作者：孙玥
出版社：电子工业出版社
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通信电子技术试读：
内容简介本书结合通信行业职业岗位技能需求，在国家示范专业课程建设成果基础上进行编写，以通信技术中所涉及的电子技术为主线，将电子技术的基本理论与通信信号的处理过程相结合，简化烦琐的理论推导，突出知识点的应用性，着重于工程思维的培养。本书共分为10章，内容包括：半导体器件的性能分析，低频基本单元电路，数字逻辑电路基础，组合逻辑电路的分析与设计，时序逻辑电路的分析与设计，A/D与D/A转换，高频放大电路性能分析，正弦波振荡器的分析与设计，调制与解调的实现，频率合成与变换技术。全书安排有28个案例分析任务，使课堂教学与电路的测试、分析与设计相结合，以重点培养学生的岗位工作技能。
本书内容丰富实用，为高职高专院校电子技术基础课程的教材，也可作为应用型本科、成人教育、自学考试、开放大学、中职学校及培训班的教材，以及通信工程技术人员的参考工具书。
本书配备免费的电子教学课件、练习题参考答案，详见前言。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）数据通信电子技术/孙玥主编. —北京：电子工业出版社，2014.1全国高职高专院校规划教材•精品与示范系列ISBN 978-7-121-22274-0Ⅰ.①通… Ⅱ.①孙… Ⅲ.①通信技术－高等职业教育－教材 Ⅳ.①TN91中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第001162号策划编辑：陈健德（E-mail：chenjd@phei.com.cn）责任编辑：谭丽莎印 刷：三河市鑫金马印装有限公司装 订：三河市鑫金马印装有限公司出版发行：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：20.25 字数：518千字印 次：2014年1月第1次印刷定 价：42.00元
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服务热线：（010）88258888。职业教育 继往开来（序）
自我国经济在21世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。
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根据高等职业教育的人才培养目标要求，在教学实施过程中，不仅要求学生掌握一定的基础理论知识，而且强调学生的实践能力及分析问题与解决问题能力的培养，以提高学生的综合职业能力。本书结合通信行业职业岗位技能需求，在国家示范专业课程建设成果基础上进行编写，以通信技术中所涉及的电子技术为主线，涵盖低频模拟电子技术、数字逻辑电路和高频电子线路的内容，将基本理论与通信信号的处理过程相结合，在保证科学性的前提下，简化烦琐的理论推导，突出知识点的应用性，着重于工程思维培养，力求重点突出，简明扼要，理论与实践紧密融合。
本书将理论知识的讲授、课堂思考、练习及技能训练结合在一起，对每章、每个知识点都安排有电路的测试、分析或设计训练，以重点培养学生的岗位工作技能。全书内容丰富实用，引入计算机仿真技术，使学生加深感性认知，从而更好地掌握知识与技能。每章都配有知识梳理与总结、习题等，可以边讲边练。通过不同的学习方式，可使学生逐步提高获取知识的能力，掌握分析解决具体问题的思维及工作方法。
本书共分为10章，内容包括:半导体器件的性能分析，低频基本单元电路，数字逻辑电路基础，组合逻辑电路的分析与设计，时序逻辑电路的分析与设计，A/D与D/A转换，高频放大电路性能分析，正弦波振荡器的分析与设计，调制与解调的实现，频率合成与变换技术。章节的设计是根据信号在通信过程中的分析处理过程来安排的，每章中的案例分析任务主要以仿真实现为基本手段，各院校既可以根据具体教学情况选择适当的任务来完成，也可以自行加入相应的其他实验训练，以培养和提高学生的实践应用能力。
本书由南京信息职业技术学院通信学院孙玥主编，王蕾、闫之烨、邵连参与书稿的编写和整理工作。本书由杜庆波教授进行主审，并提出了许多宝贵意见和建议，在此谨表示衷心感谢。
由于编者水平有限，书中错漏及不妥之处在所难免，恳请读者给予批评、指正。
为了方便教师教学，本书配套有免费电子教学课件、习题参考答案，请有此需要的教师登录华信教育资源网（http∶//www.hxedu.com.cn）免费注册后再进行下载，有问题时请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail∶hxedu@phei.com.cn）。编 者绪 论
所谓“电子技术”，是指“含有电子的、数据的、磁性的，光学的、电磁的，或者类似性能的相关技术”。电子技术可以分为模拟电子技术、数字电子技术两大部分。模拟电子技术是整个电子技术的基础，在信号放大、功率放大、整流稳压、模拟量反馈、混频、调制解调电路领域具有无法替代的作用。例如，高保真（Hi-Fi）的音箱系统、移动通信领域的高频发射机等。
与模拟电路相比，数字电路具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、程序软件控制等一系列优点。从目前的发展趋势来看，除一些特殊领域外，以前一些模拟电路的应用场合大有逐步被数字电路所取代的趋势，如数字滤波器等。《通信电子技术》课程是通信工程及相近专业的主干专业基础课程，在内容上将模拟、数字电路和高频电子线路的内容整合，形成通信专业类所需要的知识体系，起着联系基础课程与专业课程的桥梁作用；它强调理论联系实际，注重工程概念，对学生解决实际问题的能力和实践动手能力的培养具有重要作用。通过该课程的学习，可使学生系统地掌握各种功能单元电路的工作原理和分析设计技术，建立起通信与信号处理理论的工程实现的基本框架，为后续课程学习打下必备的基础。
本课程的主要内容是以信号的处理形式（模拟信号、数字信号）将课程的主要内容串起来，从系统的观点把握各功能电路所处的位置和作用，讲解模拟通信功能电路的基本原理及其实现的方法。本课程以通信系统为主线贯串各功能电路，加强了内容的系统性。
对于各个功能电路来说，虽然历经了电子管、晶体管、场效应管、集成电路、大规模集成电路等不同的实现形式，但是各个功能电路的输入信号与输出信号的频谱变换关系是没有变化的，也就是基本原理不变。本课程以功能电路的“功能”为基点，从功能电路的输入和输出信号的频谱关系为出发点，分析各个功能电路的输入频谱与输出频谱变换关系的特征，以使学生从理论上搞清组成各个功能电路的基本原理和实现电路的基本方法。
1．电子技术的发展和应用
当代是包括计算机在内的电子学繁荣昌盛的时代，其背景与电子电路元器件由电子管——晶体管——集成电路的不断发展有着密切的关系。
1）电子管时代
近几十年来，电子技术的发展十分迅速。1904年开始生产出电子管，至此电子技术进入第一个发展时代，称为电子管时代。
二极管：1904年，英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发，发明了二极管。
三极管：1907年，美国的福雷斯特发明了三极管。当时，真空技术尚不成熟，三极管的制造水平也不高。但在反复改进的过程中，人们懂得了三极管具有放大作用，终于拉开了电子学的帷幕。
四极管：1915年，英国的朗德在三极管的控制栅极与阳极之间又加了一个电极，称为帘栅极，其作用是解决三极管中流向阳极的电子流中有一部分会流到控制栅极上去的问题。
五极管：1927年，德国的约布斯特在四极管的阳极与帘栅极之间又加了一个电极，发明了五极管。新加的电极被称为抑制栅。
此外，1934年，美国的汤绿森通过对电子管进行小型化改进，发明了适用于超短波的橡实管。管壳不用玻璃而采用金属的ST管发明于1937年，经小型化后的MT管发明于1939年。
由于电子管本身的体积大，使得电子设备的体积庞大、耗电多、寿命短，迫使人们去研究新的电子器件。1948年研制出了半导体器件，使电子技术进入了晶体管时代，这样仅十多年的时间就使电子设备的小型化有了很大的进展。与电子管相比，晶体管具有体积小、质量轻、耗电省等优点，因而在许多应用领域里，晶体管迅速取代了电子管。
2）晶体管时代
晶体管是美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉特于1948年发明的。这种晶体管的结构是使两根金属丝与低掺杂锗半导体表面接触，因此称之为接触型晶体管。
1949年，开发出了结型晶体管，在实用化方面前进了一大步。
1956年，开发出了制造P型和N型半导体的扩散法。该方法是在高温下将杂质原子渗透到半导体表层的一种方法。
1960年，开发出了外延生长法并制成了外延平面型晶体管。外延生长法是把硅晶体放在氢气和卤化物气体中来制造半导体的一种方法。
有了半导体技术的这些发展，随之就诞生了集成电路。
3）集成电路
1958年，美国提出了用半导体制造全部电路元器件，实现集成电路化的方案。
1961年，得克萨斯仪器公司开始批量生产集成电路。
1962年，第一块集成电路问世，标志着电子技术进入集成电路阶段。所谓集成电路是把半导体管和电阻、电容及它们之间的连线制作在一小块硅基片上，构成特定功能的电子线路。由于集成电路的体积更小、质量更轻、耗电更省、可靠性更高，并且还具有成本低、电性能优良等一系列优点，所以集成电路的发展十分迅速，从小规模历经中规模、大规模而发展到超大规模。
集成电路并不是用一个一个电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体里的一个器件。它易于小型化和减少引线端，因此具有可靠性高的优点。
集成电路的集成度在逐年增加。元件数在100个以下的小规模集成电路，元件数为100～1000个的中规模集成电路，元件数为1000～100000个的大规模集成电路，以及元件数在100000个以上的超大规模集成电路都已依次开发出来，并在各种装置中获得了广泛应用。
电子技术最早应用于通信、广播，随着科学技术的不断发展，电子技术的应用日益广泛，它已渗透到国民经济的各个部门，国防和科学技术的各个领域及人类社会生活的各个方面，如计算机、自动化设备、电子医疗器械、新型武器、人造卫星和宇宙飞船等，以及人们日常生活中必不可少的家用电器。
可以预见，伴随着电子科学技术的发展，尤其是超大规模集成电路的发展与应用，必将大大加速各种电子设备和系统小型化的过程，从而给应用电子技术的各个领域带来更深远的影响。
2．通信技术的发展
1）有线通信的历史
有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。
英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队通报法国军队的动向。瑞典、德国、俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说它们都曾投入了庞大的预算。将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。（1）电报机的发明
1832年，俄国外交家西林所发明了电磁式电报机，德国的简梅林发明了电化学式电报机，库克和惠斯通（英国）发明了5针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的，有音响式、印刷式、指针式、钟铃式等。其中，库克和惠斯通发明的5针式电报机最为有名。1837年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20千米的5根电线而投入实际使用。（2）莫尔斯电报机
1837年，莫尔斯电报机在美国研制成功，发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点、画来编码的信号。（3）电话和交换机
1876年2月14日，美国的两位发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达，因而贝尔得到了专利权。
1878年，贝尔成立了电话公司，制造电话机，全力发展电话事业。
从发展电话业务开始，交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机，即话务员收到通话请求，很快把传票交给另一位话务员。
其后，经过反复改进，开发出了框图式交换机，进而又开发出了自动交换方式（1879年）。
1891年，史端乔式自动交换机研制成功。至此，自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续，又经过了几个阶段才发展为现在的电子交换机。（4）海底通信电缆
陆上通信网日渐完备，人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。海底电缆有很多问题需要解决，如电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都与陆上电缆不同。
1845年，英吉利海峡海底电报公司成立，开始了从英国到加拿大并跨过多佛尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。1851年，最早的加来-多佛尔海底电缆敷设完毕，成功地实现了通信。以此为契机，欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。现在，世界上的大海里遍布着电缆，供通信使用。
2）无线通信的历史
世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上，这种方便是电波带给我们的。
最早的电波实验是德国的赫兹在1888年进行的。通过实验，赫兹弄清了电波和光一样，具有直线传播、反射和折射现象。频率的单位赫兹就来自于他的名字。（1）马可尼的无线电装置
意大利人马可尼在1895年研制出了最早的无线电装置，利用这一装置在相隔大约3千米的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。（2）高频波的产生
要想实现无线通信，首先要产生稳定的高频电磁波。
达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号，但其频率还不到50kHz，电流也只有2～3A，比较小。1903年，荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了1MHz的高频波，彼得森又对其进行了改进，制成了输出功率达到1kW的装置。其后，德国设计出了机械式高频发生装置，美国的斯特拉和费森登、德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法……很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。（3）无线电话
如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言，就需要有运载信号的载波。载波必须是高频波。1906年，美国通用电气（GE）公司的亚历山德森制成了80kHz的高频信号发生装置，首次成功地进行了无线电话的实验。
用无线电话传送语音，并且收听它，需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置，并于1913年试验成功。
达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置，以电解检波器为接收装置的受话器方式。要想使产生的电波稳定，接收到的噪声小，还得等待电子管的出现。（4）二极管和三极管
1903年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分熏黑了，这种现象被称为爱迪生效应。
1904年，弗莱明从爱迪生效应得到启发，造出二极管，用它来进行检波。
1907年，美国的D.福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间加了一个叫做栅极的电极，由此发明了三极管。这种三极管既可以用于放大信号电压，也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号，可以说是一个划时代的电路元件。
3．通信系统的定义及分类
1）通信及通信系统的定义
发送者将信息传给信息接收者的过程称为通信。
能实现信息传递的系统称为通信系统。
信息可以是语音、文字、符号、图像或数据等。例如，广播是传输声音的系统，电视是传输图像信息与声音信息的系统，它们都是通信系统。
2）通信系统的分类（1）按信息的物理特征分类
根据信息的不同物理特征，通信系统可分为传真通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。（2）按基带信号的物理特征分类
根据基带信号的不同，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。（3）按传输媒介分类
根据传输媒介的不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。（4）按信号复用方式分类
复用方式主要有四种，即空分复用（SDMA）、频分复用（FDMA）、时分复用（TDMA）和码分复用（CDMA）。（5）按终端设备来分类
根据终端设备，通信系统可分为电话（包括手机）通信、电报通信、电传通信、传真通信和计算机通信等。（6）按通信方式来分类
根据通信的方式，通信系统可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。
4．通信系统的组成
一个完整的通信系统应包括输入变换装置、发送设备、传输信道、接收设备和输出变换装置五部分，如图0-1所示。
1）输入变换装置
输入变换装置是将要传送的信息变成电信号的装置，如话筒、摄像机、各种传感装置。
2）发送设备
发送设备用于将基带信号变换成适合于信道传输的信号。不同的信道具有不同的传输特性。由于要传送的消息种类很多，它们的相应基带信号的特性各异，往往不适合直接在信道中传输，所以需要利用发送设备对基带信号进行变换，以得到适合于信道传输的信号。图0-1 通信系统的组成
3）传输信道
传输信道是传送信息的通道，又称为传输媒介，如电缆、光缆或无线电波。不同的信道有不同的传输特性。
4）接收设备
接收设备用于对信道传送过来的信号进行处理，以恢复出与发送端基带信号相一致的信号。当然，由于在信道传输中和恢复过程中会产生一定的干扰和失真，所以接收设备恢复的信号也会有一定的失真。应尽量减小这种失真。
5）输出变换装置
输出变换装置是将接收设备输出的电信号变换成原来形式的消息的装置，如还原声音的扬声器，恢复图像的显像管等。
5．噪声与干扰
电子线路处理的信号，多数是微弱的小信号，因而很容易受到内部和外界一些不需要的电压、电流及电磁骚动的影响，这些影响称为干扰（或噪声）。当干扰（或噪声）的大小可以与有用信号相比较时，有用信号将被它们所“淹没”。为此，研究干扰问题是电子技术的一个重要课题。
一般来讲，除了有用信号之外的任何电压或电流都叫干扰（或噪声），但习惯上把外部来的称为干扰，把内部固有的称为噪声。
1）外部干扰
外部干扰分为自然干扰和人为干扰。自然干扰是大气中的各种扰动。人为干扰是各种电器设备和电子设备产生的干扰。
2）消除外部干扰的方法（1）电源干扰的抑制方法
供电电源因滤波不良所产生的100Hz纹波干扰是主要的电源干扰，电源内阻产生的寄生耦合干扰也是主要的电源干扰。对于高增益的小信号放大器，寄生耦合有时可能造成放大器自激振荡。解决100Hz电源干扰和寄生耦合的方法是对每个电路的供电电源单独进行一次RC滤波，这种电路叫做RC去耦电路，如果电路的工作频率较高，而供电电流又比较大，则可以用电感代替电阻，构成LC去耦电路，其中电感L称为扼流圈。因为大容量的电解电容都存在串联寄生电感，在高频时寄生电感的感抗会很大，使电容失去滤波的作用，所以电路中都并联一个小容量的电容，这样就可消去寄生电感的影响。
工厂里的大型用电设备产生的电火花干扰能沿着电力线进入电子设备。除此之外，电力线还起着天线的作用，即接收天空中的杂散电磁波，并将其传送到电子设备中形成干扰。这些干扰的特点是：突发性强，干扰往往以脉冲电压形式出现；频率高，通常为几百千赫兹至几兆赫兹；干扰会同时出现在电力线的两根导线上，其大小和相位相同，这种性质的干扰称为共模干扰。
消除电网共模干扰的方法是在交流市电的输入端插入一个滤波器，如某电视机的交流电源滤波器，在每根电源线与地之间均构成一个π型滤波器，电容C的容量在几千皮法到0.01μF之间选取，电感L绕制在高频磁芯上，约10圈左右，电感导线直径要根据设备的交流输入功率来选择。（2）电路接地不当的干扰及消除
电路中的接地不当会形成严重的干扰，消除这些干扰的方法是正确接地，即在电路中要采用一点接地、数字电路的地线和模拟电路的地线要完全分开，有条件时在多层印制板中要分别安排数字地层和模拟地层。（3）空间电磁耦合干扰
空间电磁耦合对电路的影响分为静电耦合干扰和交变磁场耦合干扰，防止这两种干扰的基本方法是接地、滤波、隔离、电磁屏蔽。
微弱信号的传输导线易受到干扰，因此通常采用屏蔽线作为引线。使用屏蔽线时，切忌将网状金属层当成导线使用，即不能将金属网两端都接地，只能取一端接地。
3）噪声
内部噪声分为人为噪声和固有噪声两类。
固有噪声是一种起伏型噪声，它存在于所有的电子线路中，其主要来源是电阻热噪声和半导体器件的噪声。（1）电阻热噪声
当温度大于300K时，做随机运动的自由电子穿越电阻的运动过程，会在电阻两端产生随机的起伏噪声电压。（2）半导体器件的噪声
① 散粒噪声：散粒噪声是晶体管的主要噪声源。散粒噪声这个词是沿用的电子管噪声中的词。在二极管和三极管中都存在散粒噪声。
晶体三极管是由两个PN结构成的，当晶体三极管处于放大状态时，发射结为正向偏置，发射结所产生的散粒噪声较大；集电结为反向偏置，集电结所产生的散粒噪声可忽略不计。
② 分配噪声：晶体管发射区注入基区的多数载流子大部分到达集电极，成为集电极电流，而小部分在基区内被复合，形成基极电流，这两部分电流的分配比例是随机的，因而造成通过集电结的电流在静态值上下起伏变化，引起噪声，这种噪声就称为分配噪声。
③ 闪烁噪声：又称为低频噪声，一般认为这种噪声是由于晶体管清洁处理不好或有缺陷造成的。其特点是频谱集中在低频（约1kHz以下），在高频工作时通常可不考虑它的影响。
4）信噪比和噪声系数
信噪比：
噪声系数：描述放大系统的固有噪声的大小。噪声系数（NF）定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。NF反映出放大系统内部噪声的大小。噪声系数可由下式表示：
5）降低噪声系数的措施
通过以上分析，我们对电路产生噪声的原因及影响噪声系数大小的主要原因有了基本了解。现将对降低噪声系数的有关措施归纳如下：（1）选用低噪声元器件；（2）选择合适的直流工作点；（3）选择合适的信号源内阻；（4）选择合适的工作带宽。第1章 半导体器件的性能分析
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在各种电子设备中，其主要组成部分是电子线路。而电子线路中最重要的核心组成部分是半导体器件，如半导体二极管（简称二极管）、半导体三极管（简称三极管）、场效应管（FET）和集成电路（IC）。半导体器件是信息化时代的重要基础，由于它具有体积小、质量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到了广泛的应用。1.1 半导体材料与PN结1.1.1 半导体材料的认知
所谓半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。半导体的理论表明，在半导体中存在两种带电粒子：一种是带负电的自由电子（简称电子），另一种是带正电的空穴。它们在外电场的作用下做定向运动，即都能运载电荷形成电流，因此通常称为载流子。金属导体内的载流子只有一种，就是自由电子，由于其数目很多，远远超过半导体中载流子的数量，所以金属导体的导体性能比半导体好。
半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂弹特性，这些特性被广泛应用于很多领域，如热敏电阻传感器、光电二极管、太阳能电池等。常用的半导体材料有元素半导体，如硅（Si）和锗（Ge）；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等，以及掺杂或制成其他化合物半导体的材料。
1．本征半导体
纯净晶体结构的半导体被称为本征半导体。它们都是4价元素，原子结构的最外层轨道上有4个价电子。目前最常用的本征半导体材料是硅和锗，而硅的应用更为广泛。
当本征半导体的温度升高或受到光线照射时，其共价键中的一些价电子就会从外界获得能量，少量价电子会因为获得能量、摆脱共价键的约束而成为自由电子，同时在共价键上留下空位，这些空位为空穴，带正电，这一现象称为本征激发。显然，自由电子和空穴是成对出现的，因此称它们为电子-空穴对。由于自由电子和空穴都可以参与导电形成电流，所以称其为载流子。
在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时，价电子也按一定的方向依次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。由于本征激发产生的电子-空穴对的数目很少，载流子浓度很低，所以本征半导体的导电能力很弱。
2．杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。
1）N（Negative）型半导体
在硅（或锗）晶体中，掺入微量的5价元素磷（或砷、锑等）后，杂质原子将散布于硅原子中，并且替代了晶体点阵中某些位置上的硅原子。磷原子有5个价电子，它以4个价电子与周围的硅原子组成共价健，多余的一个价电子处于共价健之外。由于这个价电子不受共价健的束缚，所以在常温下有足够的能量使其成为自由电子。这样，掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子，且自由电子的浓度远大于空穴的浓度，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。显然，这种掺杂半导体主要靠自由电子导电，称为N型半导体。
应指出，虽然N型半导体中有大量带负电的自由电子，但由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用，故总体上仍为电中性。
2）P（Positive）型半导体
在硅（或锗）晶体中，掺入微量的3价元素硼（或铝、铟等）后，杂质原子也将散布于硅原子中，并且替代了晶体点阵中某些位置上的硅原子。硼原子只有3个价电子，它与周围的硅原子组成共价健时，因缺少一个电子而产生一个空位，出现一个空穴。当相邻共价键上的价电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因少一个价电子形成空穴。这样，掺入杂质的硅半导体中就具有相当数量的空穴，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。
在这种半导体中，导电主要依靠空穴，因此称之为P型半导体或空穴型半导体。与N型半导体相似，P型半导体总体上也是电中性的。1.1.2 PN结的特性
单纯的P型或N型半导体，仅仅是导电能力增强了。若在一块本征半导体的两边掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则在两种半导体的交界面附近会形成一层很薄的特殊导电层——PN结。
1．PN结的形成
在杂质半导体中，正、负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。
1）载流子的浓度差产生的多子的扩散运动
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，如图1-1（a）所示。
2）电子和空穴的复合形成了空间电荷
电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使得P区和N区中原来的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系而不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。
3）空间电荷区产生的内电场又阻止多子的扩散运动
在空间电荷区形成后，由于正、负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向为从带正电的N区指向带负电的P区。由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的，如图1-1（b）所示。
综上所述，PN结中存在两种载流子的运动：一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，所以当无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。图1-1 PN结的形成
2．PN结的单向导电性
若在PN结两端外接电源，则PN结原来的平衡状态将被打破，这种情况称为偏置，相应的外接电源称为偏置电源。
1）外加正向电压——正向偏置
PN结外加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区，如图1-2所示。
由于外加电场与内电场的方向相反，削弱了内电场，使得PN结的原有平衡状态被打破，PN结变窄，多数载流子的扩散运动加剧，形成较大的扩散电流。在外电源作用下，使电流得以维持。
当PN结外加正向电流时，有较大的电流通过PN结，此时PN结处于导通状态。导通时，PN结相当于一个较小的电阻。
2）外加反向电压——反向偏置
PN结外加反向电压，即外电源的正极接N区，负极接P区，如图1-3所示。
由于外加电场与内电场方向一致，使得内电场得到加强，PN结的原有平衡状态也被打破，进而使得PN结变宽，多数载流子的扩散运动无法进行，少数载流子的漂移运动加剧。因少数载流子的数目很少（是本征激发产生的），故形成的漂移电流也很小，可近似为0。此时PN结处于截止状态。截止时，PN结相当于一个很大的电阻。
必须强调：PN结的反向电流是由本征激发产生的少数载流子形成的，尽管其浓度很低，但和温度相关，随温度的升高而增大。
综上所述，PN结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，呈导通状态；PN结外加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，呈截止状态。这就是PN结的基本特性——单向导电性。PN结还有其他特性，如电容特性、击穿特性等，它们的共同特点都是非线性（具体可参考其他参考书，本书不再详述）。图1-2 PN结外加正向电压图1-3 PN结外加反向电压1.2 二极管特性的分析与测试1.2.1 二极管的结构及分类
1）二极管的结构
二极管是由一个PN结加上引出线和管壳构成的。P型半导体一侧的引出线称为阳极或正极，N型半导体一侧的引出线称为阴极或负极。
2）二极管的分类
普通二极管按使用的半导体材料不同，分为硅管和锗管；按结构形式不同，常用的有点接触型和平面型。
点接触型半导体二极管的结构如图1-4（a）所示。它的特点是：PN结的面积小，PN结的等效电容也小，适用于高频、小电流的电路，如小电流的整流电路和高频检波。
硅平面型半导体二极管的结构如图1-4（b）所示。它的特点是：当PN结的面积较大时，PN结的等效电容也较大，适用于低频、大电流的电路，如大电流的整流电路；当PN结的面积较小时，PN结的等效电容也较小，适用于高频、小电流的电路和脉冲数字电路。
二极管的符号如图1-4（c）所示，外形如图1-4（d）所示。图1-4 半导体二极管的结构、符号和外形1.2.2 二极管的外特性及主要参数
1．普通二极管的伏安特性
半导体二极管（简称二极管）两端的电压u与流过的电流i之间oo的关系称为伏安特性。
半导体二极管的伏安特性与PN结的伏安特性略有差别。虽然半导体二极管的核心是PN结，但在半导体二极管中，还有电极的引线电阻、管外电极间的漏电阻、PN结两侧中性区的体电阻，它们都会对伏安特性有所影响。引线电阻及体电阻与PN结串联，主要影响半导体二极管的正向偏置时的伏安特性——正向特性；漏电阻较大，与管子并联，主要影响半导体二极管的反向偏置时的伏安特性——反向特性。
图1-5（a）和（b）分别表示半导体二极管中的锗管和硅管的伏安特性曲线。从伏安特性曲线可见：半导体二极管具有非线性的伏安特性；硅管和锗管的伏安特性有一定的差异。下面对二极管的伏安特性进行具体的讨论。
1）正向特性（1）整个正向特性曲线近似呈现为指数曲线。由于二极管的引线电阻、体电阻很小，电极间的漏电阻很大，对二极管的伏安特性的影响均不大，故可用式（1-1）近似来表述二极管的伏安特性：（2）不论是硅管还是锗管，当正向偏置电压较小时，i近似为零，D二极管仍未很好导通，当正向电压超过一定数值后，二极管电阻变得很小，电流增长很快，这个电压称为“死区电压”。硅管的死区电压约为0.5V；锗管的死区电压约为0.1V。当然，当二极管工作于死区时，并不是完全没有电流流过，只是流过的电流极小，在工程计算中往往可以忽略。图1-5 半导体二极管的伏安特性曲线（3）当正向电压u超过死区电压时，二极管呈现的电阻很小，正D向电流i增长很快，二极管正向导通。导通后，二极管两端的正向电D压称为正向压降（或管压降），也近似认为是导通电压，一般硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。
2）反向特性（1）当二极管反向偏置时，反向电流由少数载流子漂移形成，因此常温下的反向电流很小。小功率硅管的反向饱和电流I一般小于S0.1μA，锗管的I约为几十到几百微安。在二极管击穿之前，反向电S流几乎不随反向电压的变化而改变，硅管尤其是这样。（2）当反向电流超过一定范围以后，反向电压的增加使反向电流急剧增大，二极管发生反向击穿（实质上是内部的PN结发生击穿）。二极管发生反向击穿后，当反向电流还不太大时，二极管的功耗不大，PN结的温度还不会超过允许的最高结温（硅管约为150℃～200℃，锗管约为75℃～100℃），二极管仍不会损坏，一旦降低反向电压，二极管仍能正常工作，因此这种击穿是可逆的，称为电击穿。当发生电击穿后，若仍继续增加反向电压，反向电流也随之增大，二极管会因功耗过大使PN结的温度超过最高允许温度而烧坏，造成二极管的永久性损坏，因此这种击穿是不可逆的，称为热击穿。
2．普通二极管的主要参数
二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用它的一些参数来加以说明。参数是用来定量描述二极管性能的指标，它表明了二极管的应用范围。因此，参数是正确使用和合理选择二极管的依据。参数可以直接测量，很多参数还可以从半导体器件手册中查出。二极管的主要参数如下。
1）最大整流电流IF
I是指二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流，它与PNF结的材料、结面积和散热条件有关。因为电流流过PN结会引起二极管发热，如果在实际运用中流过二极管的平均电流超过I，则二极管F将因过热而烧坏。因此，二极管的平均电流不能超过I ，并要满足散F热条件。
2）最大反向工作电压UR
U是指二极管在使用时所允许加的最大反向电压。为了确保二R极管安全工作，通常取二极管反向击穿电压U的一半为U。实际运(BR)R用时，二极管所承受的最大反向电压不应超过U，否则二极管就有R发生反向击穿的危险。
3）反向电流IR
I是指二极管未击穿时的反向电流值。I越小，二极管的单向导RR电性越好。由于温度升高时I将增大，所以使用时要注意温度的影响。R
4）最高工作频率fM
f是由PN结的结电容大小决定的参数。当工作频率f超过f，结MM电容的容抗减小到可以和反向交流电阻相比拟时，二极管将逐渐失去它的单向导电性。
上述参数中的I、U和f为二极管的极限参数，在实际使用中不FRM能超过。应当指出，由于制造工艺的限制，即使是同一型号的二极管，参数的分散性也很大，所以手册上给出的往往是参数的范围。1.2.3 二极管电路的分析方法
1．图解分析法
二极管是非线性器件，采用非线性电路分析法较为复杂，而图解法则相对简单，但前提条件是已知二极管的伏安特性曲线。先列出管外电路方程，该方程与伏安特性曲线的交点便是所需求的解。【实例1-1】 电路如图1-6所示，已知二极管的伏安特性曲线、电源U和电阻，求二极管两端的电压u和流过二极管的电流i。DDDD图1-6 实例1-1的图
解：由电路的KVL方程可得：，即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线。
Q的坐标值(U,I)即为所求。Q点称为电路的工作点。DD
2．简化模型分析法
由于分析时的条件不同，所以二极管会有不同的等效电路。
考虑到实际情况，下述等效电路中的二极管均不工作在反向击穿区域。将指数模型分段线性化，可得到二极管特性的等效模型。
1）理想模型
图1-7（a）表示理想二极管的U-I特性，其中虚线表示实际二极管的U-I特性。图1-7（b）为它的等效电路（代表符号）。由图1-7（c）、（d）可见，当二极管正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为0。在实际电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。图1-7 理想模型
2）恒压降模型
恒压降模型如图1-8所示，其基本思想是当二极管导通后，其管压降u被认为是恒定的，且不随电流而变，其典型值为0.7V。不过，D这只有当二极管的电流i近似等于或大于1mA时才是正确的。该模型D提供了合理的近似，因此应用也较广。
3）折线模型
为了较真实地描述二极管的U-I特性，在恒压降模型的基础上做一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，这样在模型中可以用一个直流电源和一个电阻r来做进一步的近似，如图1-9所示。这个直流电源的电压选定为二D极管的开启电压U，约为0.5V。至于r的值，可以这样来确定，如当onD二极管的导通电流为1mA、管压降为0.7V时，r的值可计算如下：D
由于二极管特性的离散性，所以U和r的值不是固定不变的。onD
应该注意，r并不是直流电阻R，R应为二极管两端所加的直流DDD电压U与流过管子的直流电流I之比，即。DD图1-8 恒压降模型图1-9 折线模型
4）小信号模型
在二极管不能做理想化等效的情况下，二极管对交流信号的影响应如何分析和估算？其小信号等效电路模型又如何得到呢？这里先从二极管的交流等效电阻开始讨论。（1）二极管的交流电阻rd
二极管在工作点Q附近的电压微小变化量ΔU与相应的电流微小变化ΔI之比，称为二极管的交流电阻，用r表示，即。d
由于交流电阻反映了二极管在工作点Q附近的电压、电流做微小变化时的等效电阻，所以又称为动态电阻或微变等效电阻。ΔU和ΔI越小，计算出的r值越精确。由高等数学的知识可知，当ΔU→0、ΔId→0时，r就等于伏安特性曲线上Q点切线斜率的倒数，如图1-10所示，d即。
交流电阻由PN结的伏安特性进行估算可得：。
在室温下，U ≈26mV，则正向导通时交流电阻。T
二极管的交流电阻也是一种非线性电阻。对于线性电阻器，其交流电阻等于直流电阻，且与所加电压的大小、极性相关。而对于二极管，其交流电阻与直流电阻不等，且都是非线性电阻，这就是作为非线性器件的二极管与线性电阻器的重要区别。（2）二极管的交流等效电路
这里所说的交流等效电路实际是指小信号电子电路，也称为微变等效电路。
当信号频率不很高（即“低频”）时，如果二极管两端的电压在某一固定值附近做微小变化，即在工作点Q附近做微小变化，则其电流也在Q点附近做微小变化，因此二极管在Q点附近的一小段伏安特性曲线可以用该曲线在Q点的切线来近似，如图1-10（a）所示。这样，对于变化量而言，二极管就等效为一个微变等效电阻r，即其微d变等效电路就是一个微变等效电阻（即交流电阻）r，如图1-10（b）d所示。该电路没有考虑PN结电容对信号的影响，因此是低频等效电路。
注意：微变等效电路只适用于工作点附近的小信号的情况，且Q点不同，r也不同。在微变等效电路中，作为非线性器件的二极管已d近似当做线性电阻来处理，即在小信号时把其非线性特性“线性化”了。图1-10 小信号模型
上述微变等效电路只适用于低频的情况。在高频时，PN结的电容效应必须考虑，因此二极管的高频等效电路如图1-10（c）所示，其交流电阻r与结电容C并联。考虑到引线电阻和P区、N区体电阻的dj影响，因此等效电路中引入了串联电阻r。应该指出，由于r的值很ss小，所以在分析和计算时经常被忽略。
由于二极管正偏时r的值很小，故与之并联的结电容C的作用也dj小，电容效应不明显；而在反偏时，由于r的值很大，故结电容效应d很显著。1.2.4 特殊二极管及其应用
1．稳压二极管
利用二极管的反向击穿特性，可将二极管制成一种特殊二极管——稳压二极管。
稳压二极管简称稳压管，也称齐纳二极管，它是用硅材料制成的半导体二极管。由于这种类型的二极管具有稳定电压的特点，在稳压设备和一些电子电路中经常用到，所以把它们统称为稳压二极管。
稳压二极管的符号和伏安特性曲线如图1-11所示，其正向特性和普通二极管相同，反向特性曲线在击穿区域比普通二极管更陡直，这表明稳压二极管击穿后，通过管子的电流变化（ΔI）很大，而管子Z两端的电压变化（ΔU）很小，或者说其两端电压几乎不变，因此它Z常被用来工作于反向电击穿状态，用于稳定直流电压。
稳压管的主要参数有以下几个。图1-11 稳压管的符号和伏安特性曲线（1）稳定电压U：当流过稳压管的反向电流为规定的测试电流IZZ时，稳压管两端的电压值称为稳定电压。由于工艺条件的局限，使得同一种型号稳压管的稳定电压有差异，所以在手册中，这一个值以一个小的范围给出，如2CW11给出的稳定电压为3.2～4.5V。（2）稳定电流I：稳定电流是稳压管稳压工作时的参考电流值，Z通常为工作电压等于U时所对应的电流值。当工作电流低于I时，稳ZZ压效果变差；当工作电流低于I时，稳压管将失去稳压作用。Zmin（3）最大耗散功率P和最大工作电流I：P和I是为了保证ZmZmZmZm管子不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定，P=IU。ZmZmZ（4）动态电阻r：也称为交流电阻，它等于稳压管两端电压的增Z量与流过它的电流增量之比，即r=ΔU/ΔI。同一个管子的r的大小ZZZZ与其工作电流I的大小有关。I越大，r就越小。ZZZ（5）稳定电压的温度系数C：指温度每增加1℃时，稳定电压的T相对变化量，即C=ΔU/UΔT×100%。TZZ
2．光敏二极管
光敏二极管又称为光电二极管，它的结构与普通二极管类似，但在它的PN结处，能通过管壳上的一个玻璃窗口接收外部的光照。它的PN结工作在反向偏置状态，其方向电流随光照强度增加而上升。通过回路电阻R可获得电信号，从而实现光电转换或光电控制。光敏L二极管的应用广泛，主要用于需要光电转换的自动探测、控制装置，在光纤通信与系统还可以作为接收器件等。其电路符号及等效特性如图1-12所示。图1-12 光敏二极管的电路符号及等效特性
3．发光二极管
发光二极管简称LED，是一种固态发光器件，常用砷化镓、磷化镓等制成。
发光二极管是用特殊的半导体材料制成的，当载流子复合时，它释放出的能量是一种光谱辐射能。例如，砷化镓发光二极管辐射红光；磷化镓发光二极管辐射绿光或黄光等。
4．激光二极管
激光二极管的物理结构是在发光二极管的结间安置一层有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED的PN结发射出光来，并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。
5．变容二极管
变容二极管两端的电容特性随着电压的改变而变化，可以用于电视机、收音机的高频接收部分，用于调台。
6．二极管应用电路
在各种电子电路中，二极管是使用和应用最频繁的器件之一。它具有结构简单、体积小、价格低、反向耐压高、工作频率高和使用方便等特点。二极管的基本应用电路有：整流电路、限幅电路、电平选择电路、稳压电路等。
1）二极管整流电路
普通二极管可以用于整流电路，若电流较大，则一般使用大电流整流管。如图1-13所示为简单的二极管整流电路。图中的u为交流电i压，其幅度一般较大，为几伏以上。图1-13 二极管整流电路
容易理解，图1-13（a）所示的简单整流电路的输入和输出电压波形应如图1-13（b）所示。显然，整流的过程可以把双向交流电变为单向脉动交流电。脉动交流电中虽然含有较大的直流成分，但由于脉动成分仍较大，所以还不能直接用做直流电。通常在输出端并接电容以滤除交流分量，从而使输出电压中的脉动成分大大减小，比较接近于直流电。
2）二极管限幅电路
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，为了保护某些器件不因承受大的信号电压作用而损坏，往往利用二极管的导通和截止限制信号的幅度，这就是所谓的限幅。限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。
简单的上限幅电路如图1-14（a）所示，当u≥2.7V时，VD导通，iu=2.7V，即将u的最大电压限制在2.7V上；当u＜2.7V时，VD截止，oii二极管支路开路，u=u。图1-14（b）画出了输入幅度为-5V的正弦波oi时，该电路的输出波形。由图可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。图1-14 二极管限幅电路
3）二极管电平选择电路
从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图1-15（a）所示。设两路输入信号u，u均小于E。表面上看似乎VD，VD都能导通，但实际上若1212u＜u，则VD导通后将把u限制在低电平u上，使VD截止。反之，121o12若u＜u，则VD导通，使VD截止。只有当u=u时，VD，VD才能21211212都导通。图1-15 二极管低电平选择电路
由图可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图1-15（b）画出了当u、u为方波时，输出端选出的低电平波形。如12果把高于2.3V的电平当做高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当做低电平，并作为逻辑0，由图1-15（b）可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。
将图1-15（a）所示电路中的VD，VD反接，将E改为负值，则12变为高电平选择电路。如果输入也为数字量，则该电路就变为或门电路。
4）二极管稳压电路
由稳压二极管构成的简单稳压电路如图1-16所示，其应用条件是要求输出电流较小。图中的R为限流电阻。该电路能在输入电压U和I负载R在一定范围内变化时，保持输出电压基本不变。L图1-16 简单稳压电路
稳压二极管的稳压实际上是利用稳压二极管在反向击穿时电流可在较大范围内变动，但击穿电压基本不变的特点而实现的。
当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压二极管中的电流也将随之同步变化，结果使得输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压二极管中的电流却随之做反向变化，结果仍使得输出电压基本不变。案例分析1 二极管单向导电性的性能测试及分析续表
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