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微电子期末

半导体物理基础

半导体材料

  • 导体:$\rho < 10^{-4}\Omega\cdot cm$
  • 绝缘体:$\rho > 10^{9}\Omega\cdot cm$

本征半导体,空穴及其导电作用

  • 载流子:可以自由移动的带电粒子

  • 电导率:与材料单位体积中所含载流子数有关,载流子浓度越高,电导率越高

  • 本征激发:当半导体受热或光照激发时,某些电子从外界获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,离开原子成为自由电子,同时在共价键中留下相同数量的空穴

  • 空穴:共价键中的空位

  • 电子空穴对:由热激发而产生的自由电子和空穴对

半导体的重要特性

  • 在本征半导体中自由电子和空穴总是成对产生,其自由电子-空穴对随温度的增高而显著增加
  • 空穴的导电作用

本证半导体的缺点:载流子少,导电性差,温度稳定性差

杂质半导体

参入杂质的本征半导体称为杂质半导体

P型半导体

  • 参入3价杂质元素(如硼,镓和铟)的半导体

  • 空穴(p)是多数载流子(多子),它主要由掺杂形成;自由电子(n)是少数载流子(少子),由热激发形成

  • 空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子.3价杂质因而也称为受主杂质($N_A$)
    $$ N_A + n = p $$

N型半导体

  • 参入5价杂质元素(如)的半导体

  • 自由电子(n)是多数载流子,主要由杂质原子提供;空穴(p)是少数载流子,由热激发形成

  • 提供自由电子的5价杂质原子因带正电荷而成为正离子.因此5价杂质原子也称为施主杂质($N_D$)
    $$ n = p + N_D $$

载流子的漂移与扩散

  • 漂移电流:在电场作用下,载流子(自由电子/空穴)在电场作用下的漂移运动形成的电流

  • 扩散电流:因浓度差,载流子从浓度高处向浓度低处扩散运动,形成的电流

PN结

对于P型半导体和N型半导体的结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结

在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层

PN结的单向导电性

  • 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏

  • PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流

  • PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流

  • PN结$V$-$I$特性表达式:$i_D=I_S(e^{v_D/V_r}-1)$
    $I_S$:反向饱和电流
    $V_T$:温度的电压当量.在常温下$V_T=\dfrac{kT}{q}=26mV$

PN结的反向击穿

  • 电击穿(可逆)
    • 雪崩击穿:有正温度系数
    • 齐纳击穿:有负温度系数
  • 热击穿(不可逆)

PN结的电容效应

  • 扩散电容$C_D$:TODO

  • 势垒电容$C_B$:TODO

二极管

二极管的$V$-$I$特性

二极管的伏安特性曲线可表示:$i_D=I_S(e^{v_D/V_T}-1)$

  • 硅二极管的死区电压$V_{th}=0.5-0.8V$左右
  • 锗二极管的死区电压$V_{th}=0.1-0.3V$左右

二极管的主要参数

  • 最大整流电流$I_F$

  • 反向击穿电压$V_{BR}$和最大反向工作电压$V_{RM}$:实际工作时,最大反向工作电压一般只按反向击穿电压的一半计算

  • 反向电流$I_R$在室温下,最大反向工作电压下的反向电流值.硅二极管的反向电流一般在$nA$级;锗二极管在$\mu A$级

  • 极间电容$C_d=C_B+C_D$(TODO)

  • 反向恢复时间$T_{RR}$

  • 正向压降$V_F$:二极管能够导通的正向最低电压.硅二极管约$0.6-0.8V$,锗二极管约$0.2-0.3V$

二极管电路的简化模型分析方法

理想模型

恒压降模型

管压降恒定:

  • 硅管$0.7V$
  • 锗管$0.3V$

折线模型

硅管:

  • 门槛电压$V_{th}=0.5V$
  • 导通电流为1$mA$时,管压降为$0.7V$
  • $r_D=200\Omega$

小信号模型

常温下微变电阻$(300K)r_d=\dfrac{V_T}{I_D}=\dfrac{26(mV)}{I_D}$

模型分析法应用举例

限幅电路

开关电路

低电压稳压电路

小信号工作情况分析

TODO

齐纳二极管

半导体三极管

三极管的结构和符号

  • 集电极$c$ollector,集电区,集电结
  • 基极$b$ase,基区
  • 发射极$e$mitter,发射区,发射结

放大状态下三极管的工作原理

实现放大的外部条件:发射结正偏,集电结反偏

实现放大的内部条件:发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度,且基区很薄

共基极直流放大系数$\bar{\alpha}=\dfrac{\text{传输到集电极的电流}}{\text{发射极注入电流}}=\dfrac{I_{C}-I_{CBO}}{I_{E}}\approx\dfrac{I_C}{I_E}$

共射极直流放大系数$\bar{\beta}=\dfrac{\bar{\alpha}}{1-\bar{\alpha}}$

反向饱和电流/穿透电流$I_{CEO}=(1+\bar{\beta})I_{CBO}$

当$I_C >> I_{CEO}$时,忽略$I_{CEO}$,则$\bar{\beta}\approx\dfrac{I_C}{I_B}$

三极管的三种组态

  • 共发射极接法:CE
  • 共基极接法:CB
  • 共集电极接法:CC

BJT的$I$-$V$特性曲线

输入特性曲线

$$i_B=f(v_{BE})|_{v_{CE}=const}$$

  • 死区
  • 非线性区
  • 近似线性区

输出特性曲线

$$i_C=f(v_{CE})|_{i_B=const}$$

  • 饱和区:$i_C$明显受$v_{CE}$控制的区域,该区域内,一般$v_{CE} < 0.7V$(硅管).此时,发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小

  • 截止区:$i_C$接近0的区域,相当$i_B=0$的曲线的下方.此时,$v_{BE}$小于死区电压

  • 放大区:$i_C$平行于$v_{CE}$轴的区域,曲线基本平行等距.此时,发射结正偏,集电结反偏

  • Early效应
    输出特性比较平坦的部分随着$V_{CE}$的增加略向上倾斜

BJT的主要参数

  1. 电流放大系数

    • 共发射极直流电流放大系数$\bar{\beta}=\dfrac{I_C-I_{CEO}}{I_B}\approx\dfrac{I_C}{I_B}|_{v_{CE}=const}$

    • 共发射极交流电流放大系数$\beta=\dfrac{\Delta I_C}{\Delta I_B}|_{v_{CE}=const}$

    • 共基极直流电流放大系数$\bar{\alpha}=\dfrac{I_C-I_{CBO}}{I_E}\approx\dfrac{I_C}{I_E}$

    • 共基极交流电流放大系数$\alpha=\dfrac{\Delta I_C}{\Delta I_E}|_{v_{CB}=const}$
      当$I_{CBO}$和$I_{CEO}$很小时,$\bar{\alpha}\approx\alpha,\bar{\beta}\approx\beta$,可以不加区分

  2. 极间反向电流

  3. 极限参数

    • 集电极最大允许电流$I_{CM}$
    • 集电极最大允许功率损耗$P_{CM}=I_CV_{CE}$
    • 反向击穿电压
    • $V_{(BR)CBO}$:发射极开路时的集电结反向击穿电压
    • $V_{(BR)EBO}$:集电极开路时的发射结的反向击穿电压
    • $V_{(BR)CEO}$:基极开路时的集电极和发射极间的击穿电压

温度对BJT参数及特性的影响

温度对BJT参数的影响

温度对BJT特性曲线的影响

三极管放大电路

共射极放大电路的工作原理

静态

静态工作点(TODO)

动态

BJT放大电路的图解分析法

静态工作点的图解分析

  • 负载线
    • 输入:$V_{BE}=V_{BB}-i_BR_b$
    • 输出:$V_{CE}=V_{CC}-i_CR_c$

动态工作情况的图解分析

静态工作点对波形失真的影响

放大电路的动态范围

温度对工作点的影响(定性)

  1. 温度变化对$I_{CBO}$的影响

$I_{CBO}=I_{CBO(T_0=25^{\circ}C)}\cdot e^{k(T-T_0)}$

温度$T$上升$\to$输出特性曲线上移

  1. 温度变化对输入特性曲线的影响

$V_{BE}=V_{BE(T_0=25^{\circ}C)}-(T-T_0)\times2.2\times10^{-3}V$

温度$T$上升$\to$输入特性曲线左移

  1. 温度变化对$\beta$的影响

温度每升高1$^{\circ}C,\beta$要增加$0.5\%\sim1.0\%$

温度$T$上升$\to$输出特性曲线族间距增大

基极分压式射极偏置电路

  • 工作原理

TODO

场效应管

场效应管的分类

  1. MOSFET(IGFET)绝缘栅型
    1. 增强型
      • N沟道
      • P沟道
    2. 耗尽型
      • N沟道
      • P沟道
  2. JFET结型(耗尽型)
    1. N沟道
    2. P沟道

耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在
增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道

结构

  • 源极$s$ource
  • 栅极$g$ate
  • 漏极$d$rain

特性曲线

输出特性曲线

  1. 截止区
  2. 可变电阻区(非饱和区)
  3. 饱和区(恒流区,放大区):必须让FET工作在饱和区(放大区)才有放大作用
  • N沟道:$v_{GS},v_{DS}\uparrow,i_D\uparrow$
  • P沟道:$v_{GS},v_{DS}\downarrow,|i_D|\uparrow$

转移特性曲线

  • N沟道:$v_{GS},i_D\uparrow$
  • P沟道:$v_{GS},|i_D|\uparrow$

主要参数

  1. $V_T$:(增强型参数)开启电压
    $V_{TN}$:N沟道增强型开启电压
  2. $V_P$:(耗尽型/结型参数)夹断电压
  3. 饱和漏电流$I_{DSS}$(耗尽型):在$V_{GS}=0$的情况下,当$V_{DS} > V_P$时的漏极电流称为饱和漏极电流.通常令$|V_{DS}|=10V,V_{GS}=0V$时测出的$i_D$就是$I_{DSS}$.在转移特性上,就是$V_{GS}=0$时的漏极电流
  4. 直流输入电阻$R_{GS}$:在漏源之间短路的条件下,漏源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻

N沟道增强型MOSFET

工作原理

  1. $V_{GS}$对沟道的控制作用

    • 当$V_{GS}\le0$时
      无导电沟道.$d,s$间加电压时,也无电流产生
    • 当$0 < V_{GS} < V_{TN}$时
      产生电场,但未形成导电沟道(反型层),$d,s$间加电压后,没有电流产生
    • 当$V_{GS} > V_{TN}$时
      在电场作用下产生导电沟道,$d,s$间加电压后,将有电流产生.$V_{GS}$越大,导电沟道越厚
  2. $V_{DS}$对沟道的控制作用
    当$V_{GS}$一定($V_{GS} > V_{TN}$)时

    • $V_{DS}$增加$\to I_D$增加$\to$沟道电位梯度增加$\to$靠近漏极$d$处的电位升高$\to(d)$电场强度减小$\to(d)$沟道变薄
    • 当$V_{DS}$增加到使$V_{GD}=V_{TN}$时,在紧靠漏极处出现预夹断
    • 预夹断后,$V_{DS}$增加$\to$夹断区延长$\to$沟道电阻增加$\to I_D$基本不变
  3. $V_{DS}$和$V_{GS}$同时作用时
    $V_{DS}$一定,$V_{GS}$变化时,给定一个$V_{GS}$,就有一条不同的$i_D$-$V_{DS}$曲线

N沟道耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET

沟道长度调制等几种效应

  1. 沟道长度调制效应
    饱和区的曲线并不是平坦的

  2. 衬底调制效应(体效应)

    • 衬底未与源极并接时,衬底与源极间的偏压$V_{BS}$将影响实际的开启/夹断电压和转移特性
      • 阈值电压升高
      • TODO
    • 为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏,要求
      • N沟道:$V_{BS}\le0$
      • P沟道:$V_{BS}\ge0$
  3. 击穿效应

    1. 漏衬击穿:外加的漏源电压过高,将导致漏极到衬底的PN结击穿
    2. 栅极击穿:栅极电压过高,绝缘层击穿
      • 通常在MOS管的栅源间接入双向稳压管,限制栅极电压

JFET的结构和工作原理

工作原理

  1. $V_{GS}$对沟道的控制作用
    当$V_{GS} < 0$时:PN结反偏$\to$耗尽层加厚$\to$沟道变窄
    $V_{GS}$继续减小,沟道继续变窄
    当沟道夹断时,对应的栅源电压$V_{GS}$称为夹断电压$V_P$或$V_{GS(off)}$
    对于N沟道的JFET,$V_P < 0$

  2. $V_{DS}$对沟道的控制作用
    当$V_{GS}=0$时:$V_{DS}$增加$\to g,d$间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽层加宽,沟道变窄,从上至下呈楔形分布
    当$V_{DS}$增加到使$V_{GD}=V_P$时,在紧靠漏极处出现预夹断.此时$V_{DS}$增加$\to$夹断区延长$\to$沟道电阻增加$\to i_D$基本不变

  3. $V_{GS}$和$V_{DS}$同时作用时
    当$V_P < V_{GS} < 0$时,导电沟道更容易夹断,对于同样的$V_{DS},i_D$的值比$V_{GS}=0$时的值要小
    在预夹断处:$V_{GD}=V_{GS}-V_{DS}=V_P$

FET和BJT重要特性的比较

  1. 对应关系

  2. 输入对输出的控制

    • BJT:基-射极间电压$V_{BE}$控制集电极电流$i_C$
    • MOS管:栅源电压$V_{GS}$控制漏极$i_D$
    • 在放大区域内,MOS管的$i_D$与$V_{GS}$之间是平方关系,而BJT的$i_C$与$V_{BE}$之间是指数关系.所以通常BJT的跨导要大于MOS管的跨导
    • 因MOS管的栅极电流$i_G=0$而BJT的基极电流$i_B\not=0$,且电压$V_{BE}$首先影响$i_B$(或$i_E$)然后通过$i_B$()实现对$i_E$()的控制,故常将BJT称为电流控制器件,MOS管称为电压控制器件
  3. 跨导:TODO

  4. 输出电阻:TODO

  5. MOS管的$K_n$与BJT的$\beta$或$\alpha$:TODO

场效应管放大电路

基本共源极放大电路的组成

TODO

基本共源放大电路的工作原理

TODO

用图解方法确定静态工作点$Q$

TODO

放大电路模型

信号

  • 信号:信息的载体
  • 电信号:用电量来描述信息的变化

模拟信号和数字信号

  • 时间连续,数值连续:模拟信号
  • 事件离散,数值连续:AD(analog,digital)转换新号
  • 时间连续,数值离散:DA转换新号
  • 事件离散,数值离散:数字信号

放大电路

放大电路的符号及模拟信号放大

放大电路模型

电压放大模型

$A_v=\dfrac{v_o}{v_i}=A_{vo}\dfrac{R_L}{R_o+R_L}$

  1. 负载大小会影响增益的大小
  2. 减小负载的影响
  3. 减小输入回路对信号的衰减影响

电流放大模型

$A_i=\dfrac{i_o}{i_i}=A_{is}\dfrac{R_o}{R_o+R_L}$

  1. 减小负载的影响
  2. 减小对信号源的衰减

互阻放大模型

TODO

互导放大模型

TODO

隔离放大电路模型

TODO

放大电路的主要性能指标

输入电阻

$R_i=\dfrac{v_i}{i_i}$

决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小

  • 电压放大和互导放大->输入信号为电压-> $R_i$大
  • 电流放大和互阻放大->输入信号为电流-> $R_i$小

输出电阻

$R_o=\dfrac{v_t}{i_t}|_{v_s=0,R_L=\infty}$

决定了放大电路带负载的能力

  • 电压放大和互阻放大->输出信号为电压-> $R_o$小
  • 电流放大和互导放大->输出信号为电流-> $R_o$大

增益

  • 电压增益$A_v=\dfrac{v_o}{v_i}$
  • 电流增益$A_i=\dfrac{i_o}{i_i}$
  • 互阻增益$A_r=\dfrac{v_o}{i_i}$
  • 互导增益$A_g=\dfrac{i_o}{v_i}$

其中$A_v,A_i$常用分贝$(dB)$表示

  • 电压增益$=20\lg|A_v|$
  • 电流增益$=20\lg|A_i|$
  • 功率增益$=10\lg A_p$

频率响应(基本概念)及带宽(识图)

  • 频率响应:在输入正弦信号下,输出随输入信号频率连续变化的稳态响应

  • 频率失真

    • 幅度失真:对不同频率信号增益不同产生的失真
    • 相位失真:对不同频率的信号相移不同产生的失真

非线性失真

由元件非线性特性引起的失真
在频谱图上表现为新的频率分量产生

  • 频谱图

运算放大器

  • 符号
  • 电路模型

集成电路运算放大器

  • 当$A_{V_O}(v_P-v_N)\ge V_+$时,$v_O=V_+$
  • 当$A_{V_O}(v_P-v_N)\le V_-$时,$v_O=V_-$
  • 电压传输特性$v_O=f(V_P-V_N)$

运算放大器的电压传输特性

设$v_p > v_N$

  1. 线性区

$V_- < A_{V_O}(v_p-v_N) < V_+$
$v_O=A_{V_O}(v_p-v_N)$

  1. 饱和区
    • $A_{V_O}(v_p-v_N)\ge V_+$
      $v_O=+V_{om}=V_+$
    • $A_{V_O}(v_p-v_N)\le V_-$
      $v_O=-V_{om}=V_-$

理想运算放大器

理想运算放大器特点

  • 开环差模电压增益$A_{V_O}=\infty$
  • 差模输入电阻$r_{id}=\infty$
  • 输出电阻$r_O=0$

反馈(概念)

讲系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入,进而影响系统功能的过程

  • 正反馈
  • 负反馈

反馈的电压增益

深度负反馈

  • $1+A_{V_O}F_V >> 1$
  • 闭环增益$A\approx\dfrac{1}{F}$(反馈系数)

$A_V=\dfrac{v_o}{v_i}\approx\dfrac{1}{F_V}=1+\dfrac{R_2}{R_1}$

虚短和虚断

$A_V=\dfrac{v_o}{v_i}\approx\dfrac{1}{F_V}=\dfrac{v_o}{v_f}=\dfrac{v_o}{v_N} \Rightarrow v_i\approx v_f$或$v_P\approx v_N$

  • 虚短:在深度负反馈作用下,$v_N$自动跟踪$v_P$,净输入电压$(v_P-v_N)\to0$,即$P$端与$N$端相当于短路
  • 虚断:由于$(v_P\approx v_N)$,而运放的输入电阻阻值又很高,因此流经两输入端之间的电流$i_P=i_N\approx0$

同相放大电路

  1. 电压增益

根据虚短虚断的概念

  • $v_n=v_p=v_i$
  • $\dfrac{v_n-0}{R_1}=\dfrac{v_o-v_n}{R_2}$
    $\to A_V=\dfrac{v_o}{v_i}=\dfrac{R_1+R_2}{R_1}=1+\dfrac{R_2}{R_1}$
  1. 输入电阻

$R_i=\dfrac{v_i}{i_i}\to\infty$

  1. 输出电阻

$R_O=r_O\parallel[(R_1\parallel r_i)+R_2]\to0$

同相放大电路-电压跟随器

$v_o=v_n\approx v_p=v_i$

反相放大电路

  1. 电压增益

根据虚短虚断的概念

  • $v_n\approx v_p=0$(虚地)
  • $\dfrac{v_i-v_n}{R_1}=\dfrac{v_n-v_O}{R_2}$
    $\to A_V=\dfrac{v_O}{v_i}=-\dfrac{R_2}{R_1}$(负号表示输出与输入反向)
  1. 输入电阻

$R_i=\dfrac{v_i}{i_i}=\dfrac{v_i}{v_i/R_1}=R_1$

  1. 输出电阻

$R_O=r_O\parallel R_2\to0$

求差电路

$R_4=R_1,R_2=R_3$

  • 电压增益:$A_v=\dfrac{v_o}{v_{i2}-v_{i1}}$

  • 输入电阻:$R_i=\dfrac{v_{i2}-v_{i1}}{i_2}$

  • 输出电阻:$R_o\to0$

求和电路

$R_1=R_2=R_3$

输出再接一级反向电路

数字逻辑

数字信号

  1. 模拟信号:时间和数值均连续变化的电信号,如正弦波,三角波

  2. 数字信号:在时间上和数值上均是离散的信号

  3. 模拟信号的数字表示:由于数字信号便与存储,分析和传输,通常将模拟信号转换为数字信号

数字信号的描述方法

  1. 二值数字逻辑和逻辑电平

    • 二值数字逻辑:0,1数码
      • 二进制数:表示数量
      • 二值逻辑:表示事物状态
    • 表示方式:在电路中用低,高电平表示0,1两种逻辑状态
  2. 数字波形:信号逻辑电平对时间的图形表示

    • 主要参数
      • 周期($T$):两个相邻脉冲之间的时间间隔
      • 脉冲宽度($t_w$):脉冲幅值的50%所跨越的时间
      • 占空比($Q$):脉冲宽度栈整个周期的百分比
      • 上升/下降时间($t_r/t_f$):从脉冲幅值10%到90%锁经历的时间

二值逻辑变量与基本逻辑运算

  • 逻辑符号/逻辑表达式

逻辑门电路

分类

一般特性

  1. 输入和输出的高,低电平

    • $V_{IL(max)}$:输入低电平的上限值
    • $V_{IH(min)}$:输入高电平的下限值
    • $V_{OL(max)}$:输出低电平的上限值
    • $V_{OH(min)}$:输出高电平的下限值
  2. 噪声容限

在保证输出电平不变的条件下,输出电平允许波动的范围

负载门输入高电平时的噪声容限:$V_{NH}-$当前级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值
$V_{NH}=V_{OH(min)}-V_{IH(min)}$

负载门输入低电平时的噪声容限:$V_{NL}-$当前级门输出低电平的最大值时允许正向噪声电压的最大值
$V_{NL}=V_{IL(max)}-V_{OL(max)}$

  1. 传输延迟时间

开关速度的参数,说明门电路在输入脉冲波形的作用下,其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间

  1. 功耗

    • 静态功耗:电路没有状态转换时的功耗,即门电路空载时电源总电流$I_D$与电源电压$V_{DD}$的乘积
    • 动态功耗:电路在输出状态转换时的功耗
    • 对于TTL门电路,静态功耗是主要的.CMOS电路的静态功耗非常低,有动态功耗
  2. 延时-功耗积
    是速度功耗综合性的指标,用符号$DP$表示
    $DP=\dfrac{t_{pLH}+t_{pHL}}{2}P_D$

  3. 扇入与扇出数

    • 扇入数:取决于逻辑门的输入端的个数
    • 扇出数:在正常工作情况下,所能带同类门电路的最大数目

MOS开关及其等效电路

当$v_1 < V_T$:MOS管截止,输出高电平
当$v_1 > V_T$并且比较大:MOS管工作在可变电阻区,输出低电平

  • 当输入为低电平时
    MOS管截止,相当于开关断开,输出为高电平

  • 当输入为高电平时
    MOS管工作在可变电阻区,相当于开关闭合,输出为低电平

MOS管相当于一个由$V_{GS}$控制的无触点开关

CMOS反向器

CMOS逻辑门

CMOS传输门

TODO

TTL

  • TTL反向器
  • TTL与非门
  • TTL或非门

半导体存储器(基本概念)

  • RAM(随机存取存储器):在运行状态可以随时进行读或写操作.存储的数据必须有电源供应才能保存,一旦掉电,数据全部丢失

  • ROM(只读存储器):在正常工作状态只能读出信息.断电后信息不会丢失

  • 字长(位数)

  • 字数

  • 地址

  • 存储容量=字数$\times$位数

  • 掩摸ROM

    • 存储矩阵的每个交叉点是一个存储单元,存储单元中有期间存入1,无器件存入0
    • 出厂时已经固定,适合大量生产,便宜,非易失性
  • 可变长ROM(PROM)

    • 存储单元与掩摸ROM不同
    • 熔丝由易熔合金制成,出厂时每个节点上都有,编程时讲不用的熔断.一次性编程,不能改写
  • 可擦除的的可编程ROM(EPROM)

    • 存储单元与掩摸ROM不同
    • 用紫外线擦除的PROM(UVEPROM)
    • SIMOS 叠栅注入MOS管
      • 若$G_f$上充负电荷,则$G_c$处于正常逻辑高电平下不导通
      • 若$G_f$上为充负电荷,则$G_c$处于正常逻辑高电平下导通
      • 写入:雪崩注入.$D$-$S$间加高压($20-25V$),发生雪崩击穿,同时在$G_c$上加$25V,50ms$宽的正脉冲,吸引高速电子穿过$SiO_2$到达$G_f$,形成注入电荷
      • 擦除:通过照射产生电子-空穴对,提供泄放通道.紫外线照射20-30分钟,阳光下一周,荧光灯下3年
  • 电可擦除的可编程ROM(E$^2$PROM)

    • 微客服UVEPROM擦除慢,操作不便的缺点,采用FLOTOX(浮栅隧道氧化层MOS管)
    • $G_f$与$D$之间有小的隧道区,$SiO_2$厚度$< 2\times10^{-8}m$
    • 当场强大到一定大小($10^7V/cm$)时,电子会穿越隧道
    • TODO
  • 快闪存储器(Flash Memory)

  • 静态随机存储器SRAM

    • 存储单元:6个N沟道增强型MOS管
  • 动态随机存储器DRAM

    • 利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理
  • SRAM和DRAM的区别

    • SRAM:速度快,贵

微电子学的新发展(基本概念)

  • 冯诺依曼架构:用数学模型和算法来描述和模仿神经元的行为和相互关系,但计算仍然运行在传统的计算机上

  • 非冯诺依曼架构:用电子器件模拟生物神经元的功能,构建新的神经计算机

  • 忆阻器:$V(t)=M(q(t))I(t)$.功能如同电阻,但在关掉电源后,仍能记忆先前通过的电荷量.忆阻器的电阻值取决于多少电荷经过了这个器件:让电荷以一个方向流过,电阻会增加;让点何以相反的方向流过,电阻就会减小

    • 工作原理:一块极薄的二氧化钛($TiO_2$)被夹在两个电极中间,分成2个部分,一般是正常的二氧化钛,另一半进行了掺杂,少了几个氧原子($TiO_{2-x}$),掺杂的那一半带正电.当电流从掺杂的一边通向正常的一边时,在电场的影响下缺氧的掺杂物会往正常的一侧游移,使得掺杂的部分会占较高的比重,整体的电阻降低
    • 特点
      • 输入输出关系是非线性的
      • 输入和输出都是连续的,其存储的精度理论上是无限的
      • 无源电路元器件,方便将其应用在电路中,形成混合型电路
      • 非易失性
      • 高集成密度,高读写速度,低功耗,多值计算
    • 应用前景
      • TODO
      • 存算一体
  • 石墨烯:一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料

    • 极薄极轻,比表面积$2630m^2/g$
    • 导热率为$3000-5000W/mK$
    • 极强的力学性能
    • 优良的导电性
    • 制备方法
      • 物理方法
        • 机械剥离法
        • 液相或气相直接剥离法
      • 化学方法
        • 表面析出生长法
        • 氧化石墨还原法
        • 化学气相沉积法
        • 化学合成法
    • 应用前景
      • 低成本石墨烯电池
      • 可折叠弯曲屏
      • 石墨烯传感器
      • 石墨烯过滤器
      • 石墨烯生物器件
      • 石墨烯感光元件
      • 太阳能电池
      • 柔性微处理器
    • 由石墨烯到二维材料
      1. 结构有序
      2. 在二维平面生长
      3. 在第三维度超薄
  • 自旋场效应晶体管

    • 电子的电荷与自旋:在半导体材料中有电子空穴两种载流子,极化电子优自旋向上向下两种载流子
    • 电子的自旋极化:TODO
  • 柔性电子学

    • 概念:涵盖有机电子,塑料电子,生物电子,纳米电子,印刷电子等技术,是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术.相对于传统电子,柔性电子具有更大的灵活性.
    • 应用场景:TODO,柔性显示,有机电致发光显示与照明,化学与生物传感器,柔性光伏,柔性逻辑与存储,柔性电池,可穿戴设备
    • 柔性电子器件的材料
      • 碳纳米管
      • 金属氧化物半导体薄膜
      • 金属纳米薄膜,金属纳米线
      • 有机高分子薄膜
      • 水凝胶离子导体
      • 液态金属
    • 柔性电子制造方法
      • 转移印刷
      • 喷墨印刷
      • 纤维结构形成
    • 可拉伸结构的设计:TODO

提纲

半导体三极管

  • 输入特性曲线
  • 输出特性曲线
    • 区域,含义
  • 主要参数

三极管放大电路

  • 共射极放大电路
    • 工作原理
    • 计算静态工作点
    • 负载线
    • 失真和静态工作点的关系
    • 温度对工作点的影响(定性)
    • 基极分压式射极偏置电路(认识,工作原理)

场效应管

  • 不同类型的管子
    • 符号
    • 结构
    • 工作原理
    • 特性曲线
      • 输出(分区)
      • 转移
    • 几种效应
    • 主要(直流)参数

场效应管放大电路

  • 基本共源极放大电路
    • 工作原理(不要求公式)
  • 图解法求静态工作点
    • 负载线与输出特性曲线

放大电路模型

  • 基本定义
  • 符号
  • 增益的定义
  • 几种模型
  • 性能指标
    • 输入电阻
    • 输出电阻
    • 增益
    • 频率响应和带宽:基本概念,识图
    • 非线性失真:概念,识图(不要求计算)

运算放大器

  • 组成单元
  • 结构框图
  • 符号
  • 电路模型
  • 参数特点
  • 理想运放
  • 反馈:概念
  • 深度负反馈:概念
  • 虚短,虚断
  • 几种电路
    • 基本形式
    • 特征

数字逻辑

  • 概念
  • 逻辑符号,逻辑表达式

逻辑门电路(不要求分析)

  • 基本参数
  • 反向器,与非门,或非门,传输门
  • TTL(反向器)(认识)
微电子

电路模型和电路定律

电流和电压的参考方向

  • 关联参考方向:电流、电压方向一致
  • 非关联参考方向:电流、电压方向不一致

电功率和能量

在$U,I$为关联参考方向下:

  • $U,I$同号,元件吸收功率
  • $U,I$异号,元件释放功率

电阻元件

线性电阻

电容元件

$dq=Cdv$

电容吸收的功率

电感元件

$d\phi=Ldi$

电压源和电流源

受控电源

控制系数

基尔霍夫定律

  • 支路:组成电路的每一个二端元件称为一条支路
  • 节点:支路的连接点称为节点
  • 回路:由支路构成的闭合路径称为回路

KCL:基尔霍夫电流定律

在集总电路中,任何时刻,对任一节点,所有流出节点的支路电流的代数和恒等于0

KVL:基尔霍夫电压定律

在集总电路中,任何时刻,沿任一回路所有支路电压的代数和恒等于0

电阻电路的等效变换

电路的等效变换

  • 等效电路:对电路的一部分进行简化,用简化的电路替代原电路.代换与被代换部分的电压,电流关系相同.这两部分电路互称等效电路

电阻的串联和并联

桥形连接

当满足条件$R_1R_4=R_2R_3$时,对角线支路中的电流为0,称为电桥处于平衡状态,这一条件也成为电桥的平衡条件

电阻的$Y$形联结和$\Delta$形联结的等效变换

  • $\Delta$形电阻$=\dfrac{Y\text{形电阻两两乘积之和}}{Y\text{形不相邻电阻}}$

$R_{12}=\dfrac{R_1R_2+R_2R_3+R_3R_1}{R_3}$
$R_{23}=\dfrac{R_1R_2+R_2R_3+R_3R_1}{R_1}$
$R_{31}=\dfrac{R_1R_2+R_2R_3+R_3R_1}{R_2}$

  • $Y$形电阻$=\dfrac{\Delta\text{形相邻电阻的乘积}}{\Delta\text{形电阻之和}}$

$R_1=\dfrac{R_{12}R_{31}}{R_{12}+R_{23}+R_{31}}$
$R_2=\dfrac{R_{23}R_{12}}{R_{12}+R_{23}+R_{31}}$
$R_3=\dfrac{R_{31}R_{23}}{R_{12}+R_{23}+R_{31}}$

电压源,电流源的串并联

  • 只有电压相等极性一致的电压源才允许并联,等效电路为其中任一电压源
  • 只有电流相等方向一致的电流源才允许串联,等效电路为其中任一电流源

实际电源的两种模型及其等效变换

  • 电压源转为电流源:$i_s=\dfrac{u_s}{R}$

(含受控源电路的)输入电阻

当一端口无源网络内含有受控源时,可以采用外加电压法外加电流法求得输入电阻之和

电阻电路的一般分析

电路的图

线图(图)

用线段代替电路中的每个元件,线段称为支路,线段的端点称为结点,这样的以线,点组成的几何结构图称为线图或拓扑图,简称,用$G$表示

树,树支,连支

  • 树:包含图$G$的全部结点和部分支路,本身是连通的,不包含回路,用$T$表示
  • 树支:构成树的各支路叫树支
  • 连支:除树支以外的其他支路称为连支

KCL和KVL的独立方程数

  • 对一个节点数为$n$,支路数为$b$的连通图
    • KCL独立方程数为$n-1$个
    • KVL独立方程数等于它的独立回路(连支)数$b-n+1$

支路电流法

  1. 选定各支路电流的参考方向
  2. 对$(n-1)$个独立结点列出KCL方程
  3. 选取$(b-n+1)$个独立回路,指定回路的绕行方向,列出KVL方程

网孔电流法

仅适用于平面电路

回路电流法

  1. 根据给定的电路,通过选择一个树确定一组基本回路,并指定各回路电流的参考方向
  2. 列出回路电流方程
  3. 当电路中优受控源或无伴电流源时,另行处理
  4. 对于平面电路可用网孔电流法

结点电压法

  1. 指定参考结点,其余结点对参考节点之间的电压就是节点电压.通常以参考结点为各节点电压的负极性
  2. 列出节点电压方程
  3. 当电路中有受控源或无伴电压源时需另行处理

电路定理

叠加定理

一个具有唯一解的线性电阻电路,任一处的电压(或电流)是各个独立电源单独作用时在该处产生的电压(或电流)的叠加

齐性定理

线性电路中当所有激励都增大或缩小$N$倍,则电路的相应也将增大或缩小$N$倍

替代定理

戴维宁定理和诺顿定理

戴维宁定理

一个含独立电源,线性电阻和受控源的一端口,对外电路来说,可以用一个电压源与电阻的串联组合来等效.其中电压源的电压等于一端口的开路电压$U_{OC}$,电阻等于一端口的全部独立电源均置0后的输入电阻$R_i$

诺顿定理

一个含独立电源,线性电阻和受控源的二端网络,可以等效为一个电流源和电导的并联组合.电流源的电流等于该网络的短路电流,电导等于该网络全部独立电源置0后的输入电导

动态电路

含有动态元件电容和电感的电路称为动态电路

特点:当动态电路状态发生改变时(换路)需要经历一个变化过程才能达到新的稳定状态.这个变化过程称为电路的过渡过程

过渡过程产生的原因:电路内部含有储能元件$L,C$,电路在换路时能量发生变化,而能量的存储和释放都需要一定的时间来完成

动态电路的方程

含有一个动态元件电容或电感的线性电路,其电路方程为一阶线性常微分方程,称一阶电路
含有两个动态元件的线性电路,其电路方程为二阶线性常微分方程,称二阶电路
结论

  • 描述动态电路的电路方程为微分方程
  • 动态电路方程的阶数通常等于电路中动态元件的个数

动态电路的初始条件

换路定律

换路瞬间,若电容电流保持为有限值,则电容电压(电荷)换路前后保持不变
换路瞬间,若电感电压保持为有限值,则电感电流(磁链)换路前后保持不变

正弦电路

同频率正弦量的相位差

$\phi=\psi_i-\psi_u$

  • $\psi < 0,u$超前$i$ $\phi$角($u$比$i$先到达最大值)

同相,反相

周期性电流,电压的有效值

电压有效值$U=\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_0^Tu^2(t)dt}=\dfrac{1}{\sqrt{2}}U_m$

正弦稳态电路的功率

$u(t)=\sqrt{2}U\sin\omega t,i(t)=\sqrt{2}I\sin(\omega t-\phi)$

  • 平均功率:$P=\dfrac{1}{T}\int_0^Tpdt=UIcos\phi$,表示电路实际消耗的功率,亦称为有功功率
  • 无功功率:$Q=UI\sin\phi$,反映网络与外电路交换功率的大小,是由储能元件$L,C$的性质决定的.单位:var(乏)
  • 视在功率(表观功率):$S=UI$,反映含源一端口的做功能力,反映电气设备的容量.单位:$VA$(伏安)

R,L,C元件的有功功率和无功功率

对电阻,$u,i$同相,故$Q=0$,电阻只吸收(消耗)功率,不发出功率

  • $P_R=UI\cos\phi=UI\cos0$
  • $Q_R=UI\sin\phi=UI\sin0$

对电感,$u$领先$i$ 90,故$P_L=0$,即电感不消耗功率.由于$Q_L > 0$,故电感吸收无功功率

  • $P_R=UI\cos\phi=UI\cos90$
  • $Q_R=UI\sin\phi=UI\sin90$

对电容,$i$领先$u$ 90,故$P_C=0$,即电容不消耗功率.由于$Q_C < 0$,故电容发出无功功率

电感,电容的无功补偿作用

当$L$发出功率时,$C$刚好吸收功率,则与外电路交换功率为$p_L+p_C$.因此$L,C$的无功具有互相补偿的作用

有功,无功,视在功率的关系

$S=\sqrt{P^2+Q^2}$

功率因数提高

设备容量$S$(额定)向负载送多少有功要由负载的阻抗角决定:$P=S\cos\phi$

功率因数低带来的问题:

  1. 设备不能充分利用,电流到了额定值,但功率容量还有
  2. 当输出相同的有功功率时,线路上的电流大,线路压降损耗大

解决办法:并联电容,提高功率因数(改进自身设备)

  • $P_R=UI\cos\phi=UI\cos0$
  • $Q_R=UI\sin\phi=UI\sin0$

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