1、模电基础知识讲解第一讲 电荷一、正电荷和负电荷初中的时候我们学习过的物理和化学里有有关自然界中的物质的定义是：物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成。原子核带正电，核外电子带负电。元素的序号就是一个原子中原子核内正电荷的数目，核外电子的数目与核内正电荷的数目相等，正电荷和负电荷相互抵消而呈电中性。所以，正常情况下物质是电中性的，即不带电的。当原子获得一定的能量后，其核外电子容易摆脱原子核的束缚而挣脱出来，叫做自由电子。任何元素都有其自身的化合价，化合价有表达能够摆脱原子核束缚的自由电子数目多少的特征。如，硅原子的序号是14，表示有14个核外电子，14个核内正电荷。但是化合价
2、是4，即可能最多有4个核外电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子，其余10个永远被原子核束缚，不得挣脱。核外电子在原子核周围是按层次有规律的飞旋运转的。正电荷和负电荷有相互吸引的作用，同种电荷有互相排斥的作用。二、物质带电当我们设法把正电荷和负电荷分开，物质就带电了。例如，物质的一头带正电荷，另一头带负电荷。或者我们把某物质的某种电荷移走一部分，这个物质就剩下与移走的电荷的反电荷，数量相同，这个物质也就带电了。通常的方法是摩擦起电或感应起电或接触起电。摩擦起电：用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒上就产生了正电荷。感应起电：用一个带某种电荷的物体，靠近另一个电中性的物体，这个电中性的物体的异种电荷被带电物体吸
3、引，靠近带电物体，同种电荷被排斥到另一头。接触起点：一个带电物体接触一电中性的物体，带电物体所带的电荷移动一部分到电中性的物体，电中性的物体也带电了。如果我们把物质的某种电荷移走，但是该物质能源源不断的补充这种电荷，这叫电源。 第二讲 电流、电压、电阻和欧姆定律一、电流电荷的定向移动，形成电流。为什么要加上“定向”呢？因为物质里面的电荷是无时无刻的在运动着，但不定向自由运动，就不能形成电流。二、电压电压是形成电流的要素，一根导体两端如果有电压，这根导体上就产生了电流。上一讲谈到的电源，有电压的电源，也有电流的电源，他们是可以相互转换的。三、电阻阻碍电流通过的物体是电阻，任何有形物质都具有电阻的
4、特征。只是阻碍电流能力的强弱而已。如铜棒，木棒，水，空气。任何物质都有其特定的电阻率，电阻率是描述一个物质单位截面积、单位长度所表现出来的电阻的大小的一个参量。如铜的电阻率比铁的电阻率小，则铜比铁更容易导电，阻碍电流的能力也小。四、欧姆定律电流、电压和电阻三者之间的关系，称欧姆定律。电流与电压成正比，与电阻成反比。如果用I表示电流，U表示电压，R表示电阻，则 其中电流I的单位是安培，简称安，用A表示；还有毫安培，用mA表示，简称毫安；以及微安培，用uA表示，简称微安。1A=1000mA；1mA=1000uA；另外，电压U的单位是伏特，简称伏，用V表示；还有毫伏特，用mV表示，简称毫伏；以及微伏
5、特，用uV表示，简称微伏。1V=1000mV；1mV=1000uV；还有电阻R，单位是欧姆，简称欧，用表示；还有千欧姆，用K表示，简称千欧；以及兆欧姆，用M表示，简称兆欧。1M=1000 K；1 K =1000；欧姆定律可以描述为1V的电压与1的电阻的比值就是1A的电流。在电子技术领域，用到千安培、千伏特和毫欧姆等单位的比较少见。 第三讲 电阻器的认识导线的电阻很小，如1m长度1mm2的铜线器电阻不到0.1。而电子技术中有时需要用到较大的电阻，那需要很长的导线，不但价格贵，安装也不方便。所以人们设法用廉价物质通过刻槽的方法制造出电阻器，所需的阻值可以任意刻出来，批量造价不到1分钱，这就给使用电
6、阻带来了方便。制造出来的电阻器简称电阻。 1电阻的符号和表示方法： R1表示电阻的序号，即这是图中的第1个电阻；1.2K表示这个电阻的阻值，也可简写为1.2K或1K2。2电阻的标称值国际标准标称电阻采用E24系列，即把1-10之间的电阻分为不等份24份，如：1，1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，2，2.2，2.4，2.7，3，3.3，3.6，3.9，4.3，4.7，5.1，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2，9.1；以及上述这些标称值乘以10的n次方，包括10的-1次方（0.10.91），10的0次方（上述数字本身），一直到10的6次方（1M9.1M）。 3电阻的色环表示现代
7、电子产品体积较小，电阻上不能印刷文字来表示阻值，用一圈圈不同的颜色来表示，参见相关书籍。 4电阻的串联 R总 = R1 + R2 = 12K + 1K2 =13K212K可以简写为12K，1.2K可以简写为1K2。串联电阻总的阻值为若干个电阻的和问答题：1）两个相同的电阻串联，总的阻值是？2）1个很大阻值的电阻和一个很小阻值的电阻串联，总阻值由哪一个占主导？5电阻的并联 并联电阻总阻值的倒数为各电阻倒数的和1/R总 =1/ R1 +1/ R2 = 1/12K + 1/1K2或并联电阻总的阻值为若干个电阻的乘积除以若干个电阻的和。 问答题：1）两个相同的电阻并联，总的阻值是？2）1个很大阻值的电
8、阻和一个很小阻值的电阻并联，总阻值由哪一个占主导？课后可多设置一些电阻串联、并联和混合联（本文从略）计算以加深印象。第四讲 电容器顾名思义，电容器就是盛电的容器，简称电容，他是由两块平行板相隔一定的距离，引出两根引线而形成的，根据平行板的面积和间距决定这个电容器能盛多少的电，电就是电荷，电容器的大小在一定程度上（如保持一定的电压时）就是指能盛电荷量的多少。电容器的大小与平行板的面积成正比，与平行板的距离成反比。电容器的符号与他的定义很形象，如下图，用Cx来表示序号，下方0.1u F指的是其容量值的大小。 电容器量纲的基本单位是法拉，简称法，用F表示，由于这个量纲表达的电容很大，所以电子技术中不
9、用法拉做单位，而是用微法拉作单位，或者用皮法拉做单位，一个微法拉是10的-6次方法拉。一个皮法拉是10的-6次方微法拉。微法拉用uF表示，皮法拉用PF表示。近年来，又相应推出了纳法拉（nF）和毫法拉（mF）做单位。即：1F=1000mF1F=1000000uF1uF=1000nF1uF=1000000PF电容器上的电荷是被慢慢的充电充进去的，一个特定容量的电容器，所充进去的电荷数目越多，其两端的电压就越高，但是不能高于该电容器额定的电压值，每一个电容器除了标注有电容量外，还标注有限制电压，称耐压，普通小容量（1uF）的耐压往往在50V以上，且不分电压极性，可以两端对调使用；而大容量的（称电解电
10、容）的耐压往往达到25V以上的，有电压极性的标注，使用时，我们不能接反。1uF以上的大容量电容器往往是铝电解电容器，还有钽（tan）电解和铌（ni）电解电容器，后两种损耗低漏电小价格高。一般我们见到的电解电容器都是铝电解电容器。电容器上所加的电压如果超过限定值，就有爆炸的可能，电容量越大，爆炸的威力也大，使用时要小心。电解电容器接反时，容量严重减小，耐压大大降低，损耗严重。电解电容器的的符号比普通电容器多了个“正”号，有“正”号的那边是正极，另一边是负极。如下图。 图中63V是限定电压，即耐压，指外电路只能加入比63V小一些的电压。电容器的主要特性是能通过交流电，而阻挡住直流电。电容器的容量越
11、大，就越能通过频率高的交流电。所谓交流电，是指大小能随时间交变变化的电源，也叫交流信号，每秒钟交变的次数称为交流电的频率，单位为赫兹（Hz），如1000Hz是指这个交流电信号每秒交变1000次。 第五讲 信号一、直流电源1直流电压源典型的直流电源是干电池，还有各种蓄电池，可以用 来表示，属于直流电源的一种，上面长横线是正极，下面短横线是负极，用E表示，右侧可注明电池的压，两个以上相同的电池串联称电池组。 还有可以从高压交流220V转换来的电源，广义的直流电压源符号为 直流电压源用于向外提供电压能量，以便使各种电子电路正确的工作。直流电压源在一定的条件下其两端的电压是相对稳定的。任何电压源都有其
12、自身内阻的特性，一般较小，所以往往在分析计算时被忽略。2直流电流源直流电流源向外提供稳定的直流电流，其广义的符号为 所示。我们认为，电流源的内阻一般较大，计算时其内阻往往被也忽略。电压源和电流源之间可以相互转换，可参考相关书籍，关于戴维南定理和诺顿定理章节。二、交流电源交流电源是指正负端随时间交替变化的电源，一般我们按正弦规律变化的来分析。本节未完待续注：上“图”太复杂，留着以后改版升级后再加，或抽空加。给网站提难题了，勿怪第五讲（二）继续0.5V直流电和0.5V有效值交流电如果接入相同的电阻，其电阻上产生的热量是相同的。文中，电压源内阻较小时，缺一个“阻”字第六讲 半导体的基础知识物质导电能
13、力的大小是用导体和绝缘体来表征的，导体的导电能力强，绝缘体的导电能力弱；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，就称为半导体；常见的半导体有硅（Si）和锗（Ge），这是单质半导体；还有化合物半导体砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）； 当半导体受热、光、杂质的影响后，其导电能力急剧上升，这是和导体、绝缘体有所不同的；完全纯净的且晶格完整的（晶格，物质结构专有名词，这里不展开讲述）半导体称本征半导体；本征半导体在绝对0K（自然环境不存在）和无光照的情况下，和绝缘体是相近的，是不导电的；当掺入杂质后，导电能力才急剧上升。但是达不到导体的程度；常规情况下，半导体都是4价的。即原子的最外层有4个电子。受热
14、或受光照后，其中的1-4个就会获得能量脱离原子核的束缚，自由运动，能够导电，称为自由电子，同时出现了1-4个空位，称为空穴，空穴也是能导电的。这叫做热激发；当掺入杂质后，就破坏了原子结构，掺入5价元素，每个原子就多了一个电子，掺入3价元素，每个原子就少了一个电子即多出了一个空穴；我们正是利用掺杂才将半导体制作成为对我们有用的物质-杂质半导体；当掺入3价硼（B）原子，每个原子周围就比半导体原子少了一个电子，对半导体整体来说，就出现了一个空位，称为空穴，这个空穴是带正电荷的。含有空穴的半导体称P型半导体，空穴（带正电荷）也是能导电的，就像电影院里的一个空座位，人挨个往空座位方向移动时，空座位就从这
15、一头移动到了另一头，所以说，空穴（带正电荷）也能导电；当掺入5价磷（P）原子，每个原子周围就比半导体原子多了一个电子，对半导体整体来说，就多出了一个电子。这个电子不受原子核束缚，可以自由移动导电，称自由电子，自由电子是能导电的。含有自由电子的半导体（这个自由电子与受光和热激发出来的自由电子不同，这个是多出来的，没有空穴与之对应）称为N型半导体；自由电子和空穴相遇时，自由电子就可能呆在了空穴的位置，称为复合。第七讲 PN结的形成关于上一讲，谈到的自由电子和空穴，我们可以都冠以“载流子”（承载能形成电流的粒子）这个名词。N型半导体中，除了含有因掺入5价元素（如P）杂质而产生的自由电子外，也有空穴，
16、空穴是因为热激发而产生的“自由电子空穴对”中的空穴。我们把N型半导体中的自由电子称为多数载流子，把N型半导体中的空穴称为少数载流子。同样的P型半导体中，除了含有因掺入3价元素（如B）杂质而产生的空穴外，也有自由电子，自由电子是因为热激发而产生的“自由电子空穴对”中的自由电子。我们把P型半导体中的自由电子称为少数载流子，把P型半导体中的空穴称为多数载流子。=这一节讲下PN结的形成半导体中，PN结是形成二极管和三极管的最主要的成分，没有PN结，就没有半导体在当前现代社会中的广泛应用，包括CPU。当把N型半导体和P型半导体有机的结合到一起，就形成了PN结。注意，是有机的结合，而不是简单的拼凑。所谓有
17、机的结合，是在制造过程中的整体形成，不是简单的挤压。例如，一块N型半导体，本来是平均掺杂有P原子的，自由电子较空穴相比具多数，但是总数少，我们叫做“轻”掺杂，当我们在这块N型半导体的上表面的某一定的厚度范围内，如2um，继续掺杂B原子，则掺杂到一定程度时这2um范围内的P和B原子的数目相等，这时自由电子和空穴数量相等并且互相复合，反而类似于本征半导体了（只剩下了因热激发而产生的少量电子空穴对），在此基础上，继续掺杂B原子，则空穴就多于自由电子了，被改作了P型半导体了（重掺杂）。在这个2um的交界处，一边是N型半导体，自由电子多空穴少；另一边是P型半导体，空穴多自由电子少，那这个2um的交界面就
18、叫做PN结。注意了，PN结仅仅是一个P型半导体和N型半导体的交界面而已！这是所谓的用平面工艺所产生的PN结。还有其他方法也能产生PN结，如合金法，此处不做描述。正是这个PN结，给我们后来的电子技术的发展，带来的前所未有的、空前的机遇。 第八讲 PN结机理上一讲说，N型半导体和P型半导体有机结合后，其交界面处就叫做PN结。其交界面的情况会是什么样子的呢？图示说明。 图中，左边是P型半导体，右边是N型半导体，P型半导体布满了空穴，N型半导体布满了自由电子。 物质具有从浓度高的向浓度低的方向扩展的能力，一滴红墨水，滴入一杯清水中，红墨水就会向清水中渗透，这其实是扩散，最终，这滴红墨水均匀融入到清水中
19、，形成均匀的淡红色的水。 空穴和自由电子也具有扩散的能力，左边空穴浓度高，右边空穴浓度低（右边的空穴图中没画，是由于热激发产生的，少量的，左边的自由电子也是一样，后面不在描述）。则左边的空穴要越过PN结向右边扩散，右边的自由电子浓度高，左边自由电子浓度低，则右边的自由电子要越过PN结向左边扩散，两者在互相扩散过程中因相遇而复合（消失了），则PN结附近的两边自由电子和空穴都没有了。 这时，我们说，PN结具有一定的宽度。 这个空白区域有许多名称，都是可以的。1）空间电荷区；2）势垒区；3）耗尽层等。实际上，空间电荷区并不是空的，确实是有电荷的，不过那不是空穴和自由电子，而是正离子和负离子，哪儿来的
20、？ N型一边掺入的P原子的是5价，核内有5个原子核带正电，和周围四个电子（不是自由电子，自由电子已经因复合而耗尽）抵消，剩下一个正离子。 P型一边掺入的B原子的是3价，核内有3个原子核带正电，和周围四个电子（同上，不是自由电子，自由电子已经因复合而耗尽）抵消，还少一个正离子，即多了一个负离子。 因此，可以画做为： 则PN结由一条线变成了有一定宽度了。 注意这时耗尽区里面的正负离子间就产生了一定的电压（书上说叫电场，那就电场吧），称内建电场。其右边正左边负。电场方向是 。 由于扩散、复合、耗尽（没了）需要时间（短的很），就此时而言，扩散、复合、耗尽的还很少，所以，空间电荷区很窄，正负离子数还很少
21、，所以，内建电场的电压值还很小，该电场具有阻碍扩散的能力，但，暂时阻碍的力量还很小。 因此，左右的空穴和自由电子还要继续扩散，有互相扩散就会复合和耗尽，使空间电荷区越来越大，空间电荷数目越来越多，内建电场的电压越来越大，阻碍扩散的能力就越来越强。 但是，由于两边有少数载流子，这内建电场具有吸引对方少数载流子的能力，我们称为 漂移 ，又使得耗尽层变窄，正负离子数目变少，内建电场电压减小。反过来，又加快了扩散运动的进行，又 。 扩散导致正负离子变多，内建电场加大，耗尽层变宽，阻碍扩散进行，加速漂移运动； 漂移导致正负离子变少，内建电场减弱，耗尽层变窄，阻碍漂移进行，加速扩散运动； 这样，扩散和漂移
22、运动互相制约又互相交叉从而一刻不停，使得耗尽层宽度、内建电场电压正负离子数量动态的维持在一定的量值上。这被称为动态平衡。 有一点，内建电场在常温下动态维持在约 左右。其宽度与掺杂轻重有关，其正负离子数量与这块 结半导体的长宽高有关。 注意体会：这里的 动态平衡 二字的含义。 第九讲 PN结单向导电性上回书说到，PN结内建电场的方向是从N端指向P端，动态平衡时大约0.65V左右，由于这个电场的存在会阻止载流子的扩散运动而加强漂移运动，并且最终达到动态平衡状态。设想一下：当我们设法削弱该电场时，则载流子的扩散运动将能维持下去，并形成扩散电流。反之：当我们设法增强该电场时，则载流子的漂移运动将能维持
23、下去，并形成漂移电流。削弱该电场的方法是在PN结外部加上一个与内建电场相反的电压回路；增加该电场的方法是在PN结外部加上一个与内建电场相同的电压回路；图示说明：1：正向导电先研究下外接一个与内建电场相反的电压，削弱了内建电场，加强了扩散运动，当外接电压较低，抵消量小，PN结宽度减小不多，虽然扩散运动大于漂移运动，但是扩散电流还很小。但是，毕竟产生了电流。和原来未加外接电压相比，虽然有内建电场，但达到动态平衡时是不产生电流的。随着外加电压的逐渐增加，大大加强了扩散运动，PN结宽度越来越窄，扩散电流逐渐加大。我们把连接的这个外加电压正端接P型半导体，负端接N型半导体的情况称为PN结的正向电压（虽然
24、与内建电场反向）。其外加正向电压与PN结的扩散电流（里面有一部分是相反的漂移电流）作为一个坐标的横轴和纵轴，采用描点法得到的曲线称为PN结的正向特性曲线，也叫PN结的伏安特性曲线。见下图。在没加外部电压时（如图，即0V），电流也为0；在外接电压很小时（如图，设为0.1V），产生的微小的电流，如10PA（皮安培，10PA=0.01mA）；在外接电压较小时（如图，设为0.3V），产生的较小的电流，如100PA（100PA=0.1mA）；在外接电压较大时（如图，设为0.5V），产生的较大的电流，如2.5mA；在外接电压达到内建电压时（如图，设为0.65V），产生的更大的电流，如10mA-正向导电；一
25、旦外接电压超过内建电压，产生的电流将迅速加大，容易导致PN结因过电流从而过功耗而损坏。=2：反向截止外接一个与内建电场相同的电压，即P端接负N端接正，这叫反向连接，这时增加了内建电场，PN结宽度增大，阻止了扩散运动，加强了漂移运动。当外接电压较低，增加量小，PN结宽度增大不多，但漂移运动大于扩散运动，漂移电流占主导地位，同样的，和没加外电压相比，毕竟产生了电流，虽然很小。随着外加电压的逐渐增加，大大加强了漂移运动，PN结宽度越来越宽，漂移电流逐渐加大。当外接电压加大到一定程度时，漂移电流不再增加，维持在一个稳定的电流值上。这是为什么呢？因为漂移电流是由少数载流子的定向移动形成的，少数载流子又是
26、哪里来的呢？前文说到，少数载流子是由因热和光的激发而产生的电子空穴对中的其中之一，忽略光的影响，少数载流子的数量完全由当前温度的高低决定，外加反向电压达到一定程度，所有少数载流子都参与了形成这个漂移电流，少数载流子的数量只要不增加，其电流就是定值不变。我们把连接的这个外加电压正端接N型半导体，负端接P型半导体的情况称为PN结的反向向电压（虽然与内建电场同向）。其外加反向电压与PN结的漂移电流作为一个坐标的横轴和纵轴，采用描点法得到的曲线称为PN结的反向特性曲线，也叫PN结的反向伏安特性曲线。见下图。在没加外部电压时（如图，即0V），电流也为0；在外接电压很小时（如图，设0.1V），产生的微小的
27、电流，如1PA；在外接电压较小时（如图，设为1V），产生的较小的电流，如100PA；在外接电压较大时（如图，设2V），产生的电流却没有变大多少，如101PA-反向截止；在外接电压达到内建电压时（如图，设为10V），产生的电流还是没有变大多少，如102PA；一旦外接电压超过某一数值（与具体的单个产品有关，如100V），产生的电流将迅速加大，这叫做PN结的击穿。如果不采取措施，容易导致PN结击穿后因过电流从而过功耗而损坏。正向导电反向截止叫做单向导电性，即PN结只有一个方向是导电的！ 第十讲PN结的参数及使用要点在PN结生产线上测试时，用探针法，配合晶体管特性图示仪，可以直观的看到正向特性曲线和反
28、向特性曲线。经测试性能满足要求的才连接引线和封装。当把PN结两个节点引出两根引线，并用塑料或玻璃封装起来，可作为成品出售，这就是传说中的晶体二极管，简称二极管。实质上，他内部主要就是一个PN结。标识及符号图 左边三角形是PN结的阳极，也叫正极；右边竖线是PN结的阴极，也叫负极。二极管主要参数：1.正向整流电流IF这个电流就是前面描述的扩散电流，这个参数指二极管能够长期正常稳定工作时允许流过的最大电流。有时二极管上流过的电流可能还超过IF电流，但是也不损坏，这是因为二极管在流过这么大电流后，产生的热量还没有促使其温度（PN结的结温）超过极限温度，接着外电路上的电压就撤销，PN结上电流就休止了（处
29、于降温状态），即瞬间流过的电流允许超过IF，但接着必需让二极管处于截止状态。2.反向击穿电压U（BR）D指二极管负极接正正极接负时能够承受的最大电压，二极管仍处于截止状态的极限电压，超过这个电压，二极管就不再截止了，变为反向导通了。这种反向导通状态叫做PN结的击穿。PN结的反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种，这里不仔细研究，可参阅相关书籍。一般大于6V的为雪崩击穿，小于4V的为齐纳击穿，在4V-6V范围内的很难确定。二极管反向电压超限并不一定损坏，只要限制其反向电流不要过分的大，则二极管击穿后并不损坏，当反向电压减小到U（BR）D以内二极管还是可以恢复到截止状态的。极端情况下，击穿后不限制电流
30、导致耗散功率过大从而烧坏的情况是有的。3.最大耗散功率PD指二极管能长期正常工作时流过二极管上的电流和二极管两端的电压的乘积的最大值。前面我们说二极管流过上的电流允许超过IF，但要注意，这是瞬时的，不能长期过限工作。4.正向电压降UD指二极管允许的正向最大电压，也是二极管上正向导通时的电压。超过这个电压会导致二极管上流过的电流超过IF从而导致二极管损坏，之所以损坏，还是因过热引起的。这个电压参数是温度的函数，温度每升高1，其UD大约上升1.8 mV 2.5mV。现在都大量使用硅材料制作的二极管，其正向电压降为约0.65V左右。过去若干年所见到的锗二极管为0.2V左右。5.反向饱和电流IRD这就
31、是前述的漂移电流，指外接反向电压（未击穿时）二极管上流过的电流。这个参数也是温度的函数，温度每上升10，IRD大约扩大1倍。二极管在直流电源中担任着不可或缺的主要角色。重点提示：关于二极管的损坏 二极管过流或过压，并不一定损坏，但二极管过流或过压容易损坏，因为过流或过压就容易过功耗。但是过压限制电流或过流限制时间都能保证二极管不损坏。二极管只要损坏，都是因为过流或过压后PN结超过功耗导致结温过高而烧坏的。与电源连接时，如果电源的内阻很小并直接连接，为了保证长期稳定的工作，要串联一个电阻，以限制流过二极管的电流。 按图实验一下：下图中圆圈内有叉号的是灯泡。 观察的结果有何不同？ 第十一讲 三极管的结构顾名思义，三极管三个电极，与二极管相比，多一个电极，那个电极是怎么引出来的呢？另外，三极管起到什么作用呢？在制造二极管时，制作出一个PN结，在这个基础上，再制造一个半导体区，形成三个半导体区，并且P区N区相互间隔，引出电极，如下图。分别称为NPN三极管和PNP型三极管。左边是NPN三极管，右边是PNP三极管三层半导体组成的是两个PN结，即一个三极管内
