺入微量5价元素,如磷、锑、砷等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子,因此它与周围4个硅(锗)原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子,并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电，N型半导体中,自由电子称为多数载流子;空穴称为少数载流子。

 

 

P型半导体

 

在本征半导体中,掺入微量3价元素,如硼,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。

 

1.2 PN结

单纯的杂质半导体和本征半导体相比仅仅是提高了导电性能，一般只能制作电阻器件，而无法制成半导体器件。如果采用一定的掺杂工艺，在一块本征半导体的两边分别掺入不同的杂质，则半导体的一边成为N型半导体，另一边就成为P型半导体了。由于两种杂质半导体的相互作用在其交界出形成了一个很薄（数量级）的特殊导电层，这就是PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。

 

PN结单向导电性

 

若将电源的正极接P区,负极接N区,则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反,削弱了自建场,使阻挡层变窄,如图所示。显然,扩散作用大于漂移作用,在电源作用下,多数载流子向对方区域扩散形成正向电流其方向由电源正极通过P区、N区到达电源负极。

 

若将电源的正极接N区，负极接P区，则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同,增强了自建场,使阻挡层变宽,如图此时漂移作用大于扩散作用,少数载流子在电场作用下作漂移运动,由于其电流方向与正向电压时相反，故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的,故反向电流很小，而且当外加反向电压超过零点几伏时,少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流，此时反向电压再增加,载流子数也不会增加,因此反向电流也不会增加,故称为反向饱和电流

 

PN结特性曲线

PN结加正向电压,处于导通状态;加反向电压,处于截止状态,即PN结具有单向导电特性。

 

PN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过PN结的电

流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(UB)后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿,如图所示。UB称为击穿电压。

PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。

 

雪崩击穿

 

当反向电压足够高时,阻挡层内电场很强,少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用,获得很大的能量,在运动中与其它原子发生碰撞时,有可能将价电子“打”出共价键,形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道,在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对,如此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。

 

齐纳击穿

所谓“齐纳”击穿，是指当PN结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在PN结内就可形成很强的电场(可达2×106 V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。·

 

二、二级管

2.1 定义与特性

定义:

 

二极管就是半导体材料被封装之后，在PN结两端加上两个正负极引线制作而成。

 

符号与实物:

 

特性:

单向导电性，伏安特性

电路中二极管导通之后，所分电压值为0.7V。

发光二极管导通之后为分压值1 ~ 2v，电流范围为5 ~ 20mA

 

multisim仿真：

2.2 二极管的分类

①稳压二极管

 

能够稳定一定电压的二极管，其工作在反向击穿状态，反向电压应大于稳压电压

 

multisim仿真：

 

②整流二极管

 

用于把交流电变成脉动直流电

 

multisim仿真：

③开关二极管

功能:

它是电路上为进行“开”、“关”作用而特殊设计的二极管。它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短

应用:

在电路中主要防止反向电流烧坏一些精密器件起保护作用。

 

例如：

当电路遭遇反向电流时，电流可以通过右边的开关二级管形成回路，从而保护左边的电路。

 

三、三级管

 

定义:

由半导体组成具有三个电极的晶体管

特性：

输入电流控制输出电流

 

工作状态：

放大状态 – 发射结正偏，集电结反偏（UB>UE,UC>UB)

饱和状态 – 发射结和集电结均为正偏。

截止状态 – 发射结反偏或两端电压为零。

主要公式：

 

Ie = Ic + Ib = (1+β)Ib

Ic = βIb

截至状态：集电极和发射极之间相当于开路

放大状态：上面的公式

饱和状态：Ib与Ic都很大，没有倍数关系，UCE很小，相当于导线，工程上我们认为硅饱和导通的UCE的压降为0.3V，锗管为0.1V

 

multisim仿真：

 

四、MOS管

 

MOS管相当于另一种三极管，只有一种载流子(多子)参与导电，被称为单极型三极管，又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的半导体器件（被看成是电压控制器件)，因此也称为场效应管（简称FET)。

场效应管可以分为结型场效应管（简称JFET）和绝缘栅场效应管（简称IGFET)两类。

 

特点：

它是一种电压控电流的器件。它有三个电极栅极(G）,漏极（D），源级（S)，符号如下：

N沟道场效应管

 

P沟道场效应管

 

电压电流关系

 

工作区

1)可变电阻区

(特点:当UDS比较小时，ID,随UGS的变化而变化)

2）恒流区

(特点: ID不随UDS变化，只随UGS增大而增大)

3）截止区

(特点:UGS小于1.5V，ID=0，场效应管不导通)

4）击穿区

(特点:当UDS增大到一定值时，场效应管被击穿，ID突然增大，如无限流措施,管子将烧坏，在场效应管使用中一定要注意，防止管子击穿)

5）过损耗区

特点:如果长时间工作在此区域，没有很好的散热措施，很可能由于功率较大，造成管子烧坏。所以在使用中也要注意。管子的散热和最大功率

 

MOS管与三极管的比较

 

不同类型的MOS管

multisim仿真：

三、其他元器件管

 

3.1 电容

定义：

它有两个电极板，和中间所夹的介质封装而成，具有特定功能的电子器件。

作用：

旁路、去耦、滤波、和储能的作用。

 

①旁路电容

使输入电压均匀化，减小噪声对后级的影响。

进行储能，当外界信号变化过快时，及时进行电压的补偿。

 

②去耦电容

去耦电容和旁路电容的作用是差不多的，都有滤除干扰信号的作用，只是旁路电容针对的是输入信号，而去耦电容针对的是输出信号。

去耦电容一般比较大10uF或更大，旁路电容一般根据谐振频率是0.1uF或0.01uF。

 

③滤波和储能的电容

滤除杂波，大电容滤低频，小电容滤高频

收集电荷

 

④实际场景下的电容

铝电容的长脚为正极，短接为负极，或者电容上标有银色的一边为负极，瓷片电容和独石电容无极性，但设备生产中也有工艺要求。

总结：

电源上的电容作用一般是滤除电源电压的波动。

小电容滤高频，大电容滤低频，并且还提供一定的电压储备，以备后续电路的需要对于一些千扰性强的环境，电容的加入可以减少很多电路控制上不必要的麻烦，在使用电容时，还要注意耐压值和反接问题。

电容使用的取值大小可以参考别人的一些电路,很多都是工程上的一些经验

 

3.2 光耦

 

定义：

光耦实现了是一种“电-光-电”的转换。

实物与符号：

multisim仿真：

 

3.3 发声器件

定义：

作为电子讯响器，运用其发声特性，作为提示或播放等功能。

 

实物图：

 

图1为喇叭，无极性器件（没有正负之分），无源蜂鸣器（内部没有振荡源)，所以直流不能驱动，需要2KHZ~5KHZ的方波才能使其发出声响

图2为蜂鸣器，有极性（长脚为正，短接为负），有源蜂鸣器（内部含有震荡源），当给予1.5V~15V的电压后，就会发出声响。

 

3.4 继电器

定义：

它是一种“自动开关”，通过低电压、小电流去控制高电压、大电流。

 

继电器术语:

常开触点与常闭触点

实物图：

观察的数值：

驱动电压

可以承受的控制信号量值

 

multisim仿真：

 

3.5 瞬态电压抑制器

 

定义：

它是一种二极管形式的高效能的保护器件，防止瞬态高能量时冲击时，保护精密器件免受各种浪涌脉冲的损坏。

 

作用：

加在信号和电源线上，能防止微处理器，人体静电、交流浪涌或噪声，导致处理器的失灵。

 

能释放超过10000V，60A以上的脉冲，并能持续10ms，而一般的TTL器件，遇到30ms的10V脉冲时，便会导致损坏，所以利用TVS是既可以防止器件损坏，也可以防止总线之间开关引起的干扰。

将TVS放置在信号线和地之间，能避免数据及控制总线受到不必要噪声的影响。

典型电路：

实物：

 

 

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