导图社区 E118 electronic devices and circuits
大学的electronic devices and circuits课程笔记,知识点系统且全面,希望对大家有用。
编辑于2024-05-05 13:11:16这是一篇关于EEE229 Electrical Energy and C的思维导图,主要内容包括:Synchronous machines 、电磁理论基础运动、DC电机、AC Asyn AC异步电动机、Synchronous machines & applications等。
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A-LEVEL 9702 物理的知识要点整理,本导图较大,因为涵盖了物理量、匀变速运动、牛顿三定律、力矩、公于能等31各章节的重点内容图文汇总,完整覆盖考试大纲,大家自取。
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这是一篇关于EEE229 Electrical Energy and C的思维导图,主要内容包括:Synchronous machines 、电磁理论基础运动、DC电机、AC Asyn AC异步电动机、Synchronous machines & applications等。
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E118
WEEK1
导电原理
VB VS CB
Valence Band :(highest filled band –bound electrons)
Conduction Band (lowest unfilled band –electrons free to move about )
材料区分
Insulators
A large amount of energy required to promote electrons from valence band to conduction band
metals
Valence and conduction bands overlap. Electrons essentially free to move. Good conductors
Semiconductors
Electrons bound in valence band but moderate amounts of energy can promote an electron to the conduction band
主要是3-5族元素
硅 Silicon
锗 Germanium
硼 Boron
镓 Gallium
铟 Indium
铝 Aluminium
磷 Phosphorus
砷 Arsenic
绝缘体:电容器电容计算
Permittivity
is a measure of the ability of the material to polarize in response to the electric field thereby reducing the total electric field inside the material
relative permittivity of dielectric (电介质)
真空介电常数
A平板面积
d平板间距
week2
electron drift in crystal
mobility 移动性
m*
m* effective mass 等效质量
average time between scattering events 碰撞事件平均间隔时间
ohm's law
Conductivity 电导率
current density 电流密度(单位面积的电流)
电场强度
Resistivity 电阻系数
两种导体粒子
free electrons
hole
The absence of electrons in the VB (a hole or broken bond)
intrinsic semiconductor
金属 ni~ 10^28 - 10^29
半导体ni~10^15--10^16
C是一个常数(针对不同材料其数值不一样)
week3
掺杂Doping
n型掺杂 donor
掺杂周期五元素:P、As、Sb,有5个最外层电子
每个原子会形成一个自由电子
掺杂原子密度=majority of free electron density
自由电子是majority,热产生的hole是minority
n>>p
p型掺杂 acceptor
掺杂周期三元素:B,有3个最外层电子
每个掺杂原子形成一个可以导电的hole
掺杂元素密度=free hole density
hole是majority载流子,电子是minority载流子
diffusion
Flick's law
Diffusion current
Einstein relationship
D increase when T increase
D increase when mobility increase
drift and diffusion
diffusion会导致产生一个内部电场,以与drift进行平衡
week4
Generation and recombination
当处于平衡态,G=R
n型掺杂
p型掺杂
Disturb the Equilibrium
举例:在p型半导体里面使用光激发导致的非平衡态进行恢复
时间维度,指数形式衰减
距离维度,指数形式衰减
week5
P-N结
当PN结相邻的情况下,diffusion与drift的综合作用,在接触界面产生了一个内部电场,电势差近似于band gap(对于硅为~0.7v)
内电场促进少子的漂移运动(由于电势差引起的运动),阻碍多子的扩散运动(由于密度差导致的运动)
P的CB高于N的CB(其差值等于eV0与Eg相近)就是内置电势差导致了阻碍N区多子电子向P区运动,也阻碍P区的多子hole向N区运动
p/n耗尽层宽带与掺杂浓度成反比
其浓度越高,在耗尽层越薄,占整个耗尽层的占比越低
reverse bias削弱了多子的diffusion,少子的drift几乎不变
forward bias增强多子的diffusion,少子的drift几乎不变
正向电流与电压呈现指数增加
常温(300K)下,KBT/e=0.026v
WEEK7 & 8
LED & 激光laser
处于fwd电压(正向电压)状态下,p与n共存,复合,一个Eg的能量转化为1个光子发出
不同材料的Eg不同决定了其颜色不同
Some semiconductors do this efficiently (e.g. GaAs, InP, GaN)
others are inefficient (e.g. Si, Ge),转化为热
蓝/紫光与黄进行混合(透过黄色盖帽)产生白光
三明治结构,中间的GaAs层产生最大的光强
长度与其波长可以形成共振的激发激光
发光效率公式
ηd:差分效率,也就是激光器的效率,通常是指单位功率输入条件下,激光器输出的光子数与注入电流变化之间的比率。 q:电荷元素的电荷,通常是电子的电荷,大约为 1.6×10^−19 库伦。 λ:激光器输出的光波长,通常以米为单位。 h:普朗克常数,约为6.626×10^−34 米^2千克/秒。 c:光速 dP/dI:输出功率对输入电流的变化率。这是指在激光器中改变电流时,输出功率相应地如何变化。
感光器件与太阳能cell
负向电压为感光模式,光越强,负向电流越大
正向电压是solar cell模式,输出功率
光强越强,电流越大
条件是单个光子能量要大于Eg (物理学中光电效应章节,光频率高于门限频率/波长短于门限波长)
WEEK9
JFET结型场效应管
JFET通过VG,VD共同控制传输通道(N channel)
GATE 的VG施加负电压,即PN负向电压增大,通道变窄,电阻增大
Drain的VD正电压增加,drain与gate之间的耗尽层增大,通道变窄,电阻增大
VG,VD是共同开关的一部分,VD越大开关关小,VG负电压越低,开关越小
内部是自由电子从source到drain,电流方向为从drain到source
L:gate的长度,沿着(source,drian方向)
Z:gate的宽带
a:channel厚度
MOSFET
JFET vs MOSFET 两者的对比
CMOS
MOS是:金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管,有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路,而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC(Complementary MOS Integrated Circuit)。
CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成,它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截止,只有切换过程中耗电,相比BJT三极管功耗降低很多。
通过G的电压高低来控制VOUT输出高电压还是低电压,从而实现逻辑门电路
微型化带来的好处
WEEK 10
BJT(三极管)
运算集成放大器
operational amplifier
opamp 特点
a differental input
very high input resistance(>10^9)
very low output resistance(<50)
very high gain
opamp图示
Vs+ > vo > Vs−.
虚短:V+ ~V-
虚断:i-~i+=0
放大电路
需要利用虚短,虚断来推导vo/vi
no-inverting amplifier
如果av为有限值的情况
unity gain buffer
电压跟随器,降低load对信号源影响
inverting amplifier
-表明输出与输入反相
如果av为有限值的情况
summing amplifier
difference amplifier
general multiple input
利用叠加原理进行计算
vo计算
二极管
diode
silicon p-n junction diode
三角形箭头方向表明单向导通方向
0.7v为硅二极管导通电压
三种简化模型
a为0v导通,无内阻
b为0.7v导通,无内阻
c为0.7v导通,有内阻
导通状态计算
with fixed source
假设处于导通或者断开状态,然后计算二极管两端电压是否符合,如果不符合,则假设不合理,实际为另外一种状态
vith varying sources
关键是找出当source电压在什么值的情况下,二极管的正极电压-负极电压=0.7v(满足导通条件)
其他类型的diode
LED
通常为化合物二极管,入GaAS,GaP,GaN
不同颜色光的电压不同 ,红色LED 1.5v,green 2V, 蓝光LED 3V
Zener diodes
工作于反向,以保持输出电压的稳定
designed to be operated in the usually destructive reverse breakdown region and they are designed to break down at a well defined reverse voltage.
shottky barrier diodes
have advantages for high speed operation
used as signal detectors at frequencies up to 10^11 Hz
二极管的应用
rectifier and power supply application of diodes
peak dector
signal dectors
利用peak dector从调幅信号里面提取信号A
不同时间常数τ的影响
diode clamps
变为单向2倍峰值的输出
peak to peak dector(voltage doubler)
voltage multipler
做电压倍增,适用于小电流场景
half wave rectifier
half wave rectifier with smoothing
电路图
理想情况
实际情况
VR是电压波动,对于半波整理,此处f与电压源频率一致,对于全波整理,f为电压源频率的2倍
full wave rectifier
three phase full wave rectifiers
相比二相交流电,三相交流电进行整流的必要性不大
zener diode regulator
三极管特性
transistor characteristics
概述
通过电压来控制电流
主要包括三种器件
BJT
JFET
MOSFET
需要区分不同子型号,JFET,MOSFET需要区分N或Pchannel, BJT需要区分NPN或PNP型
输入特性
输出特性
JFET
BJT
MOSFET
三极管做放大器使用
Transistor as amplifier
amplifier增益类型
voltage gain
理想的具有无限大输入电阻,输出电阻为0
current gain
理想的具有0输入电阻,输出电阻为无穷大
power gain
用于high frequency,有50欧或75欧
三极管放大原理
通过输入电压控制输出电流
两种放大电路
low frequency, 1,2都可以用
high frequency,利用2且RE=0
正常工作状态
Vc should not fall below VB
coupling and decoupling
C通交流,阻断直流
C1:引入交流信号源并避免对工作偏置造成影响
C2:把射级与地短接,避免RE对交流信号造成影响
C3:把输出交流信号输出给load,同时阻断偏置电路对load的影响
C4:把R1中间点与地短接,消除R1对系统交流的负反馈
小信号模型small signal model
室温条件下采用该数值进行计算
小信号模型电路(交流)此为circuit2的
小信号模型电路(交流),此为circuit2的,对于circuit1,R1与R2并联在左侧
对交流电路,电容相当于导线;直流电源为0电阻,相当于导线短路;DC电流源相当于电阻无穷大开路
电路计算主要是评估Av=vo/vi
主要是利用基尔霍夫电压(KVL)和电流(KCL)来计算
三极管做开关使用
Transistor as switch
MOSFET and BJT switch
利用三极管的on off两种状态来实现switch
C为off状态,B为on状态
MOSFET switch
BJT switch
VCE 很小,只有几百毫伏,有时可以忽略不计
electronic switch with AC
H-bridge circuit
switching inductive load
当有电感部件存在,当断电时会造成破坏,必须有电流通路卸载电感通路产生的emf