【硬件设计】模拟电子基础一--元器件介绍

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
    在这里插入图片描述
  • 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”。
    在这里插入图片描述

N型半导体

在本征半导体中,掺入微量5价元素,如、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
在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述


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。
在这里插入图片描述

PN结单向导电性
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述
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:在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述


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
在这里插入图片描述

multisim仿真:
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②整流二极管

用于把交流电变成脉动直流电

multisim仿真:
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述

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:
在这里插入图片描述

  • 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:
在这里插入图片描述



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:
在这里插入图片描述

N沟道场效应管
在这里插入图片描述
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P沟道场效应管
在这里插入图片描述
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电压电流关系
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工作区
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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

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
在这里插入图片描述
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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
在这里插入图片描述
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

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:
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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:
在这里插入图片描述

  • 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:
在这里插入图片描述
观察的数值:

  • 驱动电压
  • 可以承受的控制信号量值

multisim仿真:
在这里插入图片描述


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:
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实物:
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