电子学讲义上.docx

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电子学讲义上

第一章概論

電子學的發展史

（1）真空管時期：

（第一代電腦）

1946年：

以真空管組成第一部電腦。

真空管缺點：

可靠度不佳、燈絲易斷，體積大，產生熱量大。

（2）電晶體時期：

（第二代電腦）

電晶體特點：

體積小、重量輕、低功率、性能優，可靠性高。

（3）積體電路時期：

（第三代電腦）

積體電路（IntegratedCircuit）簡稱IC：

在微小的晶片（Chip）上，製造出電晶體、二極體、電阻等元件。

依積體電路含零件數不同，可分為下列幾個不同時期：

積體電路的優點：

1、體積與重量大幅度減少。

2、低功率消耗。

3、溫度穩定佳，可靠性增加。

4、可高速工作;

5、元件容量大。

（4）微電腦時期：

（第四代電腦）

由於VLSI技術進步，產品大多以微電腦方式控制，所以VLSI時期又稱為微電腦時期。

EX：

製成積體電路晶片（ICChips）的材料是。

（85）

（A）磷（B）鋁（C）矽（D）鎂

◆：

目前絕大部份的IC晶片均採用矽（Si）為材料，少部份的CPU由於速度上的需求，才使用砷化鎵（GaAs）為材料。

EX：

一般而言，邏輯閘數目最少的積體電路為。

（92）

（A）LSI（B）MSI（C）SSI（D）VLSI

◆詳解：

不論邏輯閘數目或元件數目，其內含最少的積體電路皆為SSI（小型積體電路），而最多的則為VLSI。

第二章半導體與二極體

§2-1半導體

半導體（Semiconductor）

導電能力介於導體（具有高傳導率）與絕緣體（具有低傳導率）之間。

特性：

（1）載子濃度愈高，則電阻係數愈低。

（2）載子移動率愈快，則電阻係數愈低。

（3）呈負溫度係數，即溫度上升時，電阻係數下降。

（4）電壓（V）與電流（I）的關係呈非線性。

鍺（Ge）和矽（Si）的最外層軌道有四個價電子，皆屬四價元素。

砷化鎵（GaAs）電子移動速度較矽快，用於高頻場合（CPU、高頻無線通訊）。

本質半導體

（1）不摻入任何雜質半導體，稱本質半導體或純半導體，如純矽或純鍺。

（2）在絕對零度（0K＝-273℃）時，如同一絕緣體（不導電）。

此時Si=1.21eV，Ge=0.78eV。

（3）室溫（25℃）下，欲使共價鍵破裂所需之能量，Si=1.1eV，Ge=0.72eV。

（4）電子數與電洞數相等，故呈電中性。

雜質半導體

在本質半導體中摻入微量（108:

1）的3價或5價雜質，因而產生更多的電洞或電子，提高半導體的導電能力。

EX：

對一處於絕對零度（0K）之本質半導體，在此本質半導體之兩端加一電壓；若此本質半導體並未發生崩潰，則在本質半導體內。

（90）

（A）有電子流，也有電洞流（B）有電子流，但沒有電洞流（C）沒有電子流，但有電洞流（D）沒有電子流，也沒有電洞流

◆詳解：

在0K下，本質半導體如同絕緣體，所以沒有電子流與電洞流流動

EX：

在本質半導體中，摻入下何項雜質元素，即可成為P型半導體？

（91）

（A）磷（B）硼（C）砷（D）銻

◆詳解：

（1）本質半導體（4價）＋3價雜質元素（硼、銦、鎵、鋁）共有7個價電子，少一個電子（可視為多一個電洞），故稱為P型半導體。

（2）本質半導體（4價）＋5價雜質元素（磷、砷、銻）共有9個價電子，多一個電子，故稱為N型半導體

質量作用定律

熱平衡下，正負載子濃度的乘積為定值，與摻雜的施體及受體雜質的份量無關。

即　NP=Ni2

其中　N：

自由電子濃度

P：

電洞濃度

Ni：

本質濃度

EX：

純矽半導體本質濃度Ni=1.51010原子/cm3，其密度為51022原子/cm3，若每108個矽原子加入一個硼原子，則將成為何種類型半導體，又電子濃度為多少？

◆詳解：

（1）純矽半導體加入三價雜質（硼原子），每加入一個硼原子，即會多出一個帶正電的電洞

電洞濃度P=51022=51014（電洞/cm3）

（2）依質量作用定律np=

電子濃度（電子/cm3）

由於P>>n（電洞濃度遠大於電子濃度），故為P型半導體

§2-2二極體的特性

空乏區（depletionregion）

當P型半導體與N型半導體結合時，接面附近的區域僅有不可自由移動的正負離子，有如絕緣體。

此一區域稱為空乏區（depletionregion）。

障壁電壓（barrierpotential）

（1）空乏區形成後，接合面N側帶正電，P側帶負電，此電位差即稱為障壁電壓（barrierpotential）。

（2）PN二極體的障壁電壓（切入電壓），Ge=0.2V～0.3V，Si=0.6V～0.7V。

順向偏壓（forwardbias）

（1）當外加電源的正極性接在P側，負極性接在N側，則稱為順向偏壓（forwardbias）。

（2）加順向偏壓時，空乏區寬度減少。

（3）當外加順向電壓大於障壁電壓時，將產生順向電流，則順向電阻Rf很小。

逆向偏壓（reversebias）

（1）外加電源的負極性接在P側，正極性接N側，稱逆向偏壓（reversebias）。

（2）加逆向偏壓時，空乏區寬度變大，障壁電壓增高。

（3）仍有少數載子流動，稱逆向飽和電流Ico或漏電流。

PN二極體（D，diode）的結構與符號

（a）結構（b）符號

理想模式：

只工作於順向導通（ON）與逆向截止（OFF）兩種狀態。

（a）順向導通狀態（b）逆向截止狀態　　　（c）特性曲線

定電壓模式：

二極體順向偏壓時，只有順向電壓降Vd（矽二極體Vd≒0.6V～0.7V，鍺二極體Vd≒0.2V～0.3V），而逆向偏壓時，則如同理想模式（Rr=）。

（a）順向導電狀態　　（b）逆向截止狀態　　　　（c）特性曲線

含順向電壓與內阻的模式：

二極體順向偏壓時，除了順向電壓降Vd外，尚含有順向電阻Rf；而逆向偏壓時，則如同理想模式（Rr=）。

（a）順向導電狀態　　（b）逆向截止狀態　　　　　（c）特性曲線

實際模式：

為真實二極體的情況，電流特性曲線為非線性的指數公式

二極體的串、並聯應用

（1）二極體的串聯：

提高最大的逆向耐壓

原始電路改良電路

（2）二極體的並聯：

提高最大的順向電流

原始電路改良電路

EX：

圖之二極體在流通1mA電流時，兩端的電壓差為0.7V，若=1且VT=25mV，則vD=?

（92）

◆詳解：

二極體的特性曲線方程式為ID=IS（-1）≒IS

（1）由題目（ID=1mA，VD=0.7V，=1，VT=25mV）

可得1mA=IS……

（1）

（2）由題目的電路圖可知──兩並聯二極體的總電流為20mA，所以流過單一個二極體的電流ID==10（mA），故得10mA=IS…

（2）

（3）=

10-1=……兩邊分別取ln，得

-1ln10=……查表得ln10=2.303

-2.30325m=0.7-VD

得VD=0.7+2.3032510-3=0.757575（V）

EX：

在圖所示之理想二極體電路中，若R=1k，則流經此電阻的電流為何？

（92）

◆詳解：

（1）當只有1V的電壓時，D1ON，所以VR=1V

（2）當有1V與3V的電壓時，D2ON，D1OFF，所以VR=3V

（3）同理，當有1V、3V與5V的電壓時，D3ON，D1、D2皆OFF，

所以VR=5V

故IR==5（mA）

EX：

圖之迴路中，D1、D2為矽二極體，則I2=？

（89）

◆詳解：

（1）由於D1、D2皆順向導通，且為矽二極體，所以其等效電路如下

（2）=3.32（mA）

（3）=0.21（mA）

（4）I2=IT-I1=3.11（mA）

EX：

如圖，D1與D2為理想二極體，為了使輸出電壓Vo的值隨輸入Vi之增大而變大，需選擇Vi之（下限，上限）為？

（89）

◆詳解：

（1）若Vi=0時，D1OFF，D2ON，+1=3（V）

故Vi3V，才能使D1ON，Vo值將隨Vi增大而變大，此為其下限電壓

（2）若VA>5V，D2OFF，Vo將為定值（5V），故Vi之上限電壓為

（Vi-1）+1=VA=5（V）

（Vi-1）=4，故Vi=9（V）

二極體的編號（92）

（1）1N4001~1N4007：

整流二極體

（2）1N4148：

偏壓與溫度補償二極體

（3）1N60：

檢波二極體

§2-3二極體的功用

二極體依功能和作用的不同，可分下列幾種：

（1）檢波二極體：

適用於高頻檢波電路。

（2）整流二極體：

適用於低頻整流電路。

（3）偏壓二極體：

適用於音響電路。

（4）開關二極體：

適用於控制電路。

（5）保護、溫度補償與防止雜訊。

二極體具有單向導電的特性，主要作為檢波、整流和截波之用，但不能作放大器。

§2-4稽納二極體（ZenerDiode）

稽納二極體

（1）又稱崩潰二極體（breakdowndiode）或參考二極體（referencediode）。

（2）專門工作於逆向崩潰電壓，沒有負電阻特性。

（3）功用：

具有穩壓的作用，可作電壓調整器（voltageregulator），比較電壓的參考元件和截波網路（chippingnetwork）。

（4）符號：

稽納二極體特性

當稽納二極體兩端的電壓小於VZ時，稽納二極體是呈現開路（斷路，IZ=0）狀態。

當稽納二極體兩端的電壓大於（或等於）VZ時，稽納二極體崩潰導通，其端電壓等於VZ，所以具穩壓作用。

開路狀態（VkA

EX：

如圖所示電路，假設稽納（Zener）二極體之rZ=20，IZK=2mA，VZ=6.7V，試求稽納二極體能適當工作在崩潰區之最小負載電阻值RL=？

（90）

◆詳解：

（1）稽納二極體（ZenerDiode）正常工作的最小崩潰電壓為

VZD=VZ+rZIZK=6.7+20210-3=6.74（V）

當　VRLVZDVZ=6.7V時，稽納二極體才能正常工作

所以　VZ

6.7得RL0.63k

EX：

圖中Vin=20V、Rs=1k，稽納二極體DZ的參數為VZ=9.3V、IZK=1mA及IZM=6mA，若忽略其稽納電阻，且二極體D1之膝點電壓（kneevoltage）為0.7V，則可讓稽納二極體DZ正常運作之最低負載電阻RL=?

（92）

◆詳解：

（1）稽納二極體正常運作（導通）後

VRL=VD1+VZ=0.7+9.3=10（V）

IRS==10（mA）

（2）由於使稽納二極體正常運作的最小電流IZK=1mA

故IRL（max）=IRS-IZK=10-1=9（mA）

所以讓稽納二極體正常運作的最低負載電阻

RL（min）=≒1.11k

§2-5其他二極體

發光二極體（LightEmittingDiode）

（1）簡稱LED

（2）符號：

（3）工作於順向偏壓。

（4）LED發光度與順向電流If成正比，一般LED之工作電壓約1.7V～3.3V，工作電流約10～15mA。

（5）LED是使用的材料