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电子技术绪论

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电子技术基础

东北大学信息科学与工程学院NortheasternUniversity

绪

论

电子技术的发展及分类模拟信号与模拟电路数字信号与数字电路电子技术基础课的特点及内容如何学习这门课程课程的目的考查方法

电子技术的发展（）电子技术的发展

（1）

电子技术的发展，推动计算机技术的发展，电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之无孔不入”应用广泛！

“无孔不入”，应用广泛！

广播通信：

发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、广播通信：

发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、电话、手机网络：

路由器、交换机、网络：

路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器交换机收发器、工业：

钢铁、石油化工、机加工、工业：

钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：

飞机、火车、轮船、交通：

飞机、火车、轮船、汽车军事：

雷达、军事：

雷达、电子导航航空航天：

卫星定位、航空航天：

卫星定位、监测医学：

刀医学：

γ刀、CT、B超、微创手术、超消费类电子：

家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、消费类电子：

家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、）、电子玩具照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统

电子技术的发展（）电子技术的发展

（2）

电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展从电子管→半导体管半导体管→集成电路上。

从电子管半导体管集成电路真空管（电子管电子管）Vacuumtube第一代真空管电子管

1897年汤姆逊年汤姆逊（J.J.Thomson）验证了电子的存在年汤姆逊验证了电子的存在1904年英弗列明年英弗列明（J.A.Fleming）真空二极管年英弗列明1906年美德福雷斯特年美德福雷斯特（L.De.Forest）真空三极管年美德福雷斯特

晶体管Transister第二代晶体管

1947贝尔实验室布拉顿布拉顿（W.Brettern）巴丁（J.Bardeen）巴丁点接触晶体管肖克利（肖克利（W.Shockley）1952年面接触晶体管年

电子技术的发展（）电子技术的发展（3）

电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展从电子管→半导体管半导体管→集成电路上。

从电子管半导体管集成电路集成电路IC第三代集成电路（IntegratedCircuit）

1958年年1969年年1975年年集成电路大规模集成电路超大规模集成电路

第一片集成电路只有4个晶体管，第一片集成电路只有个晶体管，而1997年一片集个晶体管年一片集成电路中有40亿个晶体管有科学家预测，亿个晶体管。

成电路中有亿个晶体管。

有科学家预测，集成度还将按10倍年的速度增长年的速度增长，度还将按倍/6年的速度增长，到2015或2020年或年达到饱和。

达到饱和。

学习电子技术课程需时刻关注电子技术的发展！

电子技术的发展（）电子技术的发展（4）

电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展从电子管→半导体管半导体管→集成电路上。

从电子管半导体管集成电路

1904年电子管1904年电子管

1947年晶体管1947年晶体管

1958年集成电路1958年集成电路

电子管、晶体管、电子管、晶体管、集成电路比较

电子学从应用学科分类

无线电电子学：

通讯信息电子学：

控制、计量、信息电子学：

控制、计量、计算技术电力电子学：

电力电子学：

与电力工程相结合边缘学科：

光电子学、空间电子学、边缘学科：

光电子学、空间电子学、核电子学、子学、生物医学电子学等电子技术基础是专业基础课，电子技术基础是专业基础课，分为

模拟电子技术数字电子技术

模拟信号与模拟电路

（1）模拟信号与模拟电路

信号是反映信息的物理量

如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是信息的表现形式。

因而信号是信息的表现形式。

信息需要借助于某些物理量（如声、信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递（一种含义）。

的变化来表示和传递一种含义）。

一种含义

电信号

由于非电的物理量容易转换成电信号，由于非电的物理量容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，信号又容易传送和控制，因此电信号成为应用最为广泛的信号。

最为广泛的信号。

电信号是指随时间而变化的电压u或电流或电流i电信号是指随时间而变化的电压或电流，记作u=f（t）或i=f（t）。

模拟信号与模拟电路

（2）模拟信号与模拟电路

模拟信号：

连续性

对应任意时间值t均有确定的函数值u或，对应任意时间值均有确定的函数值或i，并连续取值的且u或i的幅值是连续取值的，即在时间和数或的幅值是连续取值值上均具有连续性。

值上均具有连续性。

模拟电路：

工作信号为模拟信号的电子电路。

模拟电路：

工作信号为模拟信号的电子电路。

任何瞬间的任何值均是有意义的

大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。

模拟信号与模拟电路（3）模拟信号与模拟电路

模拟电路最基本的处理是对信号的放大。

有功能和性能各异的放大电路。

其它模拟电路多以放大电路为基础。

数字信号与数字电路

（1）数字信号与数字电路

数字信号

在时间和数值上均具有离散性，或在时间和数值上均具有离散性，u或i的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义。

于最小量值时信号将毫无意义。

数字电路：

工作信号为数字信号的电子电路。

数字电路：

工作信号为数字信号的电子电路。

“1”的倍数的倍数

介于K与K+1之介于与之间时需根据阈值确定为K或K+1确定为或

“1”的电的电压当量

电子技术基础的特点

工程性

实际工程需要证明其可行性。

强调定性分析。

实际工程需要证明其可行性。

强调定性分析。

实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围。

合理地近似估算。

容许存在一定的误差范围。

合理地近似估算。

实践性

常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法软件的应用方法

模拟电子技术主要内容

学时）半导体二极管和三极管（8学时）学时学时）放大电路基础（8学时）学时功率放大电路（2学时）学时）功率放大电路（学时差动放大电路（4学时）差动放大电路（学时）学时信号的运算电路、比较器（学时学时）信号的运算电路、比较器（6学时）直流电源（学时学时）直流电源（2学时）

数字电子技术主要内容

数字逻辑基础逻辑门电路组合逻辑电路触发器时序逻辑电路半导体存储器脉冲波形的产生与整形可编程逻辑器件和现场可编程门阵列模和模/数转换数/模和模数转换模和模

课程意义和目的

电子技术是一门硬件方面的重要基础课。

任务是使同学们获得电子技术的基本理论、任务是使同学们获得电子技术的基本理论、基本知识、基本技能，基本知识、基本技能，掌握电子技术的基本分析方法和设计方法，本分析方法和设计方法，培养同学们的分析问题、解决问题能力以及工程实验能力。

析问题、解决问题能力以及工程实验能力。

本课程通过对常用电子元器件、本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。

在专业中的应用打下基础。

学习本门课程应注意的问题

应着重抓好基本理论、基本知识、⑴应着重抓好基本理论、基本知识、基本方法的学习。

学习。

能熟练运用电子技术的分析方法和设计方法。

⑵能熟练运用电子技术的分析方法和设计方法。

⑶重视实验技术。

重视实验技术。

注重培养系统的观念、工程的观念、注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。

观念和创新意识，学习科学的思维方法。

提倡快乐学习！

乐学习！

⒌教材及参考书

模拟电子技术教材：

《电路与电子学》王文辉刘淑英等电路与电子学》《模拟电子技术基础》华成英童诗白模拟电子技术基础》

⒌教材及参考书

数字电子技术教材：

《逻辑与数字系统设计》李晶皎等逻辑与数字系统设计》《数字电子技术基础》阎石数字电子技术基础》

⒍学时安排和成绩评定

授课88学时总学时授课学时实验单独开设平时：

平时：

20%考试：

80%考试：

第4章半导体二极管和三极管章

内容主要有：

半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性半导体器件的结构、原理、特性、参数半导体器件的结构、原理、特性、结构

半导体器件主要包括：

主要包括

半导体二极管（包括稳压管、特殊二极管等）半导体二极管（包括稳压管、特殊二极管等）三极管和场效应管

4.1PN结结

1.半导体

⑴半导体的物理特性物质根据其导电性能分为

导体：

导电能力良好的物质。

导体：

导电能力良好的物质。

绝缘体：

导电能力很差的物质。

绝缘体：

导电能力很差的物质。

半导体：

是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。

物和氧化物。

⑴半导体的物理特性

半导体的导电能力具有独特的性质。

温度升高时①温度升高时，纯净半导体的导电能力显著增加；增加；②在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”在纯净半导体材料中加入微量的杂质”加入微量的“元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体受到光照受到光照时③纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。

提高。

半导体为什么具有以上的导电性质？

⑵半导体的晶体结构

原子的组成：

带正电的原子核带正电的原子核若干个围绕原子核运动的带负电的电子若干个围绕原子核运动的带负电的电子整个原子呈电中性整个原子呈电中性

半导体器件的材料：

硅（Silicon-Si）：

四价元素，硅的原子序数是，外）四价元素，硅的原子序数是14，层有4个电子。

层有个电子。

锗（Germanium-Ge）：

也是四价元素，锗的原子序）也是四价元素，数是32，外层也是4个电子。

数是，外层也是个电子。

⑵半导体的晶体结构

简化原子结构模型如图4-1（a）的简化形式。

的简化形式。

简化原子结构模型如图的简化形式

惯性核

价电子

图4-1（a）硅和锗的简化原子模型

⑵半导体的晶体结构

单晶半导体结构特点共价键：

共价键：

由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。

子组成价电子对所构成的联系。

⑵半导体的晶体结构

是晶体共价键结构的平面示意图。

图4-1（b）是晶体共价键结构的平面示意图。

是晶体共价键结构的平面示意图

+4+4+4

+4+4

共价键

图4-1（b）晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图

2.半导体的导电原理2.半导体的导电原理

⑴本征半导体（IntrinsicSemiconductor）本征半导体（）

纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。

导体。

物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子—载流子的多少。

电的粒子载流子的多少。

载流子的多少

⑴本征半导体

本征半导体在绝对零度（相当于T=本征半导体在绝对零度（T=0K相当于相当于无外界激发条件，－273℃）时，无外界激发条件，无本征℃激发，半导体不能导电，相当于绝缘体。

激发，半导体不能导电，相当于绝缘体。

绝缘体在室温条件下，在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。

导电能力。

自由电子在原子间随机运动—电子载流子自由电子在原子间随机运动电子载流子空穴在相邻原子间移动—空穴载流子空穴在相邻原子间移动空穴载流子

⑴本征半导体

半导体中的载流子半导体中的载流子中的

自由电子空穴（空穴（Hole））

空穴和自由电子同时参加导电，空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点。

特点。

电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时的同时，价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴空穴。

位叫做空穴。

空穴带正电荷。

⑴本征半导体

空穴的运动实质上是价电子自由填补空穴而形成的。

电子成的。

+4BC+4

+4A+4空穴

图4-1（b）晶体共价键结构平面示意图

⑴本征半导体

由于空穴带正电荷，且可在原子间移动，由于空穴带正电荷，且可在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。

因此，空穴是一种载流子。

半导体中有两种载流子：

自由电子载流子简称电子）和空穴载流子（简称空穴）（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。

们均可在电场作用下形成电流。

⑴本征半导体

半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？

空穴浓度是否会越来越大呢？

实验表明，在一定的温度下，实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。

穴浓度都保持一个定值。

半导体中存在

载流子的产生过程载流子的产生过程产生载流子的复合复合过程载流子的复合过程

综上所述：

（1）半导体中有两种载流子：

自由电子和空半导体中有两种载流子：

自由电子和空半导体中有两种载流子电子带负电，空穴带正电。

穴，电子带负电，空穴带正电。

（2）本征半导体中，电子和空穴总是成对地本征半导体中，本征半导体中产生，产生，ni=pi。

（3）半导体中，同时存在载流子的产生和复半导体中，半导体中同时存在载流子的产生和复过程。

合过程。

⑵杂质半导体

本征半导体的电导率很小，本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。

半导体器件。

本征半导体的物理性质：

纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。

掺入微量元素，导电能力显著提高。

掺入的微量元素——杂质”——“掺入的微量元素——“杂质”。

掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。

导体。

⑵杂质半导体

常用的杂质元素

三价的硼（boron）、铝（aluminium）、铟（indium）、、三价的硼、、镓（gallium）五价的砷（arsenic）、磷（phosphor）、锑（antimony）、五价的砷、

通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。

成各种各样的半导体器件。

杂质半导体分为：

型半导体和型半导体。

型半导体和P型半导体杂质半导体分为：

N型半导体和型半导体。

①N型半导体型半导体

在本征半导体中加入微量的五价元素，在本征半导体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，可使半导体中自由电子浓度大为增加，型半导体。

形成N型半导体形成型半导体。

掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅或锗）原子的位置。

如图4-2所示所示。

（或锗）原子的位置。

如图所示。

①N型半导体型半导体

+4+4+4

掺入五价原子

掺入五价原子占据Si原子占据原子位置

共价键

在室温下+4就可以激发成自由电子

图4-2N型半导体晶体结构示意图型半导体晶体结构示意图

①N型半导体型半导体

杂质半导体中

有本征激发产生的少量电子空穴对。

自由电子的数目高，导电能力显著提高电子的数目高能力显著提高。

自由电子的数目高，故导电能力显著提高。

把掺入五价元素杂质的半导体称为N型半导体把掺入五价元素杂质的半导体称为型半导体

电子称为多数载流子（简称多子）电子称为多数载流子（简称多子）；空穴称为少数载流子（简称少子）空穴称为少数载流子（简称少子）。

在N型半导体中型半导体中

自由电子数等于正离子数和空穴数之和；自由电子数等于正离子数和空穴数之和；自由电子带负电，空穴和正离子带正电；自由电子带负电，空穴和正离子带正电；整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。

整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。

②P型半导体型半导体

在本征半导体中加入微量的三价元素，在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P使半导体中的空穴浓度大为增加，形成型半导体。

型半导体。

在P型半导体中型半导体中空位吸引邻空穴数等于负近原子的价电离子数与自由电子填充，子填充，从而子数之和；子数之和；留下一个空穴。

留下一个空穴。

空穴带正电，空穴带正电，负离子和自由电子带负电；子带负电；整块半导体中图4-3P型半导体型半导体正负电荷量相等保持电中性。

，晶体结构示意图保持电中性。

+4+4+4

A+4+3空位共价键+4+4+4+4

综上所述：

（1）本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。

本征半导体中加入五价杂质元素，便形成型半导体型半导体。

本征半导体中加入五价杂质元素

电子是多数载流子；电子是多数载流子；空穴是少数载流子；空穴是少数载流子；不参加导电的正离子。

不参加导电的正离子。

（2）本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。

本征半导体中加入三价杂质元素，便形成型半导体型半导体。

本征半导体中加入三价杂质元素

空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，电子是少数载流子，电子是少数载流子，不参加导电的负离子。

不参加导电的负离子。

（3）杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，杂质半导体中征激发产生，其浓度与温度有关。

征激发产生，其浓度与温度有关。

⑶载流子的漂移运动和扩散运动

漂移运动（①漂移运动（DriftMovement））有电场力作用时，有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。

称为漂移运动。

漂移运动漂移运动产生的电流称为漂移电流。

漂移运动产生的电流称为漂移电流。

漂移电流

②扩散运动扩散运动

由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动（DiffusionMovement），载流子扩散）运动所形成的电流称为扩散电流。

运动所形成的电流称为扩散电流。

扩散电流扩散是由浓度差引起的，扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。

大小与载流子的浓度梯度成正比。

3.PN结的形成结的形成

PN结：

结

是指在P型半导体和型半导体的交界处形成是指在型半导体和N型半导体的交界处形成型半导体和的空间电荷区。

的空间电荷区。

PN结是构成多种半导体器件的基础结是构成多种半导体器件的基础

二极管的核心是一个PN结二极管的核心是一个结；三极管中包含了两个PN结。

三极管中包含了两个结

3.PN结的形成结的形成

浓度差引起载流子的扩散。

扩散的结果形成自建电场。

空间电荷区也称作耗尽区”“耗尽区”“势垒区”

3.PN结的形成结的形成

自建电场阻止扩散，加强漂移。

动态平衡：

扩散漂移动态平衡：

扩散=漂移

4.PN结的特性4.结的特性

⑴PN结的单向导电性结的单向导电性结外加正向电压（或称正向偏置①PN结外加正向电压或称正向偏置结外加正向电压或称正向偏置）

PN结正偏时结正偏时空间电荷区变窄。

空间电荷区变窄。

不大的正向电压，不大的正向电压，产生相当大的正向电流。

电流。

外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。

较大。

②PN结外加反向电压结外加反向电压

PN结加反向电压或称反向偏置结加反向电压（或称反向偏置结加反向电压或称反向偏置）

流过PN结的电流主流过结的电流主要是少子的漂移决定称为PN结的结的反的，称为结的反向电流。

向电流。

PN结的反向电流很结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。

的大小基本无关。

PN结表现为很大的结表现为很大的电阻，称之截止。

电阻，称之截止。

②PN结外加反向电压结外加反向电压

PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自结加反向电压时，空间电荷区变宽，结加反向电压时建电场增强，多子的扩散电流近似为零。

建电场增强，多子的扩散电流近似为零。

反向电流很小，它由少数载流子形成，反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。

子浓度成正比。

少子的值与外加电压无关，因此反向电流的少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。

饱和电流。

温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结温度升高时，少子值迅速增大，所以结的反向电流受温度影响很大。

的反向电流受温度影响很大。

结论：

PN结的单向导电性：

结的单向导电性：

结的单向导电性

PN结加正向电压产生大的正向电流，PN结结加正向电压产生大的正向电流，结加正向电压产生大的正向电流

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