模电基础知识讲解.docx

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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Ώ表示；还有千欧姆，用KΏ表示，简称千欧；以及兆欧姆，用MΏ表示，简称兆欧。

1MΏ=1000KΏ；1KΏ=1000Ώ；

欧姆定律可以描述为1V的电压与1Ώ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0.1Ω。

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；1.2KΩ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（0.1~0.91），10的0次方（上述数字本身），一直到10的6次方（1M~9.1M）。

3．电阻的色环表示

现代电子产品体积较小，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=13K2

12KΩ可以简写为12K，1.2KΩ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0.1uF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=1000mF

1F=1000000uF

1uF=1000nF

1uF=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0°K（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，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