作者：姜有根
出版社：电子工业出版社
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电子线路(第5版)试读：
职业院校教学用书（电子类专业）电子线路（第5版）姜有根 主编李郁文 郭晋阳 马广月 熊联荣 副主编内容简介本书将电子线路的基础内容分为半导体器件、模拟电路、数字电路、脉冲电路、电路实例5个目标，每个目标下设置数个实验任务，把理论内容作为支持实验的背景知识。
本书可作为职业院校电子技术专业的基础教材，也适于具有初中文化的电子爱好者自学。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据电子线路/姜有根主编. —5版. —北京：电子工业出版社，2014.3职业院校教学用书．电子类专业ISBN 978-7-121-22689-2Ⅰ. ①电… Ⅱ. ①姜… Ⅲ. ①电子线路－中等专业学校－教材 Ⅳ. ①TN710中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第055247号策划编辑：杨宏利 投稿邮箱：yhl@phei.com.cn责任编辑：杨宏利 特约编辑：王 纲印 刷：北京季蜂印刷有限公司装 订：三河市鹏成印业有限公司出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036开 本：787×1 092 1/16 印张：16.25 字数：416千字印 次：2014年3月第1次印刷印 数：3 000册 定价：30.50元
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半导体器件有分立件和集成电路两种，是构成电子线路的核心。电子线路知识是电路设计和修理技术的基础。
依据电路中半导体器件的工作状态和电路处理信号的原理，电路可分为模拟、脉冲、数字三种基本类型，而实用电路通常是复杂的，不是模拟与脉冲的交叉，就是脉冲与数字的混合。在构成上，集成电路与分立件混用也很常见。
学习知识是为了掌握技术，电子实验操作既是技术练习，又对理论知识学习有神奇的促进和转化作用。本书分为半导体器件、模拟电路、数字电路、脉冲电路、电路实例5个部分，在编写时尽量降低实验和理论知识的难度，以适用于初步掌握焊接与万用表使用方法的读者及教学。
为了照顾维修人员查阅方便，本书某些元器件的符号未执行最新国家标准，敬请读者见谅。
本书由姜有根担任主编，李郁文、郭晋阳、马广月、熊联荣为副主编，参与编写的还有王岚、崔鹏飞、金国栋、张翠兰、苏永昌、郝健、戴顺、宋军、姜南等。由于编者水平有限，书中错误和疏漏在所难免，敬请各位读者批评指正。编 者2014年2月目标1 半导体器件
半导体器件问世之前的电子线路称为电子管电路，以半导体器件为核心构成的电路称为半导体电路。学习电路知识和电子技术，在掌握电阻、电容、电感等常用元件特性的基础上，还要了解半导体器件的特性。任务1：二极管特性检测一、实验用品
① 设备：万用表（指针式、数字式均可）。
② 被测器件：普通二极管数只（含被击穿和内部断路的坏二极管）。二、二极管单向导电特性检测
检测二极管单向导电特性的简单方法是使用万用表。
用指针式万用表检测二极管单向导电特性如图1-1-1所示，图中显示了测量二极管正反向电阻值的差别，一般选用电阻挡的×10挡位（×1挡电流较大，对有些二极管会造成损坏）。图1-1-1 用指针式万用表检测二极管
使用指针式万用表电阻挡时，注意黑笔是与表内电池正极相连的，红笔连接的是表内电池负极。检测前要对电阻挡进行调零。
新式指针万用表设有LV、LI刻度，可在检测正向导通电阻的同时，在LV刻度上读出二极管正向导通压降，确认二极管的材料，还可在LI刻度上读出通过二极管的电流。
数字式万用表设有检测二极管的专用挡位，直接显示二极管两端电压降，如图1-1-2所示。图1-1-2 用数字式万用表检测二极管正向压降
数字式万用表与指针式万用表不同，红笔输出正电，黑笔输出负电。正向检测时数字式万用表显示的是二极管的正向导通压降。
两种万用表的测试方法都是先测试二极管正向导通电压，再对照测试反向截止特性。
在一般电路制作和检修中，利用万用表对照检测二极管两个方向的电阻值或正向导通电压（LV读值），就可确认二极管的半导体材料和PN结好坏。用指针式万用表测试二极管，将相关数据记录在表1-1-1中。表1-1-1 用指针式万用表测试二极管数据记录表三、二极管伏安特性检测
1．数据测试
二极管伏安特性曲线的测试电路，如图1-1-3所示。
图1-1-3（a）为正向伏安特性曲线的测试电路，图1-1-3（b）为反向伏安特性曲线的测试电路。电路中R（100Ω）是限流保护电阻，RP（10kΩ）是电位器，U是直流电源。CC图1-1-3 二极管伏安特性曲线的测试电路（1）正向测试
在图1-1-4所示的电路实验板（此类实验板有单孔、双孔、四孔几种类型，市场有售，也可自制）上，按图1-1-3（a）焊接组装实验电路。正向测试电路中使用硅普通二极管（2CP），U=1.5V（1节CC干电池）。图1-1-4 分立件电路实验板
测试操作时，先把电位器RP的c端旋到b端，然后调节电位器RP，按设定值逐点提高加在二极管两端的电压，将各点测试的电流值记录于表1-1-2中。表1-1-2 二极管正向检测数据表（2）反向测试
为降低测试电压和保证器件的安全，反向测试电路中使用硅稳压二极管（2CW类）。按图1-1-3（b）更换二极管和电源，U=9V（6CC节干电池）。
具体操作与正向测试操作完全相同。先把电位器RP的c端旋到b端，然后调节电位器RP，按设定值逐点提高加在二极管两端的电压，将各点测试的电流值记录于表1-1-3中。表1-1-3 二极管反向检测数据表
2．二极管伏安特性曲线描绘
两次测试之后，在坐标纸上画出伏安特性的直角坐标系，横坐标为电压值，纵坐标为电流值。以表1-1-2和表1-1-3中各组电压值、电流值为坐标，标出各点，最后把各坐标点连成圆滑的曲线，即是二极管的正反向伏安特性曲线。背景知识：PN结与二极管一、PN结
1．半导体的基本特性
导电性能良好的物质称为导体，导电性能极差的物质称为绝缘体，导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。单质和化合物中都有半导体物质，硅和锗是制作半导体器件的两种单质材料，都是四价元素，在常温下都为共价键的晶体结构，状态稳定，自由电子极少。图1-1-5为硅原子的晶格结构。
晶格整齐排列的称为单晶体，晶格杂乱的称为多晶体。纯净的单晶半导体又叫本征半导体，是制作半导体器件的基础材料。
共价键的价电子吸收足够能量就会挣脱束缚成为自由电子，共价键中则出现一个空位，称为空穴。一个价电子离位，就出现一个自由电子（带负电）和一个空穴（带正电），如图1-1-6所示。
固态物质导电都是靠电子移动，但半导体导电分为两种情况，没有空穴参与的称为电子导电；若有空穴参与，电子填补空穴，又产生新的空穴，形成空穴的相对移位，这种现象称为空穴导电。所以，半导体导电有电子导电和空穴导电两种状况，电子和空穴都叫载流子。在外电场作用下形成电流时，电子向高电位移动，空穴向低电位移动。图1-1-5 硅原子的晶格结构图1-1-6 本征半导体中的电子、空穴对
半导体的导电能力具有可变性和可控性。半导体在受热或光照的激发下，一些价电子吸收能量而挣脱束缚成为自由电子，使导电性能增强。
半导体的导电性能会随温度的升高而增强，称为热敏特性。热敏特性是各类半导体材料的共性，虽有强弱差别，却是半导体材料的共同弱点。
半导体的导电性能还会随光照的增强而增强，称为光敏特性。利用光敏特性显著的半导体可制造光敏元件，作为检测光照变化的传感器。
利用热扩散技术在本征半导体中掺入微量的其他元素后，可使半导体的导电特性发生本质变化。这就是半导体的掺杂特性。
2．两种掺杂半导体
在通常状态下，半导体因受热形成的自由电子和空穴数量总是相等的，且数量很少；掺杂异价元素形成的自由电子（或空穴）却是单一的，大量的。（1）N型半导体
在本征半导体（四价元素）中掺入微量五价元素，两种元素形成共价键时，五价元素的一个电子无处安置，成为自由电子，如图1-1-7所示。
以自由电子为多数载流子（空穴为少数载流子）的半导体，称为N型半导体。N型半导体导电是电子导电。（2）P型半导体
在本征半导体（四价元素）中掺入微量三价元素，两种元素形成共价键时，三价元素少一个电子与四价元素结对，成为一个空穴，如图1-1-8所示。
以空穴为多数载流子（电子为少数载流子）的半导体，称为P型半导体。P型半导体导电属于空穴导电。
在掺杂半导体中，多数载流子（简称多子）和少数载流子（简称少子）共同参与导电，虽数量相差悬殊，流向相反，但功效相同。分析各种原理时，当以多子为主体。图1-1-7 N型半导体结构图1-1-8 P型半导体结构
3．PN结的结构与特性（1）PN结的结构
以自由电子为多数载流子的N型半导体和以空穴为多数载流子的P型半导体本身都不显电性。当在本征半导体中掺杂制作出两块紧密相连的P型半导体和N型半导体时，N型半导体中的高浓度自由电子会穿越界面向P型半导体中扩散，填补P型区中的空穴（也可理解为空穴与电子相向扩散而复合），使界面两侧的杂质元素形成完整而稳定的共价键。N型区中的五价元素失去电子而带正电，P型区中三价元素的空穴被电子填充而带负电，在交界面形成一个正负电荷分侧对峙而无载流子的特殊薄层，因载流子耗尽而被称为耗尽层，耗尽层就是PN结。PN结的结构，如图1-1-9所示。图1-1-9 PN结的结构
在界面两侧正负电荷之间的电场称为PN结电场（也叫结内电场、内电场），结内电场由空穴与自由电子相向扩散形成，且不断增强，而结内电场的电场力又对空穴与自由电子的扩散形成阻碍，当多数载流子的扩散力与内电场力达到平衡时为PN结的稳定状态。（2）PN结的基本特性
PN结的基本特性是单向导电，即在外加电压的作用下只能单向导电。PN结的单向导电特性如图1-1-10所示。
① 加正向电压PN结导电。
如图1-1-10（a）所示，给PN结的P端接高电位、N端接低电位时，由于外电场与结内电场反向，合电场强度降低，减小了对多数载流子扩散的阻力。外电场打破了原来的平衡，既降低了结电场强度，又为多子的扩散增加了外力，使空穴与电子的扩散能够持续进行，在回路中形成由P区通过PN结流向N区的电流，这种导电现象称为PN结正向导电。接高电位的P区一端称为PN结的正极，接低电位的N区一端称为PN结的负极。图1-1-10 PN结的单向导电特性
PN结正向导电时，会呈现出相应的电阻特性，在其两端显现正向电压降。当正向电流较大时，会生热烧毁PN结。图1-1-10（a）中的灯泡既有分压限流保护PN结的作用，又有指示电路导通的作用。
② 加反向电压PN结不导电。
如图1-1-10（b）所示，给PN结的P端接低电位、N端接高电位时，由于外电场的方向与PN结电场的方向相同，驱使多数载流子逆扩散方向而行。带正电的空穴向P区外端移动，带负电的电子向N区外端移动，使PN结的电荷层变厚、结电场增强。多数载流子逆扩散方向移动称为漂移。由于耗尽层内没有载流子，漂移电流非常微弱，可看做不导电。
PN结反向加电时，小幅度提高电压并不能使漂移电流增大。只有当外电场过强时，耗尽层内的共价键被外电场力破坏，才会形成较大的反向电流，称为PN结被击穿，丧失单向导电特性。二、二极管
半导体二极管（简称为二极管）是一种结构最简单的半导体器件。在PN结的P、N两区各接出一段引线并加以封装，就制成了一只二极管。P区接出的引线是二极管的正极，N区接出的引线是二极管的负极。国产半导体分立器件型号命名方式见附录A。
1．二极管的基本特性和符号
二极管的图形符号如图1-1-11所示。
二极管的基本特性是单向导电。空三角一端是二极管的正极，尖头指示二极管的正向图1-1-11 二极管的图形符号电流方向；小短线一端为二极管的负极，表示反向不能形成电流。
二极管的字母符号为VD或D，标注在二极管图形符号旁。
2．二极管的伏安特性
描述二极管电流与两端电压量值关系的曲线称为二极管的伏安特性曲线，如图1-1-12所示。伏安特性曲线直观、具体地说明了二极管在各种加电状态下的导电特性。
图1-1-12（a）为二极管总的伏安特性曲线。
第一象限为二极管的正向伏安特性曲线，二极管正向电压很低时并不导通，称为死区电压；二极管的正向电压超过死区电压后，正向电流增长很快，而电压的变化极小，此电压称为导通电压。图1-1-12 二极管的伏安特性曲线
第三象限为二极管的反向伏安特性曲线。普通二极管在加反向电压超过某一量值（此刻的电压称为反向击穿电压）时，反向电流会突然增大，电压会即刻降为0，并失去单向导电性而损坏，这种现象称为反向击穿。只有稳压二极管在反向击穿后能维持击穿电压。
构成PN结的半导体材料不同，二极管的正反向特性也不同。图1-1-12（b）显示了锗、硅两种材料的二极管的死区电压（硅二极管约为0.5V，锗二极管约为0.1V）和导通电压（硅二极管为0.6～0.7V，锗二极管为0.2～0.3V）。正向电压过高、导通电流过大时，二极管的PN结也会烧坏。
3．二极管的主要参数
① 最大整流电流I。最大整流电流是指二极管长时间使用时，FM允许流过的最大正向平均电流。使用时通过二极管的平均电流要小于这个电流，否则会因电流过大、PN结过热而将二极管烧坏。
② 最高反向工作电压U。这是为确保二极管安全使用所允许施RM加的最大反向电压。一般给出的最高反向工作电压为击穿电压的1/2～2/3。
③ 反向饱和电流I。这是指二极管加最高反向工作电压时的反向R电流。此值越小，说明二极管的单向导电性越好。
④ 最高工作频率f。f是指二极管做导通、截止切换变化的最高MM频率。给二极管施加的交流信号频率不得接近或超过f。M
4．二极管的使用
① 普通二极管采用点接触式结构，工作电流较小，可在电路中用于检波和小电流整流，二极管正向伏安曲线的非线性区也有分频检波功能。大电流整流则需要用面接触结构的专用整流二极管（整流二极管的图形符号、字母符号与普通二极管相同）。
② 二极管的单向导电特性在一定条件下还可视为一个开关。二极管的正向导通相当于开关的闭合状态，死区和反向截止相当于开关的断开状态。
③ 二极管处于正向导通时具有低值稳压（硅二极管为0.7V，锗二极管为0.2V）功能，可在电路中做钳位（实质是稳压）、温度补偿等应用。若需高稳压值，则要用稳压二极管。
④ 对于工作在大电流状态的各类二极管都要有保护措施。基于半导体的热敏特性，温度升高将使二极管的单向导电性变差。对工作于大电流状态的二极管要加散热保护。
⑤ 给二极管加过高的正向电压或过高的反向电压都会使二极管因电流过大而损坏，可串接适当阻值和功率的电阻予以分压限流保护。二极管在测试时也要注意限流保护，通常不用万用表的×1电阻挡测试二极管正向导通。三、其他类型的二极管
1．稳压二极管
稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，专为在电路中稳定电压设计，故简称稳压管。稳压二极管的字母符号为VS或图1-1-13 稳压二极管图形符号VZ，图形符号如图1-1-13所示。
稳压二极管通过专门设计，与一般二极管相比有两个特别的地方，一是稳压二极管工作在反向击穿状态，它在反向击穿时，两端的电压保持基本不变，起到稳压的作用，所以它的反向击穿电压就是稳压值。二是稳压二极管的反向击穿是可逆的，即当外加电压去掉后，稳压二极管又恢复常态，因此它可长期工作在反向击穿区而不至于损坏。
稳压管的主要参数有以下几项。
① 稳定电压U。稳定电压是稳压管在正常的反向击穿时，管子Z两端的电压。稳压管上给出的稳定电压值是在规定的工作电流和温度下测试出来的。由于制造工艺的分散性，同一型号的稳压管的稳压值可能有所不同，但每一个管子的稳压值是一定的。例如2CW14的U Z为6～7.5V，指的是这种型号的稳压管稳压值的范围，具体到各个管子的实际稳压值可能是不同的，所以在使用之前一定要测试。
② 最大稳定电流I。最大稳定电流是指稳压管允许通过的最大反Z向电流。稳压管在工作时所通过的电流不应超过此值，使用和测试时都要串接限流电阻。
精确检测稳压二极管的稳压参数可按图1-1-14（a）所示连接电路，选择适当的限流电阻，用万用表的直流电压挡检测稳压管两端的电压。也可用万用表的高阻挡（用高电压积层电池供电）对稳压管进行粗测，如图1-1-14（b）所示，利用LV刻度读取稳压值。图1-1-14 稳压管的检测
稳压管的正向导通特性与普通二极管相同。
2．发光二极管
发光二极管（LED）是一种能把电能变成光能的半导体器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式，用来作为指示灯和显示器件。它和普通二极管一样，具有单向导电性，当LED正向加电且达到确定电流时就会发光，电流过大会烧坏发光二极管。
LED的种类以发光的颜色区分，可分为红色、黄色、绿色、白色和红外光二极管等。发可见光的发光二极管又有普通和强光两类。
对于发红光、黄光、绿光的LED，引脚引线较长的都为正极，较短的为负极。如管帽上有凸起标志，那么靠近凸起标志的引脚为正极，如图1-1-15（a）所示。
LED的字母符号为VL，图形符号如图1-1-15（b）所示。
LED可用直流、交流等电源驱动，发光二极管使用时必须正向偏置且必须接限流电阻R，改变R的大小，就可以改变发光二极管的发光亮度，如图1-1-15（c）所示。图1-1-15 LED的外形、图形符号与使用电路
由于LED的发光电压高于1.5V，检测LED须用低阻挡电池为3V的万用表（如MF368），用低阻挡电池为1.5V的万用表检测LED时要在表外串接一个1.5V电池，如图1-1-16所示。
遥控器手柄的红外光发射二极管通电时不亮，但能驱动红外接收管，所以，检测红外发射管、接收管时要两种管子配合。
检测LED是否正常，只看其通电后亮不亮即可，做这种检测的万用表没必要电阻调零，后文中的同类检测也是这样，请读者注意。
3．光敏二极管
光敏二极管（也叫光电二极管）在使用时必须反向偏置，其反向电阻随光照强度的增加而减小的特性突出，是一种单向的光变阻器件。当没有光照射时反向电阻很大，当有光照射时反向电阻减小，反向电阻随光照强度近似线性变化，因此可用于光的测量。图1-1-16 用万用表检测LED的方法
在光敏二极管的管壳上有一个玻璃窗口，以便于接受光照，其外形与图形符号如图1-1-17所示。
用万用表检测光敏二极管要用高阻挡（R×10k），如图1-1-18所示，检测它在光照变化时的电阻变化，以确认好坏或优劣。图1-1-17 光敏二极管的外形与图形符号图1-1-18 用万用表检测光敏二极管的方法
光电二极管有光伏效应，可做光电源。
4．变容二极管
由于PN结的结构如电容，所以二极管具有电容效应，称为结电容。（1）变容二极管的变容特性
变容二极管就是结电容随外加反向电压变化明显的二极管，其在电路中可作为变电容器使用。
反向电压升高时，PN结变厚，结电容减小；反向电压降低时，PN结变薄，结电容增大。变容二极管的图形符号及结电容与外加反向电压的关系，如图1-1-19所示。图1-1-19 变容二极管的图形符号及结电容与外加反向电压的关系图1-1-20 变容二极管电调谐电路（2）变容二极管的基本应用
变容二极管常用在高频电路中，如调频收音机的选台和电视机的频道选择，通过改变反向偏置电压调节变容二极管的结电容，实现接收设备电调谐及自动调谐。用变容二极管构成的电调谐电路如图1-1-20所示。
图1-1-20中，调谐回路的谐振频率由L和C及变容二极管的结电l容C决定，通过调节变容二极管两端的反向电压，即可改变变容二极J管的结电容，使谐振回路的频率发生变化，从而利用直流电压的变化达到调谐的目的。习题1-1
1．问答题（1）说明本征半导体中自由电子与空穴的形成。（2）说明半导体中空穴导电的原理。（3）N型半导体中的多数载流子是什么？怎样形成的？（4）P型半导体中的多数载流子是什么？怎样形成的？（5）PN结为什么又叫耗尽层？
2．填空题（1）硅二极管的死区电压为______V，正向导通电压为______V。（2）锗二极管的死区电压为______V，正向导通电压为______V。
3．简述PN结单向导电原理。任务2：晶体管放大测试一、实验设备和材料
① 设备：0～100μA电流表1只、0～10mA电流表2只、5～6V直流电源1个（可用干电池盒或计算机电源的5V输出）。
② 材料：NPN型小功率晶体管（如9013）、电阻（R：2kΩ）、C电位器（R：300kΩ）、双头夹导线8条。B二、实验操作
① 按图1-2-3的线路结构连接晶体管测试电路。
② 将电位器（RP）调到最大阻值。
③ 接通电源，观察微安表示值，在表1-2-1中记录第1个I值，然B后观察并记录对应的I、I值。CE表1-2-1 晶体管电流测试实验数据记录表
④ 缓慢调节电位器，使I达到第2个指定值，然后观察并记录对B应的I、I值。CE
⑤ 重复上一步骤，测试并记录第3～6组实验数据。
⑥ 将实验数据与表1-2-2中的数据进行对照，观察是否有相同的特点，总结晶体管的特性。背景知识：晶体管及其主要特性一、晶体管的结构和类型
在半导体技术发展进程中，继半导体二极管之后，最先问世的是有三个引出电极的半导体三极管（简称三极管、晶体管），具有电流放大功能。后来又有其他功能的三电极器件出现，为此约定，“三极管”、“晶体管”名称专指半导体三极管，其他三极器件的名称用“晶体管”附加说明或改称，如后文将介绍的场效应晶体管、单结晶体管、晶闸管等。
晶体管有两个PN结，即发射结和集电结；三个引出电极，即发射极E、基极B、集电极C。按PN结的不同排列方式，晶体管有NPN和PNP两种类型。晶体管的结构与图形符号如图1-2-1所示。图1-2-1 晶体管的结构与图形符号
晶体管还有其他分类。按材料分，有锗管和硅管；按技术结构分，有点接触型和面接触型；按工作频率分，有高频管和低频管；按功率大小分，有大功率、中功率、小功率晶体管；按封装方式分，有金属封装和塑料封装等。
晶体管的字母符号为V或VT，常见晶体管的外形和引脚分布如图1-2-2所示。图1-2-2 常见晶体管的外形和引脚分布二、晶体管的功能与电流分配
晶体管具有电流放大功能，以NPN型硅晶体管为例，可用图1-2-3所示电路对晶体管的输入、输出特性做全面测试。晶体管的状态由它的发射结和集电结加电状态决定。因晶体管多用于交流信号放大，故把直流加电状态称为偏置。
将晶体管接成两条回路，一条是由电源U的正极经过电阻CCR（通常为几百千欧的可调电阻）、基极、发射极到电源U的负BCC极，称为基极回路。另一条是由电源U的正极经过电阻R、集电极、CCC发射极，再到电源U的负极，称为集电极回路。各支路中串有电流CC表，集电极与发射极可接毫安表。基极电流很小，可用微安表。
晶体管的基极与发射极之间是发射结，伏安特性曲线的形状与二极管相同，在晶体管电路中稍有变化。由测试得到的晶体管输出特性曲线如图1-2-4所示（也可用晶体管特性图示仪检测显示）。
晶体管的输出特性曲线可分为三个工作区域，对应晶体管的三种状态。图1-2-3 晶体管放大实验电路图1-2-4 晶体管的输出特性曲线
1．截止区
当发射结正向电压低于死区电压或反向偏置时晶体管的I=0，虽B然集电结也反向偏置，但I很小，此时I=I（I称为穿透电流）。CCCEOCEOI曲线与横轴之间的区域叫截止区。处于截止区的晶体管呈截止状态，CI视为0。C
2．放大区
集电结处于反向偏置，发射结的正向偏置大于死区电压时I>0，B晶体管进入放大状态，而且I只受I控制，几乎与U变化无关，输出CBCE特性曲线近于水平，呈现恒流特性。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]