作者：詹新生,孙爱侠,李美凤,张玉健
出版社：机械工业出版社
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电子技术基础试读：
前言
随着新技术的发展，电子技术在各行各业中得到了前所未有的应用，社会各行业对电子技术类应用人才的需求一直处于旺盛期，正是在这种情况下，编者根据多年的高职高专教学经验编写了此书。本书依据“理论够用、实用为主、注重实践”的教学思想而编写，力求讲清概念、强化应用、培养技能。本书在编写过程中注重以下几点：
1）为保证知识系统的完整性，并为学生进一步发展打好基础，本书采取传统的方式（理论+实验）组织教学内容。
2）根据高职高专学生实际学习基础情况编写，淡化过深理论知识，强调基本概念，理论以“必须、够用为度”，删减细节问题的定量分析计算，避免繁琐的数学推导和理论阐述，突出方法应用。
3）顺应电子技术发展的潮流，加强集成电路方面的内容，且淡化集成电路内部电路分析，重点强调其应用。
4）文字表达力求通俗易懂、形象生动，并尽量以图代文，提高本书的可读性。
本书由詹新生、孙爱侠、李美凤、张玉健编著。第1～5、10、11章由徐州工业职业技术学院詹新生和铜山中等专业学校孙爱侠共同编写，第6、8章由徐州工业职业技术学院张玉健编写，第7、9章由徐州工业职业技术学院李美凤编写，孙爱侠绘制书中的部分电路图及图片优化、处理。全书由詹新生进行统稿。
本书可以作为高等职业院校、高等专科院校、成人高校的电类相关专业的教材使用，也可供相关工程技术人员作为参考书使用。
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，诚望广大读者提出宝贵意见，以便进一步修改和完善。编者第1章 二极管及应用电路1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体特性
在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类。电阻-6-3率在10～10Ω·cm左右的称为导体，如钢、银、铝及铁等；电阻率-38在10～10Ω·cm左右的称为半导体，如锗、硅、砷化镓及大多数的820金属氧化物和金属硫化物；电阻率在10～10Ω·cm左右的称为绝缘体，如玻璃、橡皮和塑料等。半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂特性。利用光敏性可制成光敏二极管、光敏晶体管及光敏电阻等；利用热敏特性可制成各种热敏电阻；利用掺杂特性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管、场效应晶体管等。1.1.2 PN结的形成及单向导电性
1.共价键结构
在电子元器件中，用得最多的材料是硅和锗，硅和锗都是4价元素。最外层原子轨道上具有4个电子，称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，围绕自身的原子核运动；而且与周围相邻的4个原子发生联系，也时常出现在相邻原子所属的轨道上，相邻的原子就被共有的价电子联系在一起，称为共价键结构，硅和锗的共价键结构如图1-1所示。图1-1 硅和锗的共价键结构图1-2 本征激发产生电子—空穴对示意图
2.本征半导体
纯净的半导体称为本征半导体。在温度为零开尔文（相当于-273.15℃）时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动。本征半导体中虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的。当温度升高或受光照时，半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，在共价键中将留下一个空位，称为空穴，本征激发产生电子—空穴对示意图如图1-2所示。原子因失掉价电子而带正电，或者说，空穴带正电。如果有一个电子从共价键中释放出来，就必定留下一个空穴。所以本征半导体中电子和空穴总是成对地出现，称为电子—空穴对。
一旦出现空穴，附近共价键中的电子就比较容易地填补进来，而在这个价电子原来的位置上出现一个新空位，其他价电子又可转移到这个新的空位上。这样不断地填补，相当于空穴在运动一样。为了和自由电子的运动区别开来，把这种价电子的填补运动称为空穴运动。而空穴也可看成一种带正电的载流子，它所带的电荷和电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：电子和空穴。本征半导体在外电场作用下，两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。
在本征半导体中，自由电子与空穴是同时产生、数目相等的。自由电子在运动过程中若与空穴相遇，则会填补空穴，消失一个电子—空穴对，这个过程叫作复合。在一定温度下，产生的电子—空穴对和复合的电子—空穴对数量相等，达到动态平衡，使电子—空穴对维持一定的数目。导体中只有自由电子，而半导体中存自由电子和空穴两种载流子，这也是导体与半导体导电方式的不同之处。
3.P型半导体
如在本征半导体（锗或硅）中掺入3价元素硼，由于硼的价电子只有3个，它的3个价电子分别与相邻的3个锗或硅原子的价电子组成共价键，因缺少一个价电子，所以很容易吸引相邻锗或硅原子上的价电子而产生空穴，P型半导体如图1-3所示。从而使得半导体中的空穴载流子增多，导电能力增强，这种半导体主要是依靠空穴来导电，故称为空穴型半导体或P型半导体。在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
4.N型半导体
如在本征半导体（锗或硅）中掺入5价元素磷，由于磷原子中有5个价电子，它与4个锗或硅原子的价电子组成共价键后，留下一个剩余电子，N型半导体如图1-4所示。这个电子不受共价键的束缚，只受自身原子核的吸引，且这种束缚比较弱，在室温下就可以被激发为自由电子，同时杂质原子变成带正电荷的离子。因此在这种半导体中，自由电子数远大于空穴数。这种半导体主要靠电子导电，故称为电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。图1-3 P型半导体图1-4 N型半导体
5.PN结的形成
无论是N型半导体还是P型半导体，当它们独立存在时，都是呈电中性的。PN结的形成示意图如图1-5所示。当将两种半导体材料连接在一起时，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动，浓度高的向浓度低的地方扩散，即电子从N区向P区扩散，空穴从P向N区扩散。扩散到P区的电子会与空穴复合而消失，扩散到N区的空穴也会与电子复合而消失。复合的结果在交界处两侧出现了不能移动的正负两种杂质离子组成的空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结。在交界处左侧出现了负离子区，在右侧出现了正离子区，形成了一个由N区指向P区的内电场（又称为势垒电场）。内电场的产生对P区和N区中的多数载流子的相互扩散运动起阻碍作用。同时，在内电场的作用下，P区中的少数载流子电子和N区中的少数载流子空穴则会越过交界面向对方区域运动，这种在内电场的作用下少数载流子的运动称为漂移运动。漂移运动使空间电荷区重新变窄，削弱了内电场强度。多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动最终达到动态平衡，使PN结的宽度一定。图1-5 PN结的形成示意图a）多子的扩散运动 b）PN结中的内电场与少子漂移
6.PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，即加正向电压（P区接正，N区接负）导通，加反向电压（P区接正，N区接负）截止，PN结的单向导电性如图1-6所示。加上正向电压时，由于外加电压产生的外电场与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变窄，有利于两区的多数载流子向对方扩散，形成正向电流I，此时PN结处于正向导通F状态。加上反向电压时，外加电场与内电场方向一致，因而加强了内电场，使PN结变宽，阻碍了多子扩散运动。两区的少数载流子在回路中形成极小的反向电流I，则称PN结反向截止，这时PN结呈高阻R状态。图1-6 PN结的单向导电性a）PN结加正向电压 b）PN结加反向电压1.2 二极管1.2.1 二极管的结构、符号及外形
在PN结上加上引线和封装，就构成一个二极管。由P型半导体引出的是正极（又称为阳极），由N型半导体引出的是负极（又称为阴极）。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型3大类，二极管的结构示意图和电路符号如图1-7所示。点接触型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路；面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路；平面型PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。常见二极管的外形如图1-8所示。图1-7 二极管的结构示意图和电路符号a）点接触型 b）面接触型 c）平面型 d）电路符号
二极管的类型如下所述。
1）按材料分：有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。硅二极管的热稳定性比锗二极管好得多。
2）按用途分：有整流、稳压、开关、发光、光电、变容以及阻尼等二极管。
3）按封装形式分：有塑封、金属封等二极管。图1-8 常见二极管的外形
4）按功率分：有大功率、中功率及小功率等二极管。图1-9 二极管的伏安特性曲线1.2.2 二极管的伏安特性
二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系，称为二极管的伏安特性。若以电压为横坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就构成二极管的伏安特性曲线，如图1-9所示。
1.正向特性
二极管两端加上正向电压时，产生正向电流。当外加的正向电压较小时，不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，其正向电流很小，几乎为零，称为死区。而当正向电压超过一定值时，正向电流增长很快，这个正向电压的定值通常被称为“死区电压”或“门槛电压”。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降。硅管的导通电压约为0.6～0.7V，锗管的导通电压约为0.2～0.3V。以后我们在讨论计算时，一般取硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.3V。
2.反向特性
当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的反向漏电流，反向电流很小，且在某一范围内基本保持不变，称为反向饱和电流I。反向饱和电流将随温度的R升高而增大。此时二极管反向截止。一般硅管的I为几微安以下，锗R管I较大，为几十到几百微安。R
当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。可利用二极管的反向击穿特性，做成稳压二极管。1.2.3 二极管的主要参数
二极管参数是反映二极管性能质量的指标，应根据二极管的参数来合理选用二极管。
1.最大整流电流IFM
I是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。工FM作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。
2.最高反向工作电压URM
U是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。超过此值二极RM管就有被反向击穿的危险。U通常为反向击穿电压的1/2～2/3，以RM确保二极管安全工作。
3.反向饱和电流IR
I是指二极管在规定的反向电压和室温下所测得的反向电流值。R其值越小，说明二极管的单向导电性越好。温度越高，反向电流越大。
4.最高工作频率fM
f指二极管正常工作时的上限频率值，超过此值，二极管的单向M导特性变差。1.2.4 二极管的测试
1.观察外壳上的符号标记
通常在二极管的外壳上标有二极管的符号，带有三角形箭头的一端为正极，另一端是负极，二极管的极性判别如图1-10a所示。
2.观察外壳上的色环
有的二极管上标有色环，带色环（白色或灰色）的一端则为负极，如图1-11b所示。图1-10 二极管的极性判别a）外壳符号标识 b）色环标识
3.用万用表进行测量判定
选择电阻R×100Ω或R×1kΩ档，进行欧姆调零，然后将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极，用机械式万用表判别二极管的极性如图1-11所示。
用数字式万用表判别二极管的极性，如图1-12所示。把万用表调至二极管测试档进行测试，所测显示电压为0.3～0.8V，则所测为正向偏置，红表笔所接为正极、黑表笔所接为负极；所测显示为“1”，为反向偏置。图1-11 用机械式万用表判别二极管的极性a）万用表欧姆调零 b）电阻值小 c）电阻值大图1-12 用数字式万用表判别二极管的极性a）打在二极管测试档 b）正向偏置 c）反向偏置1.3 二极管的应用电路1.3.1 整流电路
利用二极管的单向导电性，可以将交流电变成直流电，即整流，完成整流电路功能电路称为整流电路。单相整流电路分半波整流、全波整流及桥式整流等。下面以半波整流为例，说明二极管在整流电路的应用。
1.电路结构
图1-13a为半波整流电路，由变压器Tr、整流二极管VD及负载电阻R组成。变压器的作用是把电网电压u（交流220V、50Hz）变换L1成所需要的交流电压u，二次侧的电压有效值为U；整流二极管的22作用是把交流电转换成直流电。
当u为正半周时，二极管VD正偏导通，回路有电流通过，在负2载R上形成电压u。当u为负半周时，二极管VD反偏截止，回路没LO2有电流通过，在负载R上电压为0。波形如图1-13b所示。由此可L见，在交流电压u的整个周期内，负载R上得到一个大小变化，方2L向不变的单向脉动直流电压。由于在负载两端只有半个周期的正弦波，所以称为半波整流。图1-13 单相半波整流电路及波形图a）电路图 b）波形图
2.负载上的直流电压和直流电流
直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值，有U≈0.45U O2（1-1）
流过负载R上的直流电流为L
3.对整流二极管的选用要求
最大整流电流I应大于负载电流，最高反向工作电压U应大FMRM于2U。2
4.半波整流电路的特点
半波整流电路结构简单，但输出电压较低，脉冲成分大，变压器利用率低，只适应于小电流、小功率对脉冲要求不高的场合。1.3.2 限幅电路
在电子电路中，为了降低信号的幅度以满足电路工作的需要，或为保护某些元器件不受大的信号电压作用而损坏，可加上限幅电路。所谓限幅电路就是指限制电路中某一点的信号幅度大小，当信号幅度大到一定程度时，不让信号的幅度再增大；当信号的幅度没有达到限制的幅度时，限幅电路不工作。利用二极管来完成这一功能的电路称为二极管限幅电路。图1-14a所示为由二极管组成的单向限幅电路。其中，u=2sinω为输入电压，VD、VD均为硅管，导通电压为i120.7V，u为输出电压。其输入、输出端波形如图1-14b所示。其工作O原理如下：交流输入电压u作用于VD、VD上，当u的幅值高于0.7Vi12i时，VD导通，输出为0.7V；当u的幅值低于0.7时，VD导通，输出2i1为-0.7V。1.3.3 开关电路
二极管具有单向导电性（内部为一PN结）。二极管开关作用模拟图如图1-15所示。二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。因此，可把二极管作为电子开关使用。图1-16所示为开关电路，输入电压的不同，二极管导通情况、输出情况也不同，二极管工作状态如表1-1所示，这种关系在数字电路称为与逻辑。图1-14 二极管组成的限幅电路及波形a）电路图 b）输入、输出波形图图1-16 开关电路表1-1 二极管工作状态1.4 特殊二极管1.4.1 稳压二极管
1.稳压二极管的结构、符号
稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型二极管，特殊之处在于它工作在反向击穿状态。它是利用二极管反向击穿时电流在很大范围内变化，而二极管两端的电压几乎不变的特性，实现稳压的。稳压二极管的外形和符号如图1-17所示。
2.稳压二极管的伏安特性
图1-18所示为硅稳压二极管的伏安特性曲线，由图可知，它与普通二极管的伏安特性相似，只是正向导通特性曲线和反向击穿特性均比普通二极管陡峭。从反向特性曲线上可看出，当反向电压增大到击穿电压时，反向电流急剧上升。此后，电流虽然在很大范围变化（I～IZmax），但两端的电压变化较小（ΔU），可以认为管子两ZminZ端的电压基本保持不变。只要外电路限流电阻保证在限流范围之内，稳压管处于电击穿而不会引起热击穿。图1-17 稳压二极管的外形和符号a）外形 b）符号图1-18 硅稳压二极管的伏安特性曲线
3.稳压管的主要参数
1）稳定工作电压U。稳压管在正常工作时的端电压，即反向击Z穿电压。由于稳压管的参数分散性很大，即使同一型号的稳压管，稳压值也有差异。但是，对于某一只具体的稳压管，U是确定的值。Z
2）稳定工作电流I。稳定工作电流I是指稳压管工作在稳压状态ZZ时流过的电流。当稳压管反向电流小于最小稳定电流I时，没有稳Zmin压作用；当稳压管反向电流大于最大稳定电流I时，管子因过流Zmax而损坏。
3）动态电阻r。动态电阻r是指稳压范围内电压变化量与相应的zz电流变化量之比，即r=ΔU/ΔI。r值很小，约几欧姆到几十欧姆。zZZzr越小越好，说明稳压性能越好。z1.4.2 发光二极管图1-19 发光二极管外形及符号a）外形 b）符号
1.发光二极管的结构、符号和伏安特性
发光二极管简称为LED，是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件，发光二极管外形及符号如图1-19所示。采用不同的材料制作的发光二极管，可发出红、黄、绿等不同颜色的光。由于发光二极管体积小、可靠性高、耗电省、寿命长，被广泛用于信号指示等电路中。发光二极管的开启电压通常称作正向电压，它取决于制作材料。发光二极管的工作电压随材料的不同而不同，一般为1.7～2.4V。普通绿、黄、红以及橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2～25mA的范围。
2.发光二极管的检测
一般可使用以下几种方法判断发光二极管的正负极和性能质量。（1）观察法
发光二极管的极性判别如图1-20所示。一般发光二极管两引脚中，较长的是正极，较短的是负极。对于透明或半透明塑封发光二极管，可以用肉眼观察到它的内部电极的形状，正极的内电极较小，负极的内电极较大。（2）用万用表测量法
普通发光二极管工作在正偏状态。一般用万用表R×10kΩ档，方法和普通二极管一样，一般正向电阻为15kΩ左右，反向电阻为无穷大，用机械式万用表判别发光二极管的极性如图1-21所示。图1-20 发光二极管的极性判别图1-21 用机械式万用表判别发光二极管的极性实验1 二极管测试1.实验目的
1）能根据二极管的外形标记，判别二极管的极性。
2）能用万用表判别二极管的极性及质量好坏。2.实验器材
机械式万用表，数字式万用表，1N4004、1N4007各1只，红、绿发光二极管各1只。3.实验内容（1）普通二极管的识别与检测
1）二极管极性识别。根据二极管的外形标记，找出二极管的正负极，画出二极管极性示意图。
2）二极管检测。把万用表打在R×100Ω或R×1kΩ档，分别测量1N4004、1N4007二极管正、反向电阻；用数字万用表分别测其两端电压情况，判别其极性及质量情况，填入表1-2中。
普通二极管测试如表1-2所示。表1-2 普通二极管测试（续）（2）发光二极管识别与检测
1）发光二极管极性的判别。根据发光二极管的引脚长短（或内部结构）情况，指出发光二极管的正负极，画出发光二极管极性示意图。
2）发光二极管检测。把万用打在R×10kΩ，分别测量发光二极管正反向电阻。
发光二极管正向电阻：；发光二极管反向电阻：。习题1
1.1 填空题（1）半导体具有______性、______性和______性。（2）杂质半导体分______型半导体和______型半导体两大类。（3）N型半导体是在本征半导体中掺入微量______价元素后形成的，P型半导体是在本征半导体中掺入微量______价元素后形成的。（4）PN结加正向偏置是指P区接电源的______极，N区接电源的______极；PN结加反向偏置是指P区接电源的______极，N区接电源的______极。（5）PN结的基本特点是具有______性，PN结正向偏置时______，反向偏置时______。（6）二极管的类型按材料分______和______。（7）锗二极管的死区电压是______V，硅二极管的死区电压是______V；锗二极管导通时的电压降是______V，硅二极管导通时的电压降是______V。（8）当加到二极管上的反向电压增大到一定数值时，反向电流会突然增大，此现象称为______。（9）单相整流电路中，利用二极管的______特性，可以将正弦交流电变成单方向脉动的直流电。（10）二极管的反向电流随外界温度的升高而______；反向电流越小，说明二极管的单向导电性______。一般硅二极管的反向电流比锗管______很多。（11）发光二极管它工作于______状态。
1.2 选择题（1）N型半导体多数载流子是（ ），少数载流子是（ ）；P型半导体中多数载流子是（ ），少数载流子是（ ）。
A.空穴 B.电子 C.原子核（2）二极管的正极电位为-4.3V，负极电位为-5V，则二极管处于（ ）状态。
A.反偏 B.正偏 C.零偏（3）二极管的反向饱和电流主要与（ ）有关。
A.反向电压的大小
B.环境温度
C.制作时间（4）用万用表测量二极管的极性，将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻很小（几千欧姆以下），则黑表笔所接电极为二极管的（ ）。
A.负极
B.正极
C.无法确定（5）稳压管的稳定电压U是指其（ ）。Z
A.反向偏置电压
B.正向导通电压
C.反向击穿电压
1.3 判断题（1）二极管都是由硅材料制成的。（ ）（2）二极管只要加正向电压就导通。（ ）（3）稳压二极管工作在正向导通状态。（ ）
1.4 写出图1-22所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U=0.7V。D图1-22 题1.4图
1.5 限幅电路如图1-23所示，u=3sinωt，VD、VD均为硅管，导i12通电压为0.7V。试根据输入电压波形画出输出电压波形（必须考虑二极管的导通电压）。图1-23 题1.5图
1.6 若稳压二极管VD和VD的稳定电压分别为5V和6V，求图121-24所示电路的输出电压u（忽略二极管正向导通电压）。O图1-24 题1.6图第2章 晶体管及其放大电路2.1 晶体管
晶体管是一种重要的半导体器件，是放大电路的核心。2.1.1 晶体管的结构及分类图2-1 常见晶体管的外形
1.晶体管的结构与电路符号
常见晶体管的外形如图2-1所示。
晶体管的内部结构示意图电路符号如图2-2所示，含有3个区：发射区、基区及集电区。从3个区各引出一个金属电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C）；同时在3个区的两个交界处分别
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