【硬件设计】模拟电子基础一--元器件介绍

前言：本章为知识的简单复习，不适合运用于考试。

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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。

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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(U_B)后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿,如图所示。U_B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。·

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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：

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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。

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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（U_B>U_E,U_C>U_B)
• 饱和状态 – 发射结反偏或两端电压为零
• 截止状态 – 发射结和集电结均为正偏。

主要公式：

• I_e = I_c + I_b = (1+β)I_b
• I_c = βI_b

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

multisim仿真：

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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U_DS比较小时，I_D,随U_GS的变化而变化)
2）恒流区
(特点: I_D不随U_DS变化，只随U_GS增大而增大)
3）截止区
(特点:U_GS小于1.5V，I_D=0，场效应管不导通)
4）击穿区
(特点:当U_DS增大到一定值时，场效应管被击穿，I_D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

三极管	MOS管
电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力)	电流控制器件（用电压产生电场来控制器件
输入阻抗不高	输入阻抗极高
噪声大	噪声小
反应速度较快	缺点速度慢

不同类型的MOS管


multisim仿真：

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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：

1. 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
2. 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。
3. 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

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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：

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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。

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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：

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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：

1. 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。
2. 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。
3. 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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