基础电子学速查指南

基础电子学 - 材料

物质由分子构成，分子由原子构成。根据玻尔理论，“原子由带正电的原子核和若干带负电的电子组成，这些电子在原子核周围的不同轨道上旋转”。当电子从较低能级跃迁到较高能级时，就被认为是激发态的。在激发过程中，如果电子完全脱离原子核，则原子被认为是电离的。因此，将原子从正常状态提升到这种电离状态的过程称为电离。

下图显示了原子的结构。(此处应插入图片)

根据玻尔模型，电子被认为是在特定的轨道上运动，而根据量子力学，电子被认为位于原子自由空间的某个位置，称为轨道。量子力学理论已被证明是正确的。因此，电子可能存在的三维边界称为原子轨道。

量子数

每个电子运动的轨道在能量和形状上都不同。轨道的能级可以用一组离散的整数和半整数来表示，这些整数和半整数称为量子数。有四个量子数用来定义波函数。

主量子数

描述电子的第一个量子数是主量子数。其符号为n。它指定能级的尺寸或序数（能级）。随着n值的增加，电子到原子核的平均距离也增加，电子的能量也增加。主能级可以理解为一个电子层。

角动量量子数

该量子数的符号为l。这个l表示轨道的形状。它的范围从0到n-1。

l = 0, 1, 2 …n-1

对于第一层，n = 1。

即，对于n-1，l = 0是l的唯一可能值，因为n = 1。

所以，当l = 0时，它被称为s轨道。s轨道的形状是球形的。下图表示s轨道的形状。(此处应插入图片)

如果n = 2，则l = 0, 1，因为这是n = 2的两个可能值。

我们知道l = 0是s轨道，但是如果l = 1，它是p轨道。

电子更有可能在哑铃形状的p轨道中找到。如下图所示。(此处应插入图片)

磁量子数

该量子数用m_l表示，它表示轨道围绕原子核的取向。m_l的值取决于l。

$$m_{l}= \int (-l\:\:to\:+l)$$

对于l = 0，m_l = 0，这表示s轨道。

对于l = 1，m_l = -1, 0, +1，这是三个可能的值，这表示p轨道。

因此我们有三个p轨道，如下图所示。(此处应插入图片)

自旋量子数

这由m_s表示，这里的电子在其轴上自旋。电子的自旋运动可以是顺时针或逆时针，如下所示。(此处应插入图片)

此自旋量子数的可能值如下：

$$m_{s}= +\frac{1}{2}\:\:向上$$

对于称为自旋向上的运动，结果是正二分之一。

$$m_{s}= -\frac{1}{2}\:\:向下$$

对于称为自旋向下的运动，结果是负二分之一。

这就是四个量子数。

泡利不相容原理

根据泡利不相容原理，原子中没有两个电子具有相同的四个量子数。这意味着，如果任何两个电子具有相同的n、s、ml值（正如我们上面讨论的那样），那么它们的l值肯定不同。因此，没有两个电子具有相同的能量。

电子层

如果n = 1是一个电子层，则l = 0是一个亚层。

同样，n = 2是一个电子层，l = 0, 1是一个亚层。

对应于n = 1, 2, 3……的电子层分别用K、L、M、N表示。对应于l = 0, 1, 2, 3等的亚层或轨道分别用s、p、d、f等表示。

让我们看看碳、硅和锗（IV-A族）的电子构型。

可以观察到，每种情况下的最外层p亚层只包含两个电子。但电子的可能数是六个。因此，最外层壳层中各有四个价电子。所以，原子中的每个电子都有特定的能量。任何类型的物质中分子内部的原子排列几乎都是这样的。但是原子之间的间距因材料而异。

基础电子学 - 能带

在气态物质中，分子的排列并不紧密。在液体中，分子的排列是适中的。但是，在固体中，分子排列得非常紧密，以至于分子中原子的电子倾向于移动到相邻原子的轨道中。因此，当原子聚集在一起时，电子轨道会重叠。

由于固体中原子的相互混合，将形成一系列的能级而不是单个能级。这些紧密堆积的能级集合称为能带。

价带

电子在原子中以一定的能级运动，但是最内层电子的能量高于最外层电子的能量。存在于最外层壳层的电子称为价电子。

这些价电子包含一系列能级，形成一个能带，称为价带。价带是具有最高占据能量的能带。

导带

价电子与原子核的结合非常松散，即使在室温下，一些价电子也会离开价带而变得自由。这些被称为自由电子，因为它们倾向于向相邻原子移动。

这些自由电子是导体中导电的电子，因此称为导电电子。包含导电电子的能带称为导带。导带是具有最低占据能量的能带。

禁带

价带和导带之间的间隙称为禁带。顾名思义，这个能带是无能量的禁区。因此，没有电子停留在该能带中。价电子在进入导带时会穿过它。

如果禁带较大，则意味着价带电子与原子核紧密结合。现在，为了将电子推出价带，需要一些外部能量，这将等于禁带宽度。

下图显示了价带、导带和禁带。(此处应插入图片)

根据禁带宽度的大小，形成了绝缘体、半导体和导体。

绝缘体

绝缘体是由于禁带宽度很大而无法导电的材料。例如：木材、橡胶。绝缘体的能带结构如下图所示。(此处应插入图片)

特性

以下是绝缘体的特性。

禁带宽度非常大。
价带电子与原子紧密结合。
绝缘体的禁带宽度约为10eV。
对于某些绝缘体，随着温度的升高，它们可能会显示出一些导电性。
绝缘体的电阻率约为10⁷欧姆·米。

半导体

半导体是禁带宽度较小，如果施加一些外部能量就会导电的材料。例如：硅、锗。下图显示了半导体的能带结构。(此处应插入图片)

特性

以下是半导体的特性。

禁带宽度非常小。
锗的禁带宽度为0.7eV，而硅的禁带宽度为1.1eV。
半导体实际上既不是绝缘体，也不是良好的导体。
随着温度的升高，半导体的电导率增加。
半导体的电导率约为10²西门子/米。

导体

导体是价带和导带非常接近以至于重叠，禁带消失的材料。例如：铜、铝。下图显示了导体的能带结构。(此处应插入图片)

特性

以下是导体的特性。

导体不存在禁带。
价带和导带重叠。
可用于导电的自由电子很多。
电压略微升高，会增加导电性。
不存在空穴形成的概念，因为电流是由连续的电子流贡献的。

重要术语

在进入后续章节之前，我们需要讨论一些重要的术语。

电流

电流简单来说就是电子的流动。连续流动的电子或带电粒子可以被称为电流。用I或i表示，单位为安培。电流可以是交流电AC或直流电DC。

电压

电压是指电位差。当两点之间存在电位差时，就被认为存在电压差，用V表示，单位为伏特，电压差是在这两点之间测量的。

电阻

电阻是阻碍电子流动的性质。拥有这种性质可以被称为电阻率。这将在后面详细讨论。

欧姆定律

根据上面讨论的术语，我们有一个标准定律，对于所有电子元件的行为都至关重要，称为欧姆定律。它阐述了理想导体中电流和电压之间的关系。

根据欧姆定律，理想导体两端的电位差与其通过的电流成正比。

$$V\:\alpha\:\:I$$

理想导体没有电阻。但在实践中，每个导体都具有一定的电阻。随着电阻的增加，电位降也增加，因此电压增加。

因此，电压与其提供的电阻成正比。

$$V\:\alpha\:\:R$$

$$V = IR $$

但是，电流与其电阻成反比。

$$V\:\alpha\:\:I\:\alpha\:\:\frac{1}{R}$$

$$I = V/R $$

因此，在实践中，欧姆定律可以表述为：

根据欧姆定律，流过导体的电流与其两端的电位差成正比，与其电阻成反比。

该定律有助于确定三个未知参数中的值，有助于分析电路。

基础电子学 - 半导体

半导体是一种电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率并不是决定一种物质是否为半导体的唯一性质，它还具有一些如下性质。

半导体的电阻率小于绝缘体，大于导体。
半导体具有负温度系数。半导体的电阻随温度降低而增加，反之亦然。
当加入合适的金属杂质时，半导体的导电性能会发生变化，这是一个非常重要的特性。

半导体器件广泛应用于电子领域。晶体管取代了笨重的真空管，使器件的尺寸和成本降低，这场革命一直在加速发展，导致了集成电子等新发明。下图显示了半导体的分类。

半导体的导电性

了解了电子之后，我们知道最外层电子壳层有价电子，它们与原子核的结合比较松散。当这种具有价电子的原子靠近另一个原子时，这两个原子的价电子结合形成“电子对”。这种键合并不很强，因此它是一种共价键。

例如，锗原子有32个电子。第一层轨道上有2个电子，第二层轨道上有8个电子，第三层轨道上有18个电子，而最后一层轨道上有4个电子。这4个电子是锗原子的价电子。这些电子倾向于与相邻原子的价电子结合，形成电子对，如下图所示。

空穴的产生

由于提供给晶体的热能，一些电子倾向于移出其位置并破坏共价键。这些断裂的共价键导致自由电子随机游动。但是，移走的电子会在后面留下一个空位或价键，这被称为空穴。

这个代表缺失电子的空穴可以被认为是一个单位正电荷，而电子被认为是一个单位负电荷。释放的电子随机移动，但当施加外部电场时，这些电子沿与电场相反的方向移动。但是由于电子缺失而产生的空穴，则沿电场方向移动。

空穴电流

我们已经了解到，当共价键断裂时，就会产生空穴。实际上，半导体晶体具有很强的形成共价键的趋势。因此，空穴并不倾向于存在于晶体中。这可以通过下图更好地理解，该图显示了半导体晶体晶格。

当电子从A点移动时，就会形成空穴。由于形成共价键的趋势，B点的电子会移动到A点。现在，为了平衡B点的共价键，C点的电子会移动到B点。这会继续形成一条路径。空穴在没有外加电场的情况下移动是随机的。但是当施加电场时，空穴沿电场方向漂移，构成空穴电流。这被称为空穴电流，而不是电子电流，因为空穴的运动贡献了电流的流动。

电子和空穴在随机运动过程中，可能会相遇并形成对。这种复合会释放热量，从而破坏另一个共价键。当温度升高时，电子和空穴的产生率增加，因此复合率增加，导致电子和空穴的密度增加。结果，半导体的导电性增加，电阻率降低，这意味着负温度系数。

本征半导体

极其纯净的半导体被称为本征半导体。这种纯半导体的特性如下：

电子和空穴完全由热激发产生。
自由电子的数量等于空穴的数量。
室温下的导电能力较小。

为了提高本征半导体的导电能力，最好添加一些杂质。这种添加杂质的过程称为掺杂。现在，这种掺杂的本征半导体被称为外延半导体。

掺杂

向半导体材料中添加杂质的过程称为掺杂。添加的杂质通常是五价和三价杂质。

五价杂质

五价杂质是指最外层轨道上有五个价电子的杂质。例如：铋、锑、砷、磷。
五价原子被称为施主原子，因为它向纯半导体原子的导带贡献一个电子。

三价杂质

三价杂质是指最外层轨道上有三个价电子的杂质。例如：镓、铟、铝、硼。
三价原子被称为受主原子，因为它从半导体原子中接受一个电子。

外延半导体

通过掺杂纯半导体形成的不纯半导体称为外延半导体。根据添加的杂质类型，外延半导体有两种类型：N型外延半导体和P型外延半导体。

N型外延半导体

向纯半导体中添加少量五价杂质，即可得到N型外延半导体。添加的杂质有5个价电子。

例如，如果将砷原子添加到锗原子中，四个价电子与Ge原子结合，而一个电子则成为自由电子。如下图所示。

所有这些自由电子构成电子电流。因此，添加的杂质为导电提供了电子。

在N型外延半导体中，由于导电是通过电子进行的，因此电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
由于没有添加正电荷或负电荷，电子是电中性的。
当向添加了五价杂质的N型半导体施加电场时，自由电子会向正极移动。这被称为负型或N型导电性。

P型外延半导体

向纯半导体中添加少量三价杂质，即可得到P型外延半导体。添加的杂质有3个价电子。例如，如果将硼原子添加到锗原子中，三个价电子与Ge原子结合，形成三个共价键。但是，锗中还有一个电子没有形成任何键。由于硼中没有剩余电子形成共价键，因此该空间被视为空穴。如下图所示。

少量添加的硼杂质提供了许多有助于导电的空穴。所有这些空穴构成空穴电流。

在P型外延半导体中，由于导电是通过空穴进行的，因此空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
此处添加的杂质提供空穴，这些空穴被称为受主，因为它们从锗原子中接受电子。
由于可移动空穴的数量等于受主的数量，因此P型半导体保持电中性。
当向添加了三价杂质的P型半导体施加电场时，空穴会向负极移动，但速度比电子慢。这被称为P型导电性。
在这种P型导电性中，价电子从一个共价键移动到另一个共价键，这与N型不同。

为什么硅在半导体中更受欢迎？

在锗和硅等半导体材料中，广泛用于制造各种电子元件的材料是硅 (Si)。硅优于锗的原因有很多，例如：

硅的能带隙为 0.7ev，而锗的能带隙为 0.2ev。
热激发产生的载流子对较少。
硅易于形成 SiO2 层，这有助于制造许多元件以及集成技术。
自然界中硅比锗更容易找到。
由硅制成的元件噪声小于锗制成的元件。

因此，硅被用于制造许多电子元件，这些元件用于制造用于各种用途的不同电路。这些组件具有各自的特性和特定用途。

主要的电子元件包括——电阻器、可变电阻器、电容器、可变电容器、电感器、二极管、隧道二极管、变容二极管、晶体管、BJT、UJT、FET、MOSFET、光敏电阻、发光二极管、太阳能电池、热敏电阻、压敏电阻、变压器、开关、继电器等。

基础电子学 - 霍尔效应

霍尔效应以其发现者埃德温·霍尔命名。这有点类似于弗莱明的右手定则。当载流导体I置于横向磁场B中时，会在导体中感应出垂直于I和B的电场E。这种现象称为霍尔效应。

解释

当载流导体置于横向磁场中时，该磁场会对电子施加一定的压力，使电子沿曲线路径继续运动。施加能量的导体如下图所示。磁场也已标出。

当电子穿过位于磁场 B 中的导体时，电子将受到磁力。这种磁力将导致电子比另一侧更靠近一侧运动。这在一侧产生负电荷，在另一侧产生正电荷，如下图所示。

这种电荷分离将产生电压差，称为霍尔电压或霍尔电动势。电压会一直建立，直到电场对电荷产生的电力与磁力相等且方向相反。这种效应称为霍尔效应。

$$ \overrightarrow{F_{magnetic}} \:=\: \overrightarrow{F_{Electric}} \:=\: q \: \overrightarrow{V_{D}} \: \overrightarrow{B} \:=\: q \: \overrightarrow{E_{H}} $$

V_D 是每个电子所经历的速度

$$ \overrightarrow{E_{H}} \:=\: \overrightarrow{V_{D}} \: \overrightarrow{B} \:$$ 因为 V = Ed

其中 q = 电荷量

$\overrightarrow{B}$ = 磁场

$\overrightarrow{V_{D}}$ = 漂移速度

$\overrightarrow{E_{H}}$ = 霍尔电场

d = 导体中平面之间的距离（导体的宽度）

$$ V_{H} \:=\: \varepsilon_{H} \:=\: \overrightarrow{E_{H}} \: d \:=\: \overrightarrow{V_{D}} \: \overrightarrow{B} \: d $$

$$ \varepsilon_{H} \:=\: \overrightarrow{V_{D}} \: \overrightarrow{B} \: d $$

这是霍尔电动势

用途

霍尔效应用于获取有关半导体类型、电荷载流子符号、测量电子或空穴浓度和迁移率的信息。由此，我们还可以知道材料是导体、绝缘体还是半导体。它还用于测量电磁波中的磁通密度和功率。

电流类型

说到半导体中的电流类型，需要讨论两个术语。它们是扩散电流和漂移电流。

扩散电流

进行掺杂时，电子和空穴的浓度会发生差异。这些电子和空穴倾向于从较高的电荷密度浓度扩散到较低的浓度水平。由于这些是载流子，因此它们构成一种称为扩散电流的电流。

为了详细了解这一点，让我们考虑 N 型材料和 P 型材料。

N 型材料以电子为多数载流子，少数空穴为少数载流子。
P 型材料以空穴为多数载流子，少数电子为少数载流子。

如果将这两种材料彼此靠近连接，则 N 型材料价带中的少量电子倾向于向 P 型材料移动，而 P 型材料价带中的少量空穴倾向于向 N 型材料移动。这两种材料之间发生这种扩散的区域称为耗尽区。

因此，在不施加任何外部能量的情况下，由于这些电子和空穴的扩散而形成的电流可以称为扩散电流。

漂移电流

由于施加的电场而导致的带电粒子（电子或空穴）的漂移（运动）而形成的电流称为漂移电流。下图解释了漂移电流，以及施加的电场是如何产生差异的。

电流的大小取决于施加的电荷。耗尽区的宽度也会受到这种漂移电流的影响。为了使元件在有源电路中工作，这种漂移电流起着重要作用。

基础电子学 - 电阻器

Resist 这个词的意思是“阻碍”。电阻是阻碍电子在导体或半导体中流动的特性。电阻器是一种具有电阻特性的电子元件。

符号和单位

电阻器的符号如下所示。

电阻的单位是欧姆，用 Ω（欧米伽）表示。

电阻的公式是

R = V/I

其中V是电压，I是电流。制造具有每个值的电阻器确实很困难。因此，选择一些值，并且仅制造具有这些值的电阻器。这些被称为“标准值”。在实践中，选择近似值的电阻器以匹配所需应用。这就是实际电阻器的样子：

颜色编码

使用称为颜色编码的方法来确定电阻器的阻值，就像上图所示一样。电阻器涂有四个色带，每个颜色代表一个特定值。下表显示了每种颜色指示的值列表。

颜色	数字	倍率	容差
黑色	0	10⁰ = 1
棕色	1	10¹ = 10	1
红色	2	10² = 100	2
橙色	3	10³ = 1000
黄色	4	10⁴ = 10000
绿色	5	10⁵ = 100000	0.5
蓝色	6	10⁶ = 1000000	0.25
紫色	7	10⁷ = 10000000	0.1
灰色	8	10⁸ = 100000000
白色	9	10⁹ = 1000000000
金色		10^-1 = 0.1	5
银色		10^-2 = 0.01	10
（无）			20

前两个色带表示值的第一位和第二位数字，第三个色带表示倍率（添加的零的个数）。第四个色带表示容差值。

容差是电阻器在不被破坏的情况下可以承受的值范围。这是一个重要的因素。下图显示了如何通过颜色代码确定电阻器的值。

五色带电阻的制造容差为 2% 和 1%，也用于其他高精度电阻。在这类五色带电阻中，前三个色带代表数字，第四个色带表示倍率，第五个色带表示容差。

让我们来看一个例子来了解颜色编码过程。

示例 1 - 确定颜色代码为黄色、蓝色、橙色和银色的电阻器的值。

解答 - 黄色的值为 4，蓝色的值为 6，橙色的值为 3，表示倍率。银色为 ±10，即容差值。

因此，电阻器的值为 46×10³ = 46kΩ

此电阻器的最大阻值为

46kΩ 或 46000Ω + 10% = 46000 + 4600 = 50600Ω = 50.6kΩ

此电阻器的最小阻值为

46kΩ 或 46000Ω - 10% = 46000 - 4600 = 41400Ω = 41.4kΩ

在了解了有关电阻器的不同细节之后，我们有一些术语需要学习。我们还必须处理几种类型连接的电阻器的不同行为。

重要术语

在我们深入了解电阻器的类型之前，需要讨论一些术语。在这个阶段，需要了解这些术语，并随着我们进一步深入了解它们。

电阻

电阻是电阻器阻碍电流流动的特性。当交流电通过电阻时，会产生与电流同相的压降。

表示 - R
单位 - 欧姆
符号 - Ω

除了电阻之外，还有其他重要的术语，称为电抗和阻抗。

电抗

由于电路中存在的电容和电感而对交流电的阻抗可以理解为电抗。当交流电通过纯电抗时，会产生与电流相位差 90°的压降。

根据相位，即 +90° 或 -90°，电抗可以称为电感电抗或电容电抗。

表示 - X
单位 - 欧姆
符号 - Ω

阻抗

阻抗是由于欧姆电阻和电抗的综合作用而产生的对交流电的有效电阻。当交流电通过阻抗时，会产生与电流相位差在 0°到 90°之间的压降。

表示 - Z
单位 - 欧姆
符号 - Ω

电导

这是材料导电的能力。它是电阻的倒数。

表示 - G
单位 - 西门子
符号 - ℧

电阻器的电路连接

当电阻连接到电路中时，该连接可以是串联或并联。现在让我们了解一下，如果它们串联连接，以及并联连接时，总电流、电压和电阻值会发生什么变化。

串联电阻

让我们观察一下当几个电阻串联连接时会发生什么。让我们考虑三个具有不同值的电阻，如下图所示。

电阻

具有串联电阻的电路的总电阻等于各个电阻之和。这意味着，在上图中，有三个电阻，其值分别为 1KΩ、5KΩ 和 9KΩ。

电阻网络的总电阻值为：

$$ R \:=\: R_{1} + R_{2} + R_{3} $$

这意味着 1 + 5 + 9 = 15KΩ 是总电阻。

其中 R₁ 是第一个电阻的阻值，R₂ 是第二个电阻的阻值，R₃ 是第三个电阻的阻值。

电压

串联电阻网络两端的总电压是每个电阻电压降的总和。在上图中，我们有三个不同的电阻，它们在每个阶段都有三个不同的电压降值。

电路两端的总电压 −

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:+\:V_{2}\:+\:V_{3}$$

这意味着 1v + 5v + 9v = 15v 是总电压。

其中 V₁ 是第一个电阻的电压降，V₂ 是第二个电阻的电压降，V₃ 是第三个电阻的电压降。

电流

流过串联电阻组的总电流在整个电阻网络中的所有点处都是相同的。因此，在输入端或电阻之间的任何点，甚至在输出端测得的电流都是相同的 5A。

网络中的电流 −

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:=\:I_{2}\:=\:I_{3}$$

这意味着所有点的电流都是 5A。

其中 I₁ 是流过第一个电阻的电流，I₂ 是流过第二个电阻的电流，I₃ 是流过第三个电阻的电流。

并联电阻

让我们观察一下，当几个电阻并联连接时会发生什么。让我们考虑三个阻值不同的电阻，如下图所示。

电阻

具有并联电阻的电路的总电阻的计算方法与串联电阻网络的方法不同。这里，将各个电阻的倒数 (1/R) 值相加，然后取代数和的倒数以得到总电阻值。

电阻网络的总电阻值为：

$$\frac{1}{R}\:\:=\:\:\frac{1}{R_{1}}\:\:+\:\:\frac{1}{R_{2}}\:\:+\frac{1}{R_{3}}$$

其中 R₁ 是第一个电阻的阻值，R₂ 是第二个电阻的阻值，R₃ 是第三个电阻的阻值。

例如，如果考虑前面示例的电阻值，这意味着 R₁ = 1KΩ，R₂ = 5KΩ 和 R₃ = 9KΩ。并联电阻网络的总电阻将为 −

$$\frac{1}{R}\:\:=\:\:\frac{1}{1}\:\:+\:\:\frac{1}{5}\:\:+\frac{1}{9}$$

$$=\:\:\frac{45\:\:+\:\:9\:\:+\:\:5}{45}\:\:=\:\:\frac{59}{45}$$

$$R\:\:=\:\:\frac{45}{59}\:\:=\:\:0.762K\Omega\:\:=\:\:76.2\Omega$$

根据我们计算并联电阻的方法，我们可以推导出一个简单的双电阻并联网络公式。它是 −

$$R\:\:=\:\:\frac{R_{1}\:\:\times\:\:R_{2}}{R_{1}\:\:+\:\:R_{2}}\:$$

电压

并联电阻网络两端的总电压与每个电阻的电压降相同。

电路两端的电压 −

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:=\:V_{2}\:=\:V_{3}$$

其中 V₁ 是第一个电阻的电压降，V₂ 是第二个电阻的电压降，V₃ 是第三个电阻的电压降。因此，电压在并联电阻网络的所有点处都是相同的。

电流

进入并联电阻网络的总电流是所有并联支路中流过的所有各个电流的总和。每个支路的电阻值决定流过它的电流值。网络中的总电流为

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:+\:I_{2}\:+\:I_{3}$$

其中 I₁ 是流过第一个电阻的电流，I₂ 是流过第二个电阻的电流，I₃ 是流过第三个电阻的电流。因此，不同支路中各个电流的总和得到并联电阻网络中的总电流。

电阻器通常用作许多电路输出端的负载。如果根本不使用电阻负载，则在负载之前放置一个电阻器。电阻器通常是任何电路中的基本组件。

基础电子学 - 非线性电阻器

根据所用材料的类型、制造工艺及其应用，电阻器有很多类型。分类如下所示。

线性电阻器具有线性 VI 特性，非线性电阻器具有非线性 VI 特性。非线性电阻器是指其电压和电流特性非线性变化的电阻器。电压和电流值会根据温度和光线等其他因素而变化，但它们可能不是线性的。

热敏电阻

热力学是指温度。在这个电阻器中，电阻随温度变化。如果热量增加，电阻减小，反之亦然。它用于测量和控制目的。

热敏电阻的主要类型是 **NTC** 和 **PTC**。

NTC 是 **负温度系数**，在这种器件中，电阻随着温度的升高而降低。它们用于保护设备免受过电压条件的影响。
PTC 是 **正温度系数**，在这种器件中，电阻随着温度的升高而升高。它们用于保护设备免受过电流条件的影响。

下图显示了 NTC 热敏电阻及其符号。

光敏电阻

光是指光线。在这个电阻器中，电阻随光线变化。随着光线的增加，电阻减小，反之亦然。它也用于测量和控制目的。它也称为 **LDR**（光敏电阻）

压敏电阻

压敏电阻的电阻随施加电压的变化而变化。随着电压的升高，电阻降低；如果电压降低，电阻升高。它也称为 **VDR**（电压相关电阻）。

表面贴装

自从表面贴装技术问世以来，这些技术已被广泛使用。这些可以称为 **芯片电阻器**，这意味着电阻层集成在陶瓷芯片上。

与普通电阻器相比，这些表面贴装电阻器非常小，因此占用的空间更小。它们有效且散热少。这些电阻器的发明改变了印刷电路板 (PCB) 的外观，并大大减小了其尺寸。

表面贴装电阻器的优点是 −

体积小巧。
非常稳定。
公差良好。
有效降低散热。

下图显示了表面贴装电阻器的图像。

基础电子学 - 线性电阻器

线性电阻器是指其电阻不会随流过它的电流而变化的电阻器。流过它的电流将始终与其两端施加的电压成正比。线性电阻器进一步分为 **固定电阻器和可变电阻器**。

可变电阻器

可变电阻器是指其值可以根据需要手动更改的电阻器。借助连接的轴，可以选择一定范围的电阻值中的特定电阻值。可变电阻器的符号如下所示。

通过我们拥有的分类，可以更好地理解这些电阻器。可变电阻器进一步分为电位器、变阻器和微调电阻器。

电位器

电位器简称为 **电位器**。这是一个三端电阻器，带有一个可以滑动或旋转的轴。操作此轴会形成一个可调电压分压器。下图显示了电位器的图像。

电位器还可以测量电路中的 **电势差**（电压）。内部铺设了阻值从低到高的电阻材料路径，并放置了一个刮片，以便它将电阻材料连接到电路。这主要用作电视机和音乐系统中的音量控制器。

变阻器

变阻器可以简称为绕线电阻器。将由电阻材料制成的 **电阻丝** 紧紧地缠绕在一个绝缘陶瓷芯上。一个 **刮片** 滑过这些绕组。一个连接端连接到电阻丝的一端，另一个连接端连接到刮片或滑动触点，以获得所需的电阻。

变阻器用于 **控制电流**。这些主要用于大型电动机的速度控制。由此获得的电阻值约为 **千欧**。变阻器主要有单管和双管变阻器两种，如下图所示。

作为可变电阻，它们通常用于电路中的调谐和校准。如今，变阻器的使用已被开关电子设备所取代，因为变阻器的效率较低。

微调电阻器

微调电阻器既是可变电阻器，也是电位器（测量电势差）。简而言之，这种微调电位器称为 **微调电位器**。如果将这些用作可变电阻器，则称为预设电阻器。

这些微调电位器有不同的类型，例如单圈或多圈。这些是小巧的可变电阻器，用于调谐和校准。它们的寿命比其他可变电阻器短。

基础电子学 - 固定电阻器

固定电阻器是一种线性电阻器。如果电阻器的值是固定的，则该电阻器被称为固定电阻器。固定电阻器的值不能像可变电阻器那样改变，因为它的值是在制造时确定的。下图表示固定电阻器的符号。

固定电阻器根据其制造工艺和制造中使用的材料分为不同的类型。分类如下。

碳膜电阻

碳膜电阻器是由碳颗粒、石墨和陶瓷粉末与粘合剂（如粘土）混合而成。这种混合物在高压和高温下进行处理。在将整个东西模压成外壳后，固定引线。

碳膜电阻器的热质量较高，因此能够承受高能量脉冲。
这些电阻器的稳定性低，噪声高，这是一个缺点。

下图显示了碳膜电阻器的图像。

碳膜电阻器用于浪涌保护、电流限制和高压电源。

绕线电阻

绕线电阻器是由将由电阻材料制成的线绕在芯上而形成的。金属芯充当非导电材料，而电阻线导电，但具有一定的电阻。绕线电阻器的图像如下所示。

通常使用镍铬丝或锰铜丝绕制芯线，因为它们具有高电阻。而塑料、陶瓷或玻璃则用于芯线。

绕线电阻器非常精确。
它们非常适合低电阻值和高功率额定值。

它们是最古老的固定电阻器类型，但现在仍在使用。

厚膜电阻

薄膜电阻器在陶瓷基板上具有电阻层，其厚度决定了它们所属的类型。厚膜电阻器上电阻层的厚度远高于薄膜电阻器。厚膜电阻器是通过将特殊的糊状物（玻璃和金属氧化物的混合物）烧结到基板上而制成的。

厚膜电阻器主要有三种类型：熔断电阻器、金属陶瓷薄膜电阻器和金属氧化物薄膜电阻器。

熔断电阻器

熔断电阻器类似于绕线电阻器。但是这些电阻器除了提供电阻外，还充当保险丝。熔断电阻器的图像如下所示。

在这个电阻器中，电流流经弹簧加载连接，该连接紧密放置在电阻器主体附近。连接到电阻器弹簧线的熔珠吸收由电阻器由于电流流动而产生的热量。如果此热量增加，则与熔珠的连接会熔化并打开连接。

因此，我们可以说，这些电阻器限制电流，但是如果电路功率额定值超过指定值，这些电阻器会充当保险丝以打开或断开电路。这些电阻器的值通常小于 10 欧姆。这些电阻器通常用于电视机、放大器和其他昂贵的电子电路中。

金属陶瓷薄膜电阻器

陶瓷金属电阻膜电阻是由一种称为**陶瓷金属 (Cermet)** 的特殊材料制成的薄膜电阻。陶瓷金属是一种复合合金，由**陶瓷 (Cer)** 和**金属 (Met)** 结合而成。这种组合兼具这两种材料的优点，例如陶瓷的高耐温性和耐磨性，以及金属的柔韧性和导电性。

金属薄膜层包裹在电阻材料周围，并固定在陶瓷金属或陶瓷金属基板上。引线用于方便连接，便于固定在印刷电路板上。它们具有高稳定性，因为温度不会影响其性能。

金属氧化物薄膜电阻

金属氧化物薄膜电阻是通过在加热的玻璃棒（基板）上氧化一层厚的氯化锡薄膜形成的。它们具有高温度稳定性，可以在高电压下使用。这些电阻具有低工作噪声。

金属氧化物薄膜电阻与金属薄膜电阻的区别仅在于涂层的薄膜类型。**金属氧化物**是一种金属化合物，例如锡与氧结合形成氧化锡，它作为薄膜涂覆在电阻器上。该电阻的电阻率取决于添加到**氧化锡**中的氧化锑的量。

薄膜电阻

薄膜电阻在陶瓷基板上具有宽度为0.1微米或更小的电阻层。薄膜电阻具有真空沉积在绝缘基板上的金属薄膜。

薄膜电阻更精确，具有更好的温度系数，并且更稳定。薄膜电阻进一步分为两种类型：

碳膜电阻
金属膜电阻

碳膜电阻

碳膜电阻是通过在陶瓷基板上沉积一层碳膜制成的。碳膜充当电流的电阻材料，陶瓷物质充当绝缘物质。金属帽固定在两端，并引出铜引线。

下图显示了碳膜电阻的结构。（此处应插入图片）

这些电阻的主要优点是其高稳定性、宽工作范围、低噪声和低成本。由于其低噪声，碳膜电阻比碳成分电阻更受欢迎。

金属膜电阻

薄膜涂层使金属氧化物薄膜电阻和金属薄膜电阻之间有所区别。在金属膜电阻中，使用镍铬等金属薄膜来涂覆电阻器，而在金属氧化物电阻中，使用氧化锡等金属氧化物薄膜来涂覆电阻器。

金属膜电阻具有低的电阻温度系数，这意味着电阻受温度的影响较小。

功率

使用电阻器时，如果电流增加，电阻器会散发一些热量。如果该值超过某个临界值，电阻器可能会损坏。为了避免这种情况，在一些较高值的电阻器上印有功率额定值。

功率是用瓦特表示的电功率。电功率是电能转移的速率。

功率 P = VI = I²R

基础电子学 - 电容器

电容器是一种无源元件，能够以其极板之间的电位差的形式存储能量。它抵抗电压的突然变化。电荷以两极板之间的电位差的形式存储，根据电荷存储的方向，形成正极和负极。

这两极板之间存在一个非导电区域，称为**电介质**。这种电介质可以是真空、空气、云母、纸张、陶瓷、铝等。电容器的名称由所使用的电介质决定。

符号和单位

电容的标准单位是法拉。通常，可用电容器的值将以微法拉、皮法拉和纳法拉为单位。电容器的符号如下所示。（此处应插入图片）

电容器的电容与其极板之间的距离成正比，与其极板的面积成反比。此外，材料的介电常数越高，电容就越高。**介电常数**描述的是在该介质中每单位电荷产生的电通量。下图显示了一些实际的电容器。（此处应插入图片）

当两个具有相同面积A和相同宽度的极板平行放置，相隔距离d，并且如果对极板施加一些能量，则该平行板电容器的电容可以表示为：

$$C\:\:=\:\:\frac{\varepsilon_{0}\:\:\varepsilon_{r}\:\:A}{d}$$

其中

C = 电容器的电容

$\varepsilon_{0}$ = 自由空间的介电常数

$\varepsilon_{r}$ = 电介质的介电常数

d = 极板之间的距离

A = 两个导电极板的面积

施加一定电压后，电荷会沉积在电容器的两个平行极板上。这种电荷沉积缓慢发生，当电容器两端的电压等于施加的电压时，充电停止，因为进入的电压等于离开的电压。

充电速率取决于电容的值。电容值越大，极板电压变化速率越慢。

电容器的工作原理

电容器可以理解为一种两端无源元件，它存储电能。这种电能储存在静电场中。

最初，电容器两极板上的负电荷和正电荷处于平衡状态。电容器没有充电或放电的趋势。负电荷是由电子的积累形成的，而正电荷是由电子的耗尽形成的。由于这种情况在没有任何外部电荷的情况下发生，因此这种状态是**静电**状态。下图显示了带有静电荷的电容器。（此处应插入图片）

根据交流电源正负周期的变化，电子的积累和耗尽可以理解为“电流流动”。这称为**位移电流**。由于这是交流电，因此这种电流流动的方向不断变化。

电容器的充电

当施加外部电压时，电荷转换为静电荷。这种情况发生在电容器充电时。电源的正电位吸引电容器正极板上的电子，使其更正。而电源的负电位迫使电子进入电容器的负极板，使其更负。下图对此进行了说明。（此处应插入图片）

在这个充电过程中，电子通过直流电源移动，但不通过**电介质**（一种**绝缘体**）。当电容器开始充电时，这种位移很大，但随着充电而减小。当电容器两端的电压等于电源电压时，电容器停止充电。

让我们看看当电容器开始充电时电介质会发生什么。

电介质行为

随着电荷沉积在电容器的极板上，会形成静电场。该静电场的强度取决于极板上的电荷量和电介质材料的介电常数。**介电常数**是衡量电介质在多大程度上允许静电线通过它的指标。

电介质实际上是一种绝缘体。它在原子的最外层轨道上具有电子。让我们观察它们是如何受到影响的。当极板上没有电荷时，电介质中的电子在圆形轨道上移动。如下图所示。（此处应插入图片）

当发生电荷沉积时，电子倾向于向带正电的极板移动，但它们仍然保持旋转，如下图所示。（此处应插入图片）

如果电荷进一步增加，轨道将进一步扩展。但如果它仍然增加，则电介质会**击穿**，使电容器短路。现在，电容器已充满电，准备放电。如果我们提供一条路径让它们从负极板移动到正极板就足够了。电子在没有外部电源的情况下流动，因为一侧的电子数量过多，而另一侧几乎没有电子。这种不平衡通过电容器的**放电**来调整。

此外，当找到放电路径时，电介质材料中的原子倾向于回到其正常的**圆形轨道**，因此迫使电子放电。这种放电使电容器能够在短时间内提供高电流，就像在相机闪光灯中一样。

颜色编码

要了解电容器的值，通常如下标记：

n35 = 0.35nF 或 3n5 = 3.5nF 或 35n = 35nF 等等。

有时标记类似于 100K，这意味着 k = 1000pF。则值为 100 × 1000pF = 100nF。

虽然现在使用这些数字标记，但很久以前就开发了一种国际颜色编码方案来了解电容器的值。颜色编码指示如下所示。

色带颜色	数字 A 和 B	乘数	容差 (t) > 10pf	容差 (t) < 10pf	温度系数
黑色	0	× 1	±20%	±2.0pF
棕色	1	× 10	±1%	±0.1pF	-33 × 10^-6
红色	2	× 100	±2%	±0.25pF	-75 × 10^-6
橙色	3	× 1,000	±3%		-150 × 10^-6
黄色	4	× 10,000	±4%		-220 × 10^-6
绿色	5	× 100,000	±5%	±0.5pF	-330 × 10^-6
蓝色	6	× 1,000000			-470 × 10^-6
紫色	7				-750 × 10^-6
灰色	8	× 0.01	+80%, -20%
白色	9	× 0.1	±10%	±1.0pF
金色		× 0.1	±5%
银色		× 0.01	±10%

这些指示用于识别电容器的值。

在这些五条带电容器中，前两条带代表数字，第三条带表示乘数，第四条带表示容差，第五条带表示电压。让我们看一个例子来了解颜色编码过程。

**示例 1** - 确定颜色代码为黄色、紫色、橙色、白色和红色的电容器的值。

**解决方案** - 黄色的值为 4，紫色的值为 7，橙色的值为 3，表示乘数。白色是 ±10，是容差值。红色表示电压。但要了解电压额定值，我们还有另一个表格，必须从中知道该电容器所属的特定带。

因此，电容器的值为 47nF，10% 250v（V 带的电压）

下表显示了根据电容器所属的带来确定电压的方式。（此处应插入表格）

色带颜色	电压额定值 (V)
	J 型	K 型	L 型	M 型	N 型
黑色	4	100		10	10
棕色	6	200	100	1.6
红色	10	300	250	4	35
橙色	15	400		40
黄色	20	500	400	6.3	6
绿色	25	600		16	15
蓝色	35	700	630		20
紫色	50	800
灰色		900		25	25
白色	3	1000		2.5	3
金色		2000
银色

借助此表，可以根据给定的颜色知道每个电容器带的电压额定值。电压额定值的类型也指示电容器的类型。例如，J 型的是浸渍钽电容器，K 型的是云母电容器，L 型的是聚苯乙烯电容器，M 型的是电解带 4 电容器，N 型的是电解带 3 电容器。如今，颜色编码已被简单的电容器值打印所取代，如前所述。

容抗

这是一个重要的术语。容抗是电容器对交流电流或简称为交流电流的阻抗。电容器抵抗电流变化，因此它表现出一定的阻抗，这可以称为**容抗**，因为输入电流的频率也应与它提供的电阻一起考虑。

符号：X_C

在纯电容电路中，电流I_C超前于外加电压90°

电容的温度系数

电容在指定温度范围内电容的最大变化可以通过电容的温度系数来确定。它表明，当温度超过某个点时，电容可能发生的电容变化被称为电容的温度系数。

所有电容通常都在25°C的参考温度下制造。因此，电容的温度系数是针对高于和低于此值的温度而言的。

电容器的电路连接

在电路中，电容可以串联或并联连接。如果一组电容连接在电路中，则电容的连接类型与该网络中的电压和电流值有关。

串联电容

让我们观察一下，当几个电容串联连接时会发生什么。让我们考虑三个不同值的电容，如下图所示。（此处应插入图片）

电容

当考虑电容串联网络的电容时，将所有电容的电容倒数相加，得到总电容的倒数。更清晰地解释：

$$\frac{1}{C_{T}}\:\:=\:\:\frac{1}{C_{1}}\:\:+\:\:\frac{1}{C_{2}}\:\:+\:\:\frac{1}{C_{3}}$$

按照相同的公式，如果只有两个电容串联连接，则

$$C_{T}\:\:=\:\:\frac{C_{1}\:\:\times\:\:C_{2}}{C_{1}\:\:+\:\:C_{2}}$$

其中，C₁是第一个电容两端的电容，C₂是第二个电容两端的电容，C₃是上述网络中第三个电容两端的电容。

电压

每个电容两端的电压取决于各个电容的值。这意味着

$$V_{C1}\:\:=\:\:\frac{Q_{T}}{C_{1}}\:\:V_{C2}\:\:=\:\:\frac{Q_{T}}{C_{2}}\:\:V_{C3}\:\:=\:\:\frac{Q_{T}}{C_{3}}$$

串联电容电路的总电压为：

$$V_{T}\:\:=\:\:V_{C1}\:\:+\:\:V_{C2}\:\:+\:\:V_{C3}$$

其中，V_C1是第一个电容两端的电压，V_C2是第二个电容两端的电压，V_C3是上述网络中第三个电容两端的电压。

电流

流过一组串联电容的总电流在所有点处都相同。因此，无论电容值如何，电容都会存储相同的电荷量。

网络中的电流：

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:\:=\:\:I_{2}\:\:=\:\:I_{3}$$

其中，I₁是流过第一个电容的电流，I₂是流过第二个电容的电流，I₃是上述网络中流过第三个电容的电流。

由于电流相同，电荷存储量相同，因为电容的任何极板都从相邻的电容获得电荷，因此串联电容具有相同的电荷。

$$Q_{T}\:\:=\:\:Q_{1}\:\:=\:\:Q_{2}\:\:=\:\:Q_{3}$$

并联电容

让我们观察一下，当几个电容并联连接时会发生什么。让我们考虑三个不同值的电容，如下图所示。（此处应插入图片）

电容

电路的总电容等于网络中各个电容电容的总和。

$$C_{T}\:\:=\:\:C_{1}\:\:+\:\:C_{2}\:\:+\:\:C_{3}$$

其中，C₁是第一个电容两端的电容，C₂是第二个电容两端的电容，C₃是上述网络中第三个电容两端的电容。

电压

在电路末端测量的电压与并联电路中所有电容两端的电压相同。

$$V_{T}\:\:=\:\:V_{1}\:\:=\:\:V_{2}\:\:=\:\:V_{3}$$

其中，V_C1是第一个电容两端的电压，V_C2是第二个电容两端的电压，V_C3是上述网络中第三个电容两端的电压。

电流

流过的总电流等于流过并联网络中每个电容的电流之和。

$$I_{T}\:\:=\:\:I_{1}\:\:+\:\:I_{2}\:\:+\:\:I_{3}$$

其中，I₁是流过第一个电容的电流，I₂是流过第二个电容的电流，I₃是上述网络中流过第三个电容的电流。

基础电子学 - 可变电容

根据电容的功能、使用的介电材料、形状等，存在许多类型的电容。主要的分类是根据固定电容和可变电容进行的。

电容类型

分类如下所示。（此处应插入图片）

主要的分类如上所示。固定电容是在制造时其值就被固定的电容，而可变电容则允许我们改变电容的值。

可变电容器

让我们了解一下可变电容，其值可以通过电气或机械方式改变。可变电容通常由相互交错的一组金属板组成，其中一个固定，另一个可变。这些电容提供的电容值可以在10到500pF之间变化。

此处所示的联动电容是两个电容组合在一起。单个轴用于旋转这些电容的可变端，它们组合在一起。虚线表示它们在内部连接。（此处应插入图片）

这些可变电阻器有很多用途，例如用于无线电接收机的LC电路调谐、天线的阻抗匹配等。可变电容的主要类型是调谐电容和微调电容。

调谐电容

调谐电容是一种流行的可变电容。它们包含定子、转子、用于支撑定子的框架和云母电容。调谐电容的结构细节如下图所示。（此处应插入图片）

定子是静止部分，转子通过可移动轴的运动旋转。当转子板移动到定子的槽中时，它们靠近形成电容的极板。当转子板完全位于定子的槽中时，电容值最大；当它们没有完全位于槽中时，电容值最小。

上图显示了一个联动调谐电容，它有两个并联的调谐电容。这就是调谐电容的工作原理。这些电容的电容值通常从几皮法到几十皮法不等。它们主要用于无线电接收机的LC电路中。它们也称为调谐电容器。

微调电容

微调电容使用螺丝刀进行调节。微调电容通常固定在不需要更改电容值的地方，一旦固定就不需要更改。

微调电容有三条引线，一条连接到静止极板，一条连接到旋转极板，另一条是公共的。可动盘是半圆形的。微调电容看起来像下图中的那些。（此处应插入图片）

中间有一个介电材料，有两个平行的导电极板。根据使用的介电材料，有空气微调电容和陶瓷微调电容。微调电容的结构细节如下所示。（此处应插入图片）

两个极板中一个可动，另一个固定。介电材料是固定的。当可动极板移动时，可动极板与固定电极之间的面积相反，则电容可以改变。如果相反的面积变大，则电容将更高，因为两个电极都充当电容的两个极板。

微调电容易于安装在印刷电路板 (PCB) 上，它们主要用于设备的校准。

基础电子学 - 固定电容器

在制造过程中其值是固定的，以后不能更改的电容称为固定电容。固定电容的主要分类是极性和非极性。让我们看看非极性电容。

非极性电容

这些电容没有特定的极性，这意味着它们可以以任何方式连接到电路中，而无需考虑正负极的放置。这些电容也称为非电解电容。

非极性电容的主要分类如下所示。（此处应插入图片）

在各种类型的电容中，让我们首先了解陶瓷电容。

陶瓷电容

固定类型中常用的电容是陶瓷电容。陶瓷电容是具有陶瓷材料作为介电材料的固定电容。

这些陶瓷电容根据其应用进一步分为1类和2类。例如，1类具有高稳定性，最适合谐振电路应用，而2类具有高效率，最适合耦合应用。

空心管状或板状陶瓷材料，如二氧化钛和钛酸钡，在两侧涂覆银化合物沉积物，使两侧都充当两个电容极板，而陶瓷充当介电材料。引线从这两个表面引出，整个组件封装在防潮涂层中。

最常用的现代陶瓷电容是多层片式电容 (MLCC)。这些电容采用表面贴装技术制造，由于其尺寸小巧而被广泛使用。它们可用的范围从1ηF到100µF。

薄膜电容

薄膜电容是指具有薄膜物质作为介电材料的电容。根据所用薄膜的类型，它们分为纸质和金属薄膜电容。

这些薄膜电容既是纸介电电容，纸电容使用蜡纸，而金属薄膜电容使用金属化纸。排列方式几乎相同，如下图所示。（此处应插入图片）

纸电容

纸电容使用纸作为介电材料。取两张薄锡箔片，放在薄蜡纸或油纸之间。这种纸起介电作用。现在，纸正在被塑料取代。

这些片材被夹在一起，卷成圆柱形，并封装在塑料外壳中。引线被引出。下图显示了一个纸电容的示例。（此处应插入图片）

纸电容的容量范围为0.001µF到2µF，电压额定值高达2000伏。这些电容可用于高压和高电流应用。

金属薄膜电容

金属薄膜电容是另一种薄膜电容。它们也称为金属箔电容或金属化纸电容，因为这里使用的介电材料是涂有金属薄膜的纸。

与纸电容不同，在金属薄膜电容中，铝或锌薄膜涂在纸上形成介电材料。这里没有在纸之间放置铝片，而是直接涂覆纸张。这减小了电容的尺寸。

优选铝涂层而不是锌涂层，以避免由于化学还原而导致电容损坏。铝涂层片材卷成圆柱形，并引出引线。整个组件用蜡或塑料树脂封装以保护电容。这些电容可用于高压和高电流应用。

其他电容

这些是杂项电容，以使用的介电材料命名。该组包括云母电容、空气电容、真空电容和玻璃电容等。

云母电容

云母电容器采用薄云母片作为介电材料。与纸质电容器类似，薄金属片夹在云母片之间。最后，金属片的各层在两端连接，形成两个引线。然后整个组件封装在塑料酚醛树脂胶囊中。下图显示了云母电容器的外观。

云母电容器的容量范围为50pF至500pF。云母电容器的工作电压高达500伏。它们最常用于电子电路，例如纹波滤波器、谐振电路、耦合电路以及高功率、大电流射频广播发射机。

空气电容器

空气电容器是指以空气为介电材料的电容器。最简单的空气电容器是由带有空气间隙的导电板组成的。这种结构与上面讨论的可变调谐电容器完全相同。这些电容器可以是固定式和可变式的，但固定式很少使用，因为还有其他性能更好的电容器。

真空电容器

真空电容器使用高真空作为介电材料，而不是空气或其他材料。它们也有固定式和可变式两种。这些电容器的结构类似于真空管。它们大多呈玻璃圆筒状，内部包含相互嵌套的同心圆柱体。

下图显示了一个可变真空电容器。

下图显示了固定式真空电容器的外观：

可变真空电容器的容量范围为12pF至5000pF，用于高压应用，例如5kV至60kV。它们用于主要设备，例如高功率广播发射机、射频放大器和大型天线调谐器。

玻璃电容器

玻璃电容器非常独特，具有许多优点和应用。与上述所有类型一样，这里的玻璃是介电物质。除了玻璃介电材料外，这些电容器中还存在铝电极。引线取出后进行塑料封装。引线可以是轴向引线或管状引线。

玻璃电容器有许多优点，例如：

温度系数低。
这些是无噪声电容器。
它们产生高质量的低损耗输出。
它们能够承受较高的工作温度。
这些电容器可以处理较大的射频电流。

这些玻璃电容器有许多应用，例如：

用于需要处于高温区域的电路。
用于需要高Q值的电路。
用于需要高功率处理的电路。
用于需要高容差的电路。

基础电子学 - 极性电容器

极性电容器是指具有特定正负极性的电容器。在电路中使用这些电容器时，应始终注意将其连接到正确的极性。下图显示了极性电容器的分类。

让我们从电解电容器开始讨论。

电解电容器

电解电容器顾名思义，在其内部使用了电解质。它们是极性电容器，具有阳极（+）和阴极（-），具有特定的极性。

通过阳极氧化形成绝缘氧化层的金属称为阳极。覆盖氧化层表面的固体或非固体电解质充当阴极。由于阳极表面积较大且介电氧化层较薄，电解电容器的电容-电压 (CV) 值远高于其他电容器。

铝电解电容器

铝电解电容器是电解电容器中最常见的类型。在这些电容器中，具有蚀刻表面的纯铝箔充当阳极。几微米厚的薄金属层充当扩散阻挡层，放置在两种金属之间以进行电隔离。因此，扩散阻挡层充当介电层。电解质充当阴极，覆盖氧化层的粗糙表面。

下图显示了不同尺寸的铝电解电容器。

根据电解质的不同，铝电解电容器分为三种类型：

湿式铝电解电容器（非固态）
二氧化锰铝电解电容器（固态）
聚合物铝电解电容器（固态）

这些铝电解电容器的主要优点是，即使在电源频率下，它们也具有低阻抗值，并且价格便宜。它们主要用于电源电路、开关电源 (SMPS) 和DC-DC 转换器。

钽电解电容器

这是另一种电解电容器，其阳极由钽制成，在其上形成一层非常薄的绝缘氧化层。该层充当介电层，而电解质充当覆盖氧化层表面的阴极。

下图显示了钽电容器的外观。

钽提供高介电常数的介电层。钽具有高体积电容和更轻的重量。但是，由于钽经常缺货，这些电容器比铝电解电容器更昂贵。

铌电解电容器

铌电解电容器是另一种电解电容器，其中钝化的铌金属或一氧化铌被认为是阳极，并在阳极上添加绝缘的五氧化二铌层，使其充当介电层。一层固体电解质位于氧化层表面，充当阴极。下图显示了铌电容器的外观。

铌电容器通常作为SMD（表面贴装器件）芯片电容器出售。它们易于安装在PCB上。这些电容器应在正确的极性下工作。任何高于规定的反向电压或纹波电流最终都会破坏介电层和电容器本身。

超级电容器

电容值远高于其他电容器的高容量电化学电容器称为超级电容器。它们可以归类为介于电解电容器和可充电电池之间的一组电容器。它们也称为超级电容。

这些电容器有很多优点，例如：

它们具有高电容值。
它们可以更快地存储和释放电荷。
它们可以承受更多的充放电循环。

这些电容器有许多应用，例如：

它们用于汽车、公共汽车、火车、电梯和起重机。
它们用于再生制动。
它们用于存储器备份。

超级电容器的类型包括双层、伪电容和混合型。

双层电容器

双层电容器是静电电容器。这些电容器的电荷沉积是根据双电层原理进行的。

所有固体物质在置于液体中时，其表面层都带有负电荷。
这是由于液体的介电系数高。
所有正离子都靠近固体材料的表面形成一层薄膜。
随着距离的增加，靠近固体材料的正离子沉积变得越来越松散。
由于阴离子和阳离子的沉积在此表面产生的电荷导致一定的电容值。

这种双电层现象也称为亥姆霍兹双电层。下图解释了电容器充电和放电时双电层现象的过程。

这些电容器简称为电双层电容器 (EDLC)。它们使用碳电极来实现导电电极表面和电解质之间的电荷分离。碳充当介电层，另外两个充当阳极和阴极。电荷分离比传统电容器小得多。

伪电容器

这些电容器遵循电荷沉积的电化学过程。这也被称为法拉第过程。当某种化学物质在电极上还原或氧化时，会产生电流。在此过程中，这些电容器通过电极和电解质之间的电子转移来存储电荷。这是伪电容器的工作原理。

它们的充电速度更快，并且存储的电荷与电池一样多。它们以更快的速度运行。它们与电池串联使用以延长使用寿命。它们用于电网应用以处理功率波动。

混合电容器

混合电容器是EDLC和伪电容器的组合。在混合电容器中，活性炭用作阴极，预掺杂碳材料用作阳极。锂离子电容器是这种类型的常见示例。下图显示了不同类型的混合电容器。

它们在-55°C至200°C的宽温度范围内具有高容差。混合电容器也用于航空应用。虽然成本较高，但这些电容器非常可靠且紧凑。它们坚固耐用，能够承受环境中的极端冲击、振动和压力。混合电容器比任何电解电容器都具有更高的能量密度和更高的比功率。

基础电子学 - 电感器

让我向您介绍电子和电气领域中的另一个重要组件——电感器。电感器是一种无源两端元件，可以以磁场形式暂时存储能量。它通常被称为线圈。电感器的主要特性是它阻止任何电流变化。

电感器

根据法拉第电磁感应定律，当流过电感器的电流发生变化时，随时间变化的磁场会在导体中感应出电压。根据楞次定律，感应电动势的方向与产生它的电流变化方向相反。因此，**感应电动势与加在线圈上的电压方向相反**。这是电感器的特性。

下图显示了电感器的外观。

电感器可以阻挡直流信号中存在的任何交流分量。电感器有时会绕在一个磁芯上，例如铁氧体磁芯。如下图所示。

下图显示了一个标注了各个部件的电感器。

符号

各种类型电感器的符号如下所示。

能量存储

电磁学的基本特性之一是，当电流流过电感器时，会产生垂直于电流方向的磁场。这个磁场会不断增强，并在某个点达到稳定状态，这意味着之后电感不会继续增强。当电流停止流动时，磁场会减弱。

这种磁能会转化为电能。因此，能量暂时以磁场的形式存储在这里。

电感器的运行原理

根据电磁感应理论，任何在导体中变化的电流都会在其周围产生一个垂直于电流的磁场。同样，任何变化的磁场都会在该磁场中的导体中产生电流，而电流垂直于磁场。

现在，如果我们考虑一个由导电线圈组成的电感器，当电流通过电感器时，会产生垂直于电流的磁场。下图显示了一个带有周围磁场的电感器。

现在，我们这里有一个变化的磁场，它会在导体中产生一些电流。但是这个电流的产生方式是阻止产生磁场的初始电流。

如果将这个电流命名为Im（表示由磁场产生的电流），磁场用β表示，下图表示了这一点。

这个反向电流随着变化的磁场而增强，而变化的磁场又通过输入电源频率获得能量。因此，随着输入电流变得越来越高频的交流电，产生的反向电流也会在与产生它的原因相反的方向上增强其强度。现在，这个反向电流试图阻止高频交流电通过电感器，这意味着“阻挡交流电”。

基础电子学 - 电感

电感器由于电流变化而产生感应电压的特性定义为电感。电感是电压与电流变化率的比值。

电流变化率会引起磁场变化，从而在与电压源相反的方向上感应出电动势。这种感应电动势的特性称为**电感**。

电感的公式是

$$电感\:\:=\:\:\frac{电压}{电流变化率}$$

单位 −

电感的单位是**亨利**。用**L**表示。
电感器大多以mH（毫亨）和μH（微亨）为单位。

当线圈中自感电动势为**一伏特**，且流过线圈的电流变化率为**每秒一安培**时，该线圈的电感为**一亨利**。

自感

如果考虑一个有电流流过的线圈，它会产生垂直于电流方向的磁场。当这个电流不断变化时，磁场也会发生变化，而这个变化的磁场会感应出一个与电源电压方向相反的电动势。产生的这种反向电动势就是**自感电压**，这种现象称为**自感**。

图中电流i_s表示电源电流，而i_ind表示感应电流。磁通量表示线圈周围产生的磁通量。施加电压后，电流i_s流动并产生磁通量。当电流i_s变化时，磁通量也会变化，从而产生i_ind。

线圈两端的感应电动势与电流变化率成正比。电流变化率越高，感应电动势的值越高。

我们可以将上述方程写成

$$E\:\:\alpha\:\:\frac{dI}{dt}$$

$$E\:\:=\:\:L\:\:\frac{dI}{dt}$$

其中，

E表示产生的电动势
dI/dt表示电流变化率
L表示电感系数。

自感或自感系数可以表示为

$$L\:\:=\:\:\frac{E}{\frac{dI}{dt}}$$

实际方程写为

$$E\:\:=\:\:-L\:\:\frac{dI}{dt}$$

上述方程中的负号表示根据楞次定律，**感应电动势的方向与电源电压方向相反**。

互感

由于载流线圈在其周围产生磁场，如果将另一个线圈靠近这个线圈，使其处于第一个线圈的磁通量区域内，那么变化的磁通量就会在第二个线圈中感应出电动势。如果第一个线圈称为**初级线圈**，则第二个线圈可以称为**次级线圈**。

当由于初级线圈变化的磁场而在次级线圈中感应出电动势时，这种现象称为**互感**。

图中电流i_s表示电源电流，而i_ind表示感应电流。磁通量表示线圈周围产生的磁通量。这也会传播到次级线圈。

施加电压后，电流i_s流动并产生磁通量。当电流i_s变化时，磁通量也会变化，由于互感特性，在次级线圈中产生i_ind。

变化过程如下：

$$V_{p}\:\:I_{p}\rightarrow\:\:B\:\:\rightarrow\:\:V_{s}\:\:I_{s}$$

其中，

V_p i_p分别表示初级线圈的电压和电流
B表示磁通量
V_s i_s分别表示次级线圈的电压和电流

两个电路的互感M描述了次级线圈中由初级线圈电流变化引起的电压量。

$$V(次级)\:\:=\:\:-M\frac{\Delta I}{\Delta t}$$

其中$\frac{\Delta I}{\Delta t}$是电流随时间的变化率，M是互感系数。负号表示电流方向与电源方向相反。

单位 −

互感的单位是

$$伏特\:\:=\:\:M\frac{安培}{秒}$$

（根据上述方程）

$$M\:\:=\:\:\frac{伏特\cdot秒}{安培}$$

$$=\:\:亨利(H)$$

根据初级和次级线圈的匝数不同，磁通量耦合和感应电动势的大小也会变化。初级线圈的匝数用N1表示，次级线圈的匝数用N2表示。耦合系数是指定两个线圈互感的术语。

影响电感的因素

有一些因素会影响电感器的性能。下面讨论主要因素。

线圈长度

电感线圈的长度与线圈的电感成反比。如果线圈长度较长，则该电感器提供的电感较小，反之亦然。

线圈横截面积

线圈的横截面积与线圈的电感成正比。线圈面积越大，电感就越大。

匝数

线圈的匝数直接影响电感。电感值与线圈匝数的平方成正比。因此，匝数越高，线圈的电感值就越大。

磁芯的磁导率

电感器磁芯材料的**磁导率(μ)**表示磁芯对其自身内部磁场形成的支持程度。磁芯材料的**磁导率越高**，电感就**越高**。

耦合系数

这是计算两个线圈互感的一个重要因素。让我们考虑两个分别具有N1和N2匝的附近线圈。

第一个线圈i₁中的电流产生一些磁通量Ψ₁。磁通链数用韦伯-匝数表示。

设由于i₁的单位电流而与第二个线圈相连的磁通量为

$$\frac{N_{2}\varphi_{1}}{i_{1}}$$

这可以理解为互感系数，这意味着

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{2}\varphi_{1}}{i_{1}}$$

因此，两个线圈或电路之间的互感系数可以理解为一个线圈中由于另一个线圈中1A电流而产生的韦伯-匝数。

如果第一个线圈的自感为L₁，则

$$L_{1}i_{1}\:\:=\:\:{N_{1}\varphi_{1}}\:\:=>\:\:\frac{L_{1}}{N_{1}}\:\:\frac{\varphi_{1}}{i_{1}}$$

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{2}L_{1}}{N_{1}}$$

类似地，由于第二个线圈中的电流i₂引起的互感系数为

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{1}\varphi_{2}}{i_{2}}\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\:1$$

如果第二个线圈的自感为L₂

$$L_{2}i_{2}\:\:=\:\:N_{2}\varphi_{2}$$

$$\frac{L_{2}}{N_{2}}\:\:=\:\:\frac{\varphi_{2}}{i_{2}}$$

因此，

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{1}L_{2}}{N_{2}}\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\:2$$

将1和2相乘，我们得到

$$M\:\:\times\:\:M=\:\:\frac{N_{2}L_{1}}{N_{1}}\:\:\times\:\:\frac{N_{1}L_{2}}{N_{2}}$$

$$M^{2}\:\:=\:\:L_{1}L_{2}\:\:=>\:\:M\:\:=\:\:\sqrt{L_{1}L_{2}}$$

上述方程在初级线圈的整个变化磁通与次级线圈完全连接时成立，这是一个理想情况。但在实践中并非如此。因此，我们可以写成

$$M\:\:\neq\:\:\sqrt{L_{1}L_{2}}$$

$$and \frac{M}{\sqrt{L_{1}L_{2}}}\:\:=\:\:K\:\:\neq\:\:1$$

其中K称为耦合系数。

耦合系数K可以定义为实际互感系数与理想（最大）互感系数之比。

如果k值接近于1，则称线圈为紧密耦合；如果k=0，则称线圈为松散耦合。

电感的应用

电感器有很多应用，例如：

电感器用于滤波器电路中，以检测高频分量并抑制噪声信号。
隔离电路，防止不必要的射频信号干扰。
电感器用于电路中构成变压器，并隔离电路中的尖峰电压。
电感器也用于电机中。

电感器的电路连接

电感器连接到电路中时，连接方式可以是串联或并联。现在让我们了解一下，当它们串联或并联连接时，总电流、电压和电阻值会发生什么变化。

串联电感器

让我们观察一下，当几个电感器串联连接时会发生什么。让我们考虑三个不同值的电感器，如下图所示。

电感

具有串联电感的电路的总电感等于各个电感的电感之和。上面网络的总电感值为

$$L_{T}\:\:=\:\:L_{1}\:\:+\:\:L_{2}\:\:+\:\:L_{3}$$

其中，L₁是第一个电感的电感值，L₂是第二个电感的电感值，L₃是第三个电感的电感值。

电压

出现在串联电感网络两端的总电压是每个电感电压降的总和。

出现在电路两端的总电压

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:\:+\:\:V_{2}\:\:+\:\:V_{3}$$

其中，V₁是第一个电感上的电压降，V₂是第二个电感上的电压降，V₃是第三个电感上的电压降。

电流

流过一组串联电感的总电流在整个网络中的所有点都是相同的。

网络中的电流

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:\:=\:\:I_{2}\:\:=\:\:I_{3}$$

其中，I₁是流过第一个电感的电流，I₂是流过第二个电感的电流，I₃是流过第三个电感的电流。

并联电感器

让我们观察一下，当几个电阻并联连接时会发生什么。让我们考虑三个阻值不同的电阻，如下图所示。

电感

具有并联电感的电路的总电感计算方法与串联电感网络方法不同。这里，将各个电感的倒数 (1/L) 相加，然后取代数和的倒数来得到总电感值。

网络的总电感值为

$$\frac{1}{L_{T}}\:\:=\:\:\frac{1}{L_{1}}\:\:+\:\:\frac{1}{L_{2}}\:\:+\:\:\frac{1}{L_{3}}$$

其中，L₁是第一个电感的电感值，L₂是第二个电感的电感值，L₃是第三个电感的电感值。

根据我们计算并联电感的方法，我们可以推导出一个简单的双电感并联网络公式。

$$L_{T}\:\:=\:\:\frac{L_{1}\:\:\times\:\: L_{2}}{L_{1}\:\:+\:\: L_{2}}$$

电压

出现在并联电感网络两端的总电压与每个电感的电压降相同。

出现在电路两端的电压

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:\:=\:\:V_{2}\:\:=\:\:V_{3}$$

其中，V₁是第一个电感上的电压降，V₂是第二个电感上的电压降，V₃是第三个电感上的电压降。因此，电压在并联电感网络的所有点都是相同的。

电流

进入并联电感网络的总电流是所有并联支路中流动的各个电流之和。每个支路的电感值决定了流过它的电流值。

网络中的总电流为

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:\:+\:\:I_{2}\:\:+\:\:I_{3}$$

其中，I₁是流过第一个电感的电流，I₂是流过第二个电感的电流，I₃是流过第三个电感的电流。

因此，不同支路中各个电流之和得到并联网络中的总电流。

感抗

感抗是电感器对交流电（简称交流电）电流的阻碍。电感器具有阻碍电流变化的特性，因此它表现出一定的阻碍，可以称为**感抗**，因为输入电流的频率也应与它提供的电阻一起考虑。

表示符号 − **XL**
单位 - 欧姆
符号 - Ω

在纯电感电路中，电流 **I_L 滞后**于外加电压 90°。感抗的计算公式为：

$$X_{L}\:\:=\:\:2\pi fL$$

其中 f 是信号的频率。因此，感抗是频率和电感的函数。

基础电子学 - 电感器的类型

电感器有不同的形状和用途。它们的大小取决于用于制造它们的材料。主要的分类是固定电感器和可变电感器。一些亨利的电感器可能像一个简单的电阻一样大小，呈哑铃状。固定电感器在颜色编码中总是以银色作为第一个颜色。

电感器的核心是它的核心部分。根据所使用的核心材料，电感器有很多类型。让我们来看其中几种。

空芯电感器

常见的电感器，只有一个简单的绕组，就是这种空芯电感器。它除了**空气作为核心**材料外，别无其他。塑料和陶瓷等非磁性材料也用作芯材，它们也属于空芯电感器。下图显示了各种空芯电感器。

这些电感器在具有非常高磁场强度的应用中提供最小的信号损耗。此外，由于没有固态芯材，因此不存在铁损。

铁芯电感器

这些电感器使用铁氧体或铁等铁磁材料作为芯材。使用这种芯材有助于增加电感，因为它们的磁导率很高。**磁导率**衡量的是材料内部支持磁场形成的能力。下图显示了铁芯电感器的外观：

像这样的具有铁磁芯材的电感器，在高频下会遭受铁损和能量损耗。这些电感器用于制造某些类型的变压器。

环形电感器

这些电感器具有磁性材料作为芯材，线圈绕在上面。它们呈圆环状，如下图所示。

这种类型电感器的主要优点是，由于其圆形形状，在电感器的整个形状中实现了对称性，从而使磁通中的损耗最小。这些电感器主要用于交流电路应用。

叠层铁芯电感器

这些电感器使用叠层薄钢片作为芯材。通常对于电感器，如果增加电流的环路面积，能量损耗会更大。然而，在这些叠层铁芯电感器中，叠层薄钢片有助于阻止涡流，从而最大限度地减少环路作用。

下图显示了叠层铁芯电感器的图像。

这些电感器的主要优点是通过其结构最小化能量损失。这些叠层铁芯电感器主要用于制造变压器。

铁粉芯电感器

顾名思义，这些电感器的芯材是具有气隙的磁性材料。但是这种结构使铁芯具有与其他类型相比能够存储更高水平能量的优势。下图显示了铁粉芯电感器的图像。

这些电感器提供非常低的涡流损耗和磁滞损耗。它们价格最低，并且具有非常好的电感稳定性。

基础电子学 - 射频电感器

射频电感器是用于**高谐振频率**的**射频**电感器。它们可以是多层线圈电感器、薄膜涂层陶瓷电感器或一些绕线陶瓷电感器。下图显示了一些射频电感器。

这些电感器的特点是**低电流额定值**和**高电阻**。但是由于这里使用了高频，导线电阻会增加。此外，由于这些高谐振射频，还有一些影响会显现出来。让我们来看一下。

趋肤效应

在高频下，交流电有在导体中不均匀分布电流的趋势。与导体中心相比，电流在导体表面流动的更多。它的能量集中在导体的**表面**，而导体的深层核心则被忽略，如下图所示。

由于能量集中在导体的表面，这种效应称为**趋肤效应**。实际上，这种趋肤效应是由交流电产生的变化磁场产生的涡流引起的。如今，为了减轻导体的重量和成本，承载更高频率的导体被制成管状。

邻近效应

除了上述效应之外，还观察到了另一种效应。邻近效应是增加高频下导线电阻的效应。邻近一词表示该效应将作用于**相邻导线**。下图显示了电流在相邻电缆边缘的集中。

每一圈都有一些磁场，会在导线中感应出涡流，导致电流集中在相邻导线的侧面。由于这种效应，导线的有效横截面积减小，其**电阻增加**。

寄生电容

通常，电感器内部包含一个串联电阻（导线电阻）和一个并联电容（寄生电容）。在电感器中，每一圈绕组的电位略有不同。下图显示了电感器中的电容效应。

每一圈中存在的两个导体充当以空气为介电质的电容极板。这里存在一种称为**寄生电容**的电容。为了在某些应用中避免这种情况，绕组彼此远离。

随着频率的增加，寄生电容的阻抗减小，电感器的阻抗增加。因此，电感器趋向于表现得像电容。

介质损耗

流过电感器导体的电流使绝缘体的分子以热的形式释放能量。频率越高，热耗散越大。

扼流圈

电感器也称为扼流圈。电感器阻挡交流分量，并允许直流分量通过。因此，因为它阻塞或停止交流电，所以电感器可以简单地称为**扼流圈**。

通常将绝缘导线的线圈绕在磁芯上以形成扼流圈。随着信号频率的增加，扼流圈的阻抗增加。由于其感抗，它可以限制流过它的交流电量。尽管如此，由于其低电阻，实际上仍然有少量交流电流过它。它们主要用于电子应用中的日光灯和变压器中。

基础电子学 - 变压器

根据**电磁感应**原理，我们已经了解到，变化的磁通量可以在线圈中感应电动势。根据**互感**原理，当另一个线圈靠近这样的线圈时，磁通量会在第二个线圈中感应电动势。

现在，具有变化磁通量的线圈称为**初级线圈**，感应电动势的线圈称为**次级线圈**，而这两个线圈一起构成一个称为**变压器**的单元。

变压器

变压器有一个输入线圈（初级线圈）和一个输出线圈（次级线圈），这两个线圈都绕在一个铁芯材料上。通常，变压器的铁芯由绝缘材料构成。

下图显示了一个实际的变压器。

从上图可以看出，一些符号是通用的。让我们记下它们：

N_p = 初级绕组的匝数
N_s = 次级绕组的匝数
I_p = 流过变压器初级的电流
I_s = 流过变压器次级的电流
V_p = 变压器初级的电压
V_s = 变压器次级的电压
Φ = 变压器铁芯周围的磁通量。

电路中的变压器

下图显示了变压器在电路中的表示方法。该图也显示了变压器的初级绕组、次级绕组和铁芯。

因此，当变压器连接到电路中时，输入电源连接到初级线圈，使其产生变化的磁通量，该磁通量感应到变压器的次级线圈，产生变化磁通量的变化电动势。由于磁通量必须变化才能将电动势从初级传输到次级，因此变压器始终工作在交流电（AC）下。

升压和降压

根据次级绕组的匝数，变压器可以被称为升压或降压变压器。

这里需要注意的主要一点是，变压器的初级和次级功率没有差异。因此，如果次级电压高，则汲取的电流低以保持功率稳定。同样，如果次级电压低，则汲取的电流高，以使功率与初级侧相同。

升压

当次级绕组的匝数多于初级绕组时，该变压器称为升压变压器。这里感应电动势大于输入信号。

降压

当次级绕组的匝数少于初级绕组时，该变压器称为降压变压器。这里感应电动势小于输入信号。

匝数比

由于初级和次级绕组的匝数影响电压额定值，因此保持匝数之间的比率非常重要，以便了解感应电压。

初级线圈匝数与次级线圈匝数的比率称为“匝数比”或“变比”。匝数比通常用N表示。

$$N\:\:=\:\:匝数比\:\:=\:\:\frac{初级线圈匝数}{次级线圈匝数}\:\:=\:\:\frac{N_{p}}{N_{s}}$$

初级与次级的比率、输入与输出的比率以及任何给定变压器的匝数比与其电压比相同。因此，这可以写成

$$\frac{N_{p}}{N_{s}}\:\:=\:\:\frac{V_{p}}{V_{s}}\:\:=\:\:N\:\:=\:\:匝数比$$

匝数比也表明变压器是升压还是降压变压器。例如，匝数比为 1:3 表示变压器为升压变压器，比率 3:1 表示它是降压变压器。

基础电子学 - 变压器的类型

关于变压器的分类，根据使用的铁芯、绕组、使用场所和类型以及电压等级等，有很多类型。

单相和三相变压器

根据使用的电源，变压器主要分为单相和三相变压器。

普通的变压器是单相变压器。它具有初级和次级绕组，用于降低或升高次级电压。
对于三相变压器，三个初级绕组连接在一起，三个次级绕组也连接在一起。

为了获得良好的效率，一个三相变压器优于三个单相变压器，它占用空间小，成本低。但由于大型设备的运输问题，大多数情况下使用单相变压器。

这些变压器的另一种分类是核心式和壳式。

在壳式中，绕组位于单个磁腿上，周围环绕着铁芯。
在核心式中，它们绕在不同的磁腿上。

通过查看下图，可以很好地区分两者。

变压器的分类也可以根据使用的铁芯材料类型进行。这些实际上是射频变压器，其中包含许多类型，例如空芯变压器、铁氧体芯变压器、传输线变压器和巴伦变压器。巴伦变压器用于射频接收系统。主要类型为空芯和铁芯变压器。

空芯变压器

这是一种核心式变压器，其中绕组绕在一个非磁性条带上。磁通量链路是通过初级和次级之间的空气作为铁芯实现的。下图显示了一个空芯变压器。

优点

这些空芯变压器的磁滞损耗和涡流损耗低。
噪音小。

缺点

空芯变压器的磁阻高。
与铁芯变压器相比，空芯变压器的互感低。

应用

音频变压器。
高频无线电传输。

铁芯变压器

这是一种核心式变压器，其中绕组绕在一个铁芯上。使用铁作为铁芯材料，使磁通量链路强劲而完美。这在实验室中很常见。下图显示了一个铁芯变压器的示例。

优点

它们具有非常高的磁导率。
铁芯变压器的磁阻低。
互感高。
这些变压器的效率很高。

缺点

与空芯变压器相比，这些变压器有点噪音。
磁滞损耗和涡流损耗比空芯变压器略高。

应用

作为隔离变压器。
高频无线电传输。

变压器也根据它们使用的铁芯类型进行分类。一些变压器使用浸在油中的铁芯。这种油通过各种方法从外部冷却。这种变压器称为湿式铁芯变压器，而其他变压器，如铁氧体芯变压器、叠片铁芯变压器、环形铁芯变压器和浇注树脂变压器则称为干式铁芯变压器。

基于绕组技术类型，我们还有另一种非常流行的变压器，称为自耦变压器。

自耦变压器

这是一种变压器，在我们的电力实验室中经常看到。这种自耦变压器是原始变压器的改进版本。采用单绕组，两端都连接到电源和地。通过移动另一个可变抽头来形成变压器的次级绕组。

下图显示了自耦变压器的电路图。

如上图所示，单个绕组在变压器中同时提供初级和次级。绘制次级绕组的各种抽头以选择次级侧的不同电压等级。

如上所示，初级绕组是从 A 到 C，次级绕组是从 B 到 C，而可变臂 B 可变化以获得所需的电压等级。实际的自耦变压器如下图所示。

通过旋转上面的轴，次级电压调整到不同的电压等级。如果加在 A 和 C 两点之间的电压为 V1，则该绕组每匝的电压为

$$每匝电压\:\:=\:\:\frac{V_{1}}{N_{1}}$$

现在，B 和 C 两点之间的电压将为

$$V_{2}\:\:=\:\:\frac{V_{1}}{N_{1}}\:\:\times\:\:N_{2}$$

$$\frac{V_{2}}{V_{1}}\:\:=\:\:\frac{N_{2}}{N_{1}}\:\:=\:\:常数\:(设为\:K)$$

这个常数就是自耦变压器的匝数比或电压比。

基于用途的变压器

有些变压器根据其应用进行分类。许多这些变压器体积庞大。它们大多由电力部门使用。

电力变压器

电力变压器用于大功率传输应用的升压和降压应用，其工作电压通常超过 33KV，额定功率通常高于 200MVA。它们的磁通密度要高得多。

所有用于功率控制应用的变压器，如叠片铁芯变压器、环形变压器、可变自耦变压器、多相变压器、漏磁变压器都属于此类。

这些变压器的尺寸通常很大，这取决于其功率处理能力和应用。这些变压器有单相或三相类型。由于这些变压器体积庞大，因此它们被放置在大型开放区域中。这些变压器在满载应用中往往能提供 100% 的效率。

优点

它们具有很高的绝缘等级。
噪音低。
它们效率很高。
高压额定值，用于处理高功率应用。

应用

它们用于发电系统。
它们用于输电变电站。

测量变压器

测量变压器用于测量高电压和高电流。这些对于将电路与它们隔离非常有用。通常，变压器的初级连接到高电压和高电流的输入，而变压器的次级连接到某些需要提供一定隔离的继电器或电路。

这些主要有两种类型：电流变压器和电压变压器。让我们看看每种类型。

电流变压器

电流变压器在次级电路中提供与初级电路中的电流成比例的电流。这些用于保护继电器和测量目的。

将单匝初级绕组穿过一个绝缘良好的环形铁芯变压器，该变压器绕有多匝线圈，构成电流变压器。它始终串联连接。

次级绕组可以设计成提供单一输出，也可以有多个抽头以提供不同的电压值。必须注意的是，在原边电流流过时，次级绕组应连接到低阻抗负载。这是为了避免次级开路时突然出现高电压，以免永久性地损坏变压器的精度。

电压互感器

电压互感器在次级电路中提供的电压与原边电路中的电压成比例。这些变压器也称为电势变压器。它们并联连接到电路中。

此变压器的原边可以采用相间连接，但次边将有一端接地。下图显示了电压互感器的图像。

电压互感器主要有三种类型：

电磁式 - 使用具有良好磁通耦合的线圈绕组变压器。
电容式 - 使用具有分压网络的电容器。
光学式 - 利用光学材料的电学特性。

电压互感器用于保护继电器和测量目的，也用于相量相移隔离。

保护变压器

这些变压器的精度高于测量变压器，因为它们仅用于保护电路免受高电压和电流的影响。这些变压器的原边连接高输入，而变压器的次边使电路或继电器与可能损坏电路的突然尖峰或浪涌隔离。

配电变压器

配电变压器用于在终端用户级别分配电能。工业用途的工作电压约为 33KV，家用用途为 440v-220v。它们的额定容量通常低于 200MVA。

电力分配中使用的大型三相自耦变压器和油冷式变压器也属于此类。下图显示了配电变压器的图像。

这些变压器的尺寸通常比电力变压器小。这些变压器放置在户外，但不像电力变压器那样满负荷运行。

优点

体积小巧。
安装方便。
磁损耗低。

缺点

效率低。
未满负荷运行。

应用

用于向住宅、农场、土地、铁路、风电场等各个地区分配电力。

基础电子学 - 变压器效率

当变压器的原边感应出某些电压时，由于互感，原边产生的磁通量会感应到次边，从而在次边产生一些电压。随着电流从零上升到最大值，该磁场的强度也会增强，其表达式为$\mathbf{\frac{d\varphi}{dt}}$。

磁力线穿过次级绕组。次级绕组的匝数决定了感应电压。因此，感应电压的大小将由以下决定：

$$N\frac{d\varphi}{dt}$$

其中 N = 次级绕组的匝数

该感应电压的频率与原边电压的频率相同。如果磁损耗高，则输出电压的峰值幅度将受到影响。

感应电动势

让我们尝试在感应电动势和线圈匝数之间建立一些关系。

现在假设原边和次边线圈各只有一匝。如果在原边的一匝上施加一伏特电压，且无损耗（理想情况），则电流流和产生的磁场会在次边感应出相同的一伏特电压。因此，两侧的电压相同。

但磁通量是正弦变化的，这意味着：

$$\phi\:\:=\:\:\phi_{max} \sin \omega t$$

那么感应电动势和 N 匝线圈之间的基本关系是：

$$EMF\:=\:匝数\:\:\times\:\:变化率$$

$$E\:=\:N \frac{d\phi}{dt}$$

$$E\:=\:N\:\times\:\omega\:\times\: \phi_{max}\:\times\: \cos(\omega t)$$

$$E_{max}\:=\:N \omega \phi_{max}$$

$$E_{rms}\:=\:\frac{N \omega}{\sqrt{2}}\:\times\:\phi_{max}\:=\:\frac{2\pi}{\sqrt{2}}\:\times\:f\:\times\:N\:\times\:\phi_{max}$$

$$E_{rms}\:=\:4.44\:f\:N\:\phi_{max}$$

其中

f = 磁通频率（赫兹）= $\frac{\omega}{2\pi}$

N = 线圈绕组数

∅ = 磁通密度（韦伯）

这称为变压器电动势方程。

由于交流磁通在次级线圈中产生电流，而该交流磁通是由交流电压产生的，因此可以说只有交流电 AC 才能使变压器工作。因此，变压器不适用于直流电 DC。

变压器损耗

任何设备在实际应用中都会有一些损耗。变压器中产生的主要损耗包括铜损、铁损和磁通泄漏。

铜损

铜损是由于电流流经变压器绕组而产生的热量导致的能量损失。这些损耗也称为“I²R 损耗”或“I 平方 R 损耗”，因为每秒损失的能量随绕组中电流的平方而增加，并且与绕组的电阻成正比。

可以用以下公式表示：

$$I_{P} R_{P}\:+\:I_{S} R_{S}$$

其中

I_P = 原边电流
R_P = 原边电阻
I_S = 次边电流
R_S = 次边电阻

铁损

铁损也称为铁损。这些损耗取决于所使用的铁芯材料。它们分为两种类型，即磁滞损耗和涡流损耗。

磁滞损耗 - 以磁通形式感应的交流电不断波动（例如上升和下降）并根据感应的交流电压反转方向。由于这些随机波动，铁芯中会损失一些能量。这种损耗可以称为磁滞损耗。
涡流损耗 - 在整个过程中，会在铁芯中感应出一些电流，这些电流不断循环。这些电流会产生一些称为涡流损耗的损耗。实际上，变化的磁场应该只在次级绕组中感应电流。但它也会在附近的导电材料中感应电压，从而导致能量损失。
磁通泄漏 - 尽管磁通耦合足够强以产生所需的电压，但在实际应用中仍会有一些磁通泄漏，从而导致能量损失。虽然这很低，但在高能应用中，这种损耗也是可计算的。

变压器的功率

当考虑理想变压器且无损耗时，变压器的功率将保持恒定，因为电压V乘以电流I的乘积是恒定的。

可以说原边功率等于次边功率，因为变压器负责这一点。如果变压器升压，则电流减小；如果变压器降压，则电流增加，以保持输出功率恒定。

因此，原边功率等于次边功率。

$$P_{Primary}\:=\:P_{Secondary}$$

$$V_{P}I_{P}\cos \phi_{P}\:=\:V_{S}I_{S}\cos \phi_{S}$$

其中∅_P = 原边相角，∅_S = 次边相角。

变压器的效率

变压器中功率损耗的数量或强度决定了变压器的效率。效率可以用变压器原边和次边之间的功率损耗来理解。

因此，次级绕组的功率输出与原级绕组的功率输入之比可以表示为变压器的效率。这可以写成：

$$Efficiency\:=\:\frac{功率输出}{功率输入}\:\times\:100 \%$$

效率通常用η表示。上述公式适用于理想变压器，其中没有损耗，输入的全部能量都转移到输出。

因此，如果考虑损耗并在实际条件下计算效率，则应考虑以下公式：

$$Efficiency\:=\:\frac{功率输出}{功率输出\:+\:铜损\:+\:铁损}\:\times\:100 \%$$

或者，也可以写成：

$$Efficiency\:=\:\frac{功率输入\:-\:损耗}{功率输入}\:\times\:100$$

$$1\:-\:\frac{损耗}{输入功率}\:\times\:100$$

需要注意的是，输入、输出和损耗都以功率表示，即以瓦特为单位。

示例

考虑一个输入功率为 12KW 的变压器，其额定电流为 62.5 安培，等效电阻为 0.425 欧姆。计算变压器的效率。

解：

已知数据

输入功率 = 12KW
额定电流 = 62.5 安培
等效电阻 = 0.425 欧姆

计算损耗：

额定电流下的铜损为 I²R = (62.5)² (0.425) = 1660W

我们有

$$Efficiency\:=\:\frac{功率输入\:-\:损耗}{功率输入}\:\times\:100$$

因此：

$$\eta\:=\:\frac{12000\:-\:1660}{12000}\:\times\:100$$

$$\eta\:=\:\frac{10340}{12000}\:\times\:100$$

$$\eta\:=\:0.861\:\times\:100\:=\:86 \%$$

因此，变压器的效率为 86%。

基础电子学 - 二极管

在了解了各种组件之后，让我们关注电子领域中的另一个重要组件，即二极管。半导体二极管是一种具有 PN 结的两端电子元件。这也被称为整流器。

二极管的阳极，即正极，用A表示；阴极，即负极，用K表示。为了了解实际二极管的阳极和阴极，在二极管上画一条细线表示阴极，另一端表示阳极。

正如我们已经讨论过 P 型和 N 型半导体及其载流子的行为一样，现在让我们尝试将这些材料连接在一起，看看会发生什么。

二极管的形成

如果将 P 型和 N 型材料彼此靠近，它们都会连接形成一个结，如下图所示。

P 型材料具有空穴作为多数载流子，N 型材料具有电子作为多数载流子。由于异性电荷相吸，P 型中的一些空穴倾向于移动到 N 侧，而 N 型中的一些电子倾向于移动到 P 侧。

当它们都向结移动时，空穴和电子相互复合以中和并形成离子。现在，在这个结处，存在一个区域，其中形成正离子和负离子，称为 PN 结或结势垒，如下图所示。

在 P 侧形成负离子，在 N 侧形成正离子，导致在 PN 结两侧形成一个狭窄的带电区域。该区域现在没有可移动的电荷载流子。这里存在的离子是静止的，并在它们之间保持一个没有电荷载流子的空间区域。

由于该区域充当 P 型和 N 型材料之间的障碍，因此也称为势垒结。它还有另一个名称，称为耗尽区，意思是它会耗尽这两个区域。由于离子的形成，在结处会产生一个电位差 VD，称为势垒电位，因为它阻止了空穴和电子通过结的进一步移动。

二极管的偏置

当二极管或任何两端元件连接到电路中时，它在给定的电源下具有两种偏置状态。它们是正向偏置状态和反向偏置状态。让我们详细了解它们。

正向偏置状态

当二极管连接到电路中时，其阳极连接到电源的正极，阴极连接到电源的负极，则这种连接称为正向偏置状态。这种连接使电路越来越正向偏置，并有助于更多的导电。二极管在正向偏置状态下导电良好。

反向偏置状态

当二极管以阳极接负极，阴极接正极的方式连接到电路中时，这种连接方式被称为反向偏置状态。这种连接方式会使电路越来越反向偏置，有助于最小化并防止导通。二极管在反向偏置状态下不会导通。

现在让我们尝试了解如果二极管连接在正向偏置和反向偏置状态下会发生什么。

正向偏置工作原理

当施加外部电压于二极管，使其抵消势垒并允许电流流动时，这被称为正向偏置。当阳极和阴极分别连接到正极和负极时，P型中的空穴和N型中的电子倾向于穿过结点，打破势垒。电流会自由流动，几乎消除了势垒。

在正极对空穴和负极对电子的排斥力作用下，结点处发生复合。电源电压应足够高，以迫使电子和空穴穿过势垒并越过它以提供正向电流。

正向电流是在二极管正向偏置工作时产生的电流，用I_f表示。

反向偏置工作原理

当施加外部电压于二极管，使其增加势垒并限制电流流动时，这被称为反向偏置。当阳极和阴极分别连接到负极和正极时，电子被吸引到正极，空穴被吸引到负极。因此，两者都远离势垒，增加了结电阻，并防止任何电子穿过结点。

下图对此进行了说明。还绘制了未施加电场和施加外部电场时的传导图。

随着反向偏置的增加，结点只有少数少数载流子可以穿过结点。该电流通常可以忽略不计。在温度恒定时，该反向电流几乎恒定。但是，当该反向电压进一步增加时，就会出现称为反向击穿的点，此时大量电流流过结点。这种高反向电流会损坏器件。

反向电流是在二极管反向偏置工作时产生的电流，用I_r表示。因此，二极管在反向偏置状态下提供高阻抗路径且不导通，而在正向偏置状态下提供低阻抗路径并导通。因此，我们可以得出结论，二极管是一种单向器件，在正向偏置时导通，在反向偏置时充当绝缘体。这种特性使其能够作为整流器工作，将交流电转换为直流电。

峰值反向电压

峰值反向电压简称为PIV。它表示反向偏置时施加的最大电压。峰值反向电压可以定义为“二极管在不被破坏的情况下能够承受的最大反向电压”。因此，在反向偏置状态下考虑此电压。它表示二极管如何在反向偏置状态下安全工作。

二极管的用途

二极管用于阻止电流在一个方向（即正向方向）上的流动，并在反方向上阻止电流流动。二极管的这一原理使其能够作为整流器工作。

为了使电路允许电流在一个方向上流动而在另一个方向上停止流动，整流二极管是最佳选择。因此，输出将是直流电，从而消除了交流电分量。使用二极管制造了半波和全波整流器等电路，这些电路可以在电子电路教程中学习。

二极管也用作开关。它有助于更快地打开和关闭输出，这应该以快速速率发生。

二极管的伏安特性

PN结二极管的实际电路布置如下图所示。电流表串联连接，电压表并联连接，电源通过可变电阻器控制。

在工作过程中，当二极管处于正向偏置状态时，在某个特定电压下，势垒被消除。这种电压被称为截止电压或膝盖电压。如果正向电压超过限制，正向电流会呈指数上升，如果进一步这样做，则器件会因过热而损坏。

下图显示了二极管在正向和反向偏置状态下的导通状态。

在反向偏置期间，通过少数载流子产生的电流存在，称为“反向电流”。随着反向电压的增加，该反向电流增加，并在某一点突然击穿，导致结点永久损坏。

基础电子学 - PN结二极管

根据许多因素（如使用的频率、工作方式和结构、应用等），存在许多类型的二极管。让我们了解其中几种。

结型二极管

结型二极管是普通的PN结二极管，但结构不同。如下图所示，有三种类型的结型二极管。

整流二极管

这些二极管是普通的PN结二极管，它们只允许电流在一个方向上流过，而在另一个方向上停止。这些二极管用于整流电路中，将交流电转换为直流电。

在上图中，我们可以看到带有金属突起的相同整流二极管。这是添加到二极管中以最大限度地减少可能有时影响二极管的热量分布。这种金属突起称为散热器。它们有助于提高二极管的性能，并且二极管能够承受高功率，而不会受到影响。

有半波整流器和全波整流器等电路使用这些二极管。这些电路在电子电路教程中讨论。这些整流电路用于许多电路的电源部分，在这些电路中，必须将交流输入电流转换为直流电流才能用于该电路应用。

齐纳二极管

这是一种特殊的二极管，它不仅允许电流在正向方向流动，而且允许电流在反向方向流动。普通的二极管在反向偏置工作时，如果通过它的反向电流超过一定值，就会损坏。“一定值”称为击穿电压。

齐纳二极管的击穿电压非常低。但是，一旦超过此击穿电压，此二极管就会允许反向电流流过它。该击穿电压称为齐纳电压。因此，当超过齐纳电压的反向电流流过齐纳二极管时，会发生受控击穿，不会损坏二极管。

齐纳二极管在其反向偏置状态下，表现出受控击穿电压，并且它允许电流流动，以使齐纳二极管上的电压值接近齐纳击穿电压值。齐纳击穿电压的值使得任何齐纳二极管都可以选择用于某些应用。

雪崩二极管是另一种具有与齐纳二极管相似特性的二极管。当压降恒定且与电流无关时，雪崩击穿发生在整个PN结上。该雪崩二极管用于光电检测。

齐纳二极管的伏安特性

齐纳二极管的伏安特性在正向偏置工作时与任何二极管的伏安特性相同。但是，齐纳二极管的反向偏置操作使其非常重要。让我们看看图表。

反向偏置操作中显示弯曲的点是齐纳击穿电压，之后二极管允许高反向电流流过它。该齐纳电压用V_Z表示。齐纳二极管的这种令人难以置信的特性使其成为最可靠的二极管之一，并且也有许多应用。

齐纳二极管的应用

该二极管有许多应用，例如：

它主要用作稳压器。
在晶体管偏置电路中提供固定的参考电压。
用于波形整形电路中的峰值削波或限制。
作为许多电路中的浪涌保护器。
用于防止仪表因意外应用而损坏。

开关二极管

这是一种普通的单PN结二极管，专门设计用于开关用途。该二极管可以清楚地显示高电阻和低电阻两种状态，可以交替使用。

该二极管的结电容做得非常低，以最大限度地减少其他影响。开关速度非常快。当二极管具有高电阻时，它就像一个开路开关，在低电阻期间它就像一个闭路开关。与任何普通二极管相比，开关二极管的这种转换发生得更快。

开关二极管的应用

这些有许多应用，例如：

用于高速整流电路
用于环形调制器
用于射频接收器
用作反向极性保护器
用于通用和高速开关应用

基础电子学 - 特种二极管

有一些二极管的设计是为了服务于一些特殊目的。有许多这样的种类，例如瞬态电压抑制二极管、掺金二极管、超势垒二极管、点接触二极管、珀尔帖二极管等。但除此之外，还有一些突出的二极管，它们有很多应用。让我们来看看它们。

变容二极管

结型二极管的两侧都有两个电势，其中耗尽区可以充当电介质。因此存在电容。变容二极管是一种特殊情况下的二极管，它在反向偏置状态下工作，其中结电容会发生变化。

变容二极管也称为可变电容或电压电容。下图显示了反向偏置连接的变容二极管。

如果施加的反向电压增加，则电介质区域的宽度增加，这减小了结电容。当反向电压减小时，电介质的宽度减小，这会增加电容。如果此反向电压完全为零，则电容将达到其最大值。

下图显示了用于变容二极管的各种符号，这些符号表示其功能。

尽管所有二极管都具有此结电容，但变容二极管主要是为了利用这种效应并增加此结电容的变化而制造的。

变容二极管的应用

该二极管有许多应用，例如：

它用作电压可变电容。
它用于可变LC谐振电路。
用作自动频率控制。
用作频率调制器。
用作射频移相器。
用作本地振荡器电路中的倍频器。

隧道二极管

如果普通PN结的杂质浓度大幅提高，就会形成隧道二极管。它也称为埃萨基二极管，以其发明者命名。

当二极管的杂质浓度增加时，耗尽区的宽度减小，对载流子施加额外的力使其穿过结。当这种浓度进一步增加时，由于耗尽区宽度减小和载流子能量增加，它们会穿透势垒，而不是越过它。这种穿透可以理解为隧道效应，因此得名隧道二极管。

隧道二极管是低功率器件，应小心操作，因为它们很容易受热和静电的影响。隧道二极管具有特定的V-I特性，可以解释其工作原理。让我们看一下下面的图表。

假设二极管处于正向偏置状态。随着正向电压的增加，电流迅速增加，直到达到一个峰值点，称为峰值电流，用I_P表示。此点的电压称为峰值电压，用V_P表示。此点在上图中用A表示。

如果电压进一步超过V_P，则电流开始下降。它下降到一个点，称为谷值电流，用I_V表示。此点的电压称为谷值电压，用V_V表示。此点在上图中用B表示。

如果电压进一步增加，则电流像普通二极管一样增加。对于较大的正向电压值，电流将进一步增加。

如果我们认为二极管处于反向偏置状态，则随着反向电压的增加，二极管充当优良的导体。这里的二极管处于负阻区域。

隧道二极管的应用

隧道二极管有很多应用，例如：

用作高速开关器件
用作存储器件
用于微波振荡器
用于弛豫振荡器

肖特基二极管

这是一种特殊的二极管，其中PN结被金属半导体结取代。普通PN结二极管中的P型半导体被金属取代，N型材料与金属连接。这种组合在它们之间没有耗尽区。下图显示了肖特基二极管及其符号。

这种肖特基二极管中使用的金属可以是金、银、铂或钨等。同样，对于除硅以外的半导体材料，大多使用砷化镓。

工作原理

当不施加电压或电路无偏置时，N型材料中的电子能量水平低于金属中的电子能量水平。如果二极管然后正向偏置，则N型中的这些电子获得一些能量并以更高的能量移动。因此，这些电子被称为热载流子。

下图显示了一个连接在电路中的肖特基二极管。

优点

肖特基二极管有很多优点，例如：

它是单极型器件，因此不会产生反向电流。
其正向电阻低。
压降非常低。
肖特基二极管的整流速度快且容易。
不存在耗尽区，因此没有结电容。因此，二极管可以快速关闭。

应用

肖特基二极管有很多应用，例如：

用作检测二极管
用作电力整流器
用于射频混频器电路
用于电力电路
用作钳位二极管

基础电子学 - 光电二极管

这些是由光操作的二极管。“光电”一词意为光。有些类型的导电性取决于光强度，而其他类型的导电性则会发出光。每种类型都有其自身的应用。让我们讨论一下这些中最突出的类型。

有些二极管的导电性取决于照射在其上的光强度。此类别中主要有两类二极管。它们是光电二极管和太阳能电池。

光电二极管

顾名思义，光电二极管是一种基于光的PN结。光强度影响该二极管的导电水平。光电二极管具有P型材料和N型材料，两者之间具有本征材料或耗尽区。

该二极管通常在反向偏置条件下工作。当光聚焦在耗尽区时，会形成电子-空穴对，并发生电子流动。这种电子的导电性取决于聚焦光的强度。下图显示了一个实际的光电二极管。

下图表示光电二极管的符号。

当二极管反向偏置时，由于热生成的电子空穴对，会流过小的反向饱和电流。由于反向偏置电流是由少数载流子引起的，因此输出电压取决于此反向电流。随着聚焦在结上的光强度增加，少数载流子引起的电流也增加。下图显示了光电二极管的基本偏置电路。

光电二极管封装在玻璃封装中，以允许光照射到其上。为了将光精确地聚焦在二极管的耗尽区上，在结上方放置一个透镜，如上图所示。

即使没有光，也会流过少量电流，这被称为暗电流。通过改变照明水平，可以改变反向电流。

光电二极管的优点

光电二极管有很多优点，例如：

低噪声
高增益
高速运行
对光的高灵敏度
低成本
体积小
寿命长

光电二极管的应用

光电二极管有很多应用，例如：

字符检测
可以检测物体（可见或不可见）。
用于需要高稳定性和速度的电路。
用于解调
用于开关电路
用于编码器
用于光通信设备

另一种此类二极管是太阳能电池。虽然它是一种二极管，但它被称为电池。让我们深入了解细节。

太阳能电池

光敏二极管包括太阳能电池，它是一个普通的PN结二极管，但其导电性是由光子涌入引起的，光子被转换成电子流。这类似于光电二极管，但它还有另一个目标，即最大限度地将入射光转换成能量并储存起来。

下图表示太阳能电池的符号。

太阳能电池的名称和符号表明能量储存，虽然它是一个二极管。提取更多能量和储存能量的特性集中在太阳能电池中。

太阳能电池的构造

在耗尽区具有本征材料的PN结二极管被封装在玻璃中。光被照射到尽可能大的区域，顶部有薄玻璃，以便以最小的电阻收集最大量的光。

下图显示了太阳能电池的构造。

当光照射到太阳能电池上时，光子与价电子碰撞。电子被激发离开母原子。因此产生电子流，该电流与聚焦到太阳能电池上的光强度成正比。这种现象称为光伏效应。

下图显示了太阳能电池的外观以及如何将多个太阳能电池组合在一起形成太阳能电池板。

光电二极管和太阳能电池的区别

光电二极管工作速度更快，更注重开关而不是提供更高的输出功率。由于此原因，它具有较低的电容值。此外，根据其应用，光电二极管中光能入射的面积较小。

太阳能电池专注于提供高输出能量并储存能量。这具有高电容值。其工作速度比光电二极管慢一些。根据太阳能电池的用途，光入射的面积大于光电二极管。

太阳能电池的应用

太阳能电池有很多应用，例如：

科学技术

用于卫星的太阳能电池板
用于遥测
用于远程照明系统等。

商业用途

用于储存电力的太阳能电池板
用于便携式电源等。
用于家用，例如使用太阳能进行烹饪和加热

电子产品

手表
计算器
电子玩具等。

有些二极管根据施加的电压发出光。此类别中主要有两类二极管。它们是LED和激光二极管。

LED（发光二极管）

这是我们日常生活中使用最广泛的二极管。这也是一个普通的PN结二极管，只是在其构造中使用砷化镓、磷化砷化镓等材料，而不是硅和锗。

下图显示了发光二极管的符号。

像普通的PN结二极管一样，它连接在正向偏置状态，以便二极管导通。当导带中的自由电子与价带中的空穴结合时，LED中会发生导电。这种复合过程会发出光。此过程称为电致发光。发射光的颜色取决于能带之间的间隙。

所用材料也会影响颜色，例如，磷化砷化镓发出红色或黄色光，磷化镓发出红色或绿色光，氮化镓发出蓝光。而砷化镓发出红外光。用于不可见红外光的LED大多用于遥控器。

下图显示了不同颜色实际LED的外观。

上图中的LED有一个平坦的一面和一个弯曲的一面，平坦一侧的引线比另一侧的引线短，以便指示较短的一侧是阴极或负极，另一侧是阳极或正极。

LED 的基本结构如下图所示。

如上图所示，当电子跃入空穴时，能量会以光的形式自发耗散。LED是电流依赖型器件。输出光强度取决于流过二极管的电流。

LED的优点

LED有很多优点，例如：

高效率
高速
高可靠性
低热耗散
更长的寿命
低成本
易于控制和编程
高亮度和强度
低电压和电流要求
布线减少
低维护成本
无紫外线辐射
瞬时照明效果

LED 的应用

LED 有许多应用，例如：

显示器

尤其用于七段显示器
数字钟表
微波炉
交通信号灯
铁路和公共场所的显示屏
玩具

电子设备

立体声调谐器
计算器
直流电源
放大器上的开关指示灯
电源指示灯

商业用途

红外线读取设备
条形码阅读器
固态视频显示器

光通信

光开关应用
在无法人工操作的光耦合应用中
通过光纤进行信息传输
图像传感电路
防盗报警器
铁路信号技术
门禁和其他安全控制系统

正如LED具有许多优点和应用一样，还有一种重要的二极管称为激光二极管，它也具有许多先进的功能和未来的发展前景。让我们来讨论一下激光二极管。

激光二极管

激光二极管是另一种流行的二极管。这是一种光学二极管，它发射光，但通过受激过程。名称 **LASER** 表示 **L**ight **A**mplification by **S**timulated **E**mission of **R**adiation。（受激辐射光放大）

受激发射

这是一种PN结二极管，当光线入射到它上面时，它的作用就开始了。当光子入射到原子上的时候，原子会激发，并到达一个更高的能级，这可以被称为 **高能级**。

当原子从高能级跃迁到 **低能级** 时，它会释放 **两个光子**，这两个光子的 **特性与** 入射光子 **相似**，并且与入射光子 **同相位**。这个过程称为 **受激发射**。原子通常可以在这个激发态停留 **10^-8 秒**。

因此，上述过程奠定了激光二极管的原理。

激光二极管原理

每当光子入射到原子时，该原子就会从低能态激发到高能态，在这个过程中会释放两个光子。实际上，原子通常可以在这个激发态停留 **10^-8 秒**。因此，为了实现放大，在这个激发过程中，使原子处于另一种状态，称为 **亚稳态**，它位于高能级以下，低能级之上。

原子可以在这个亚稳态停留 **10^-3 秒**。当原子从这个状态跃迁到低能态时，会释放两个光子。如果在光子撞击原子之前，激发态的原子数量更多，那么我们就有了 **激光效应**。

在这个过程中，我们需要理解两个术语。亚稳态原子的数量多于低能态或基态原子的数量称为 **粒子数反转**。使原子从低能态跃迁到高能态以实现粒子数反转的能量称为 **泵浦**。这是 **光泵浦**。

优点

激光二极管有很多优点，例如：

激光二极管的功耗低得多
更高的开关速度
更紧凑
更便宜
它们比激光发生器便宜
触电的可能性较小

缺点

激光二极管也有一些缺点，例如：

光束发散度较大，因此质量不是很好
与LED相比，其寿命较短。
在不稳定的电源下容易损坏

应用

激光二极管有很多应用，例如：

用作泵浦激光器和种子激光器
用于光数据存储设备
用于激光打印机和激光传真机
用于激光指示器
用于条形码阅读器
它们用于DVD和CD驱动器
用于高清DVD和蓝光技术
具有许多工业用途，例如热处理、熔覆、缝焊等。
在通信技术中有很多用途，例如数据链路和传输。

在了解了所有这些之后，让我们尝试理解一些术语。

元件

元件是电子的单个基本元素。
它们根据其结构具有不同的特性。
每个元件都有不同的应用。

**例如** - 电阻器、电容器、二极管等。

电路

电路是不同元件的网络。
电路中的元件共同实现预期的目的。
如果电路需要工作，则应包含电源。

**例如** - 限幅器和钳位电路、放大器电路、继电器电路等。

设备

设备是由不同的电路组成的设备。
设备中的所有电路都有助于其发挥作用。
设备可以用于测量信号、产生信号、控制结果或保护电路等。

**例如** - 示波器、函数发生器等。

固态器件

以前我们使用真空管，真空管基于热电子原理，内部充满真空。它们比今天的元件尺寸更大。这些真空管已被半导体器件取代，这些器件也称为 **固态器件**。

有源器件

可以控制电流流动的器件（或更准确地说是元件）可以称为有源器件。

它们需要一些输入电源才能导通。
这些元件的工作方式决定了电路的行为。

**例如** - 真空管、二极管、晶体管、SCR 等

无源器件

无法控制电流流动的器件（或更准确地说是元件）可以称为无源器件。

它们不需要输入电源即可工作。
这些元件的工作方式会稍微改变电路的行为。

**例如** - 电阻器、电容器、电感器等。

掺杂

通过添加电子或创建空穴来改变半导体材料的特性，可以通过使其更正或更负来理解为 **掺杂**。

二极管的应用包括许多电路，从限幅器和钳位电路开始，这些将在电子电路教程中讨论。

基础电子学 - 晶体管

在很好地了解了作为单个PN结的二极管的工作原理之后，让我们尝试连接两个PN结，形成一个称为 **晶体管** 的新元件。**晶体管** 是一种三端半导体器件，它可以调节电流或电压的流动，并充当信号的开关或门。

为什么我们需要晶体管？

假设你有一个接收你想要信号的调频接收器。由于在传输过程中会遇到干扰，接收到的信号显然会很弱。如果直接读取此信号，则无法获得良好的输出。因此，我们需要放大信号。**放大** 表示增加信号强度。

这只是一个例子。无论何时需要增加信号强度，都需要放大。这是由晶体管完成的。晶体管还可以作为 **开关** 来选择可用选项。它还可以 **调节** 信号的输入 **电流和电压**。

晶体管的结构细节

晶体管是一种三端固态器件，它是由两个反向连接的二极管形成的。因此，它有两个 **PN结**。三个端子从其中的三个半导体材料中引出。这种连接方式提供了两种类型的晶体管。它们分别是 **PNP** 和 **NPN**，这意味着两种P型材料之间有一个N型材料，另一种是两种N型材料之间有一个P型材料。

晶体管的结构如下图所示，解释了上述思想。

从晶体管引出的三个端子表示发射极、基极和集电极端子。它们的功能如下所述。

发射极

上图的左侧可以理解为 **发射极**。
它 **尺寸适中** 且 **高度掺杂**，因为它的主要功能是 **提供** 大量 **多数载流子**，即电子或空穴。
由于它发射电子，因此称为发射极。
这简单地用字母 **E** 表示。

基极

上图中的中间材料是 **基极**。
它 **很薄** 且 **轻微掺杂**。
它的主要功能是从发射极向集电极 **传递** 多数载流子。
这用字母 **B** 表示。

集电极

上图中的右侧材料可以理解为 **集电极**。
它的名称表示其 **收集载流子** 的功能。
它的 **尺寸比** 发射极和基极 **略大**。它 **中等掺杂**。
这用字母 **C** 表示。

PNP和NPN晶体管的符号如下所示。

上图中的 **箭头** 表示晶体管的 **发射极**。由于晶体管的集电极必须耗散更大的功率，因此它的尺寸较大。由于发射极和集电极的特定功能，它们 **不能互换**。因此，使用晶体管时，必须始终记住端子。

在实际晶体管中，发射极引线附近有一个缺口用于识别。可以使用万用表区分PNP和NPN晶体管。下图显示了不同实际晶体管的外观。

到目前为止，我们已经讨论了晶体管的结构细节，但是要了解晶体管的工作原理，首先我们需要了解偏置。

晶体管偏置

众所周知，晶体管是由两个二极管组合而成的，这里有两个结。由于一个结位于发射极和基极之间，因此称为 **发射极-基极结**，同样，另一个是 **集电极-基极结**。

**偏置** 是通过提供电源来控制电路的工作。通过一些直流电源向电路提供偏置来控制两个PN结的功能。下图显示了晶体管是如何偏置的。

通过查看上图，可以看出

N型材料提供负电源，P型材料提供正电源，使电路 **正向偏置**。
N型材料提供正电源，P型材料提供负电源，使电路 **反向偏置**。

通过施加电源，**发射极-基极结** 始终 **正向偏置**，因为发射极电阻非常小。**集电极-基极结** **反向偏置**，其电阻略高。发射极结处只需少量正向偏置，而集电极结处必须施加高反向偏置。

上图中所示的电流方向，也称为 **常规电流**，是空穴电流的运动，它与 **电子电流** **相反**。

PNP晶体管的工作原理

可以通过查看下图来解释PNP晶体管的工作原理，其中发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

电压 **V_EE** 在发射极提供正电位，排斥P型材料中的空穴，这些空穴穿过发射极-基极结，到达基区。一小部分空穴与N区的自由电子复合。这提供了非常小的电流，构成基极电流 **I_B**。其余的空穴穿过集电极-基极结，构成集电极电流 **I_C**，这是空穴电流。

当空穴到达集电极端子时，来自电池负极端的电子会填补集电极中的空穴。该电流缓慢增加，少子电流（电子）流经发射极，进入**V_EE**正极的每个电子都被向发射极结移动的空穴所取代。这构成了发射极电流**I_E**。

因此，我们可以理解：

PNP晶体管的导电是通过空穴进行的。
集电极电流略小于发射极电流。
发射极电流的增加或减少会影响集电极电流。

NPN晶体管的工作原理

NPN晶体管的工作原理可以通过观察下图来解释，其中发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

电压**V_EE**在发射极提供负电位，排斥N型材料中的电子，这些电子穿过发射极-基极结到达基区。其中极少部分电子与P区的空穴复合。这产生非常小的电流，构成基极电流**I_B**。其余电子穿过集电极-基极结，构成集电极电流**I_C**。

当电子离开集电极端子并进入电池正极时，来自电池**V_EE**负极端的电子进入发射极区域。该电流缓慢增加，电子电流流过晶体管。

因此，我们可以理解：

NPN晶体管的导电是通过电子进行的。
集电极电流大于发射极电流。
发射极电流的增加或减少会影响集电极电流。

优点

晶体管有很多优点，例如：

高电压增益。
只需要较低的电源电压。
最适合低功耗应用。
体积更小，重量更轻。
机械强度比真空管强。
不需要像真空管那样进行外部加热。
非常适合与电阻和二极管集成以生产集成电路。

但也有一些缺点，例如由于功耗较低，它们不能用于大功率应用。它们具有较低的输入阻抗并且受温度影响。

基本电子学 - 晶体管组态

晶体管有三个端子：发射极、基极和集电极。利用这三个端子，可以将晶体管连接到电路中，其中一个端子对输入和输出都是公共的，共有三种可能的组态。

三种组态分别是**共基极、共发射极**和**共集电极**组态。在每种组态中，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。

共基极 (CB) 组态

顾名思义，基极端子被用作晶体管输入和输出的公共端子。NPN和PNP晶体管的共基极连接如下图所示。

为了便于理解，让我们考虑CB组态下的NPN晶体管。当施加发射极电压时，由于正向偏置，来自负极端的电子排斥发射极电子，电流流过发射极和基极到集电极，从而产生集电极电流。在此过程中，集电极电压**V_CB**保持恒定。

在CB组态中，输入电流是发射极电流**I_E**，输出电流是集电极电流**I_C**。

电流放大系数 (α)

当集电极电压**V_CB**保持恒定时，集电极电流变化量 ($\Delta I_{C}$) 与发射极电流变化量 ($\Delta I_{E}$) 的比率称为**电流放大系数**。用 α 表示。

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$

集电极电流表达式

基于上述概念，让我们尝试推导出集电极电流的表达式。除了流动的发射极电流外，由于电子空穴复合，还有一部分基极电流IB流过基极端子。由于集电极-基极结反向偏置，还有一部分电流是由少数载流子引起的。这可以理解为**I_leakage**（漏电流）。这是由于少数载流子引起的，因此非常小。

到达集电极端子的发射极电流为

$$\mathbf{\mathit{\alpha I_{E}}}$$

总集电极电流

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{leakage}$$

如果发射极-基极电压V_EB = 0，即使这样，仍然会流过小的漏电流，这可以称为I_CBO（输出开路时的集电极-基极电流）。

因此，集电极电流可以表示为

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{E}\:=\:I_{C}\:+\:I_{B}$$

$$I_{C}\:=\:\alpha(I_{C}\:+\:I_{B})\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{I_{CBO}}{1\:-\:\alpha})$$

$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{1}{1\:-\:\alpha})I_{CBO}$$

因此，以上推导的是集电极电流的表达式。集电极电流的值取决于基极电流和漏电流以及所用晶体管的电流放大系数。

CB组态的特性

这种组态提供电压增益，但不提供电流增益。
保持**V_CB**恒定，随着发射极-基极电压V_EB的小幅增加，发射极电流**I_E**会增加。
发射极电流**I_E**与集电极电压**V_CB**无关。
集电极电压**V_CB**只能在低电压下影响集电极电流**I_C**，前提是V_EB保持恒定。
输入电阻ri是发射极-基极电压变化量 ($\Delta{V_{EB}}$) 与发射极电流变化量 ($\Delta{I_{E}}$) 的比率，在集电极-基极电压**V_CB**保持恒定时。

$$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
由于输入电阻值非常低，因此即使是V_EB的小值也足以产生较大的发射极电流**I_E**。
输出电阻r_o是集电极-基极电压变化量 ($\Delta{V_{CB}}$) 与集电极电流变化量 ($\Delta{I_{C}}$) 的比率，在发射极电流**I_E**保持恒定时。

$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$
由于输出电阻值非常高，因此**V_CB**的大幅变化只会导致集电极电流**I_C**发生很小的变化。
这种组态对温度升高具有良好的稳定性。
CB组态用于高频应用。

共发射极 (CE) 组态

顾名思义，**发射极**端子被用作晶体管输入和输出的公共端子。NPN和PNP晶体管的共发射极连接如下图所示。

与CB组态一样，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。电子的流动方式相同。这里的输入电流是基极电流**I_B**，输出电流是集电极电流**I_C**。

基极电流放大系数 (β)

集电极电流变化量 ($\Delta{I_{C}}$) 与基极电流变化量 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率称为**基极电流放大系数**。用 β 表示。

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$

β和α之间的关系

让我们尝试推导出基极电流放大系数和发射极电流放大系数之间的关系。

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$

$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$

$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$

$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$

我们可以写成

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}}$$

除以$$\Delta I_E$$

$$\beta\:=\:\frac{\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}\:-\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}$$

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$

我们有

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$

因此，

$$\beta\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}$$

从上式可以看出，当α接近1时，β趋于无穷大。

因此，**共发射极连接中的电流增益非常高**。这就是该电路连接在所有晶体管应用中广泛使用的原因。

集电极电流表达式

在共发射极组态中，**I_B**是输入电流，**I_C**是输出电流。

我们知道

$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$

并且

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$

$$=\:\alpha (I_{B}\:+\:I_{C})\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$

如果基极电路开路，即如果**I_B** = 0，

基极开路时的集电极发射极电流为I_CEO

$$I_{CEO}\:=\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$

将此值代入前一个等式，我们得到

$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:I_{CEO}$$

$$I_{C}\:=\:\beta I_{B}\:+\:I_{CEO}$$

因此得到了集电极电流的表达式。

膝盖电压

在CE组态中，保持基极电流**I_B**恒定，如果改变**V_CE**，**I_C**会几乎线性增加到**V_CE**的1v左右，然后保持恒定。**V_CE**达到这个值时，集电极电流**I_C**随**V_CE**的变化而变化，这个值被称为**膝盖电压**。在CE组态下工作时，晶体管的工作电压高于此膝盖电压。

CE组态的特性

这种组态提供良好的电流增益和电压增益。
保持**V_CE**恒定，随着**V_BE**的小幅增加，基极电流**I_B**的增加速度比CB组态快。
对于高于膝盖电压的任何**V_CE**值，**I_C**近似等于β**I_B**。
输入电阻**r_i**是基极-发射极电压变化量 ($\Delta{V_{BE}}$) 与基极电流变化量 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率，在集电极-发射极电压**V_CE**保持恒定时。

$$r_{i}\:=\:\frac{\Delta{V_{BE}}}{\Delta{I_{B}}}\:at\:constant\:V_{CE}$$
由于输入电阻值非常低，因此即使是**V_BE**的小值也足以产生较大的基极电流**I_B**。
输出电阻**r_o**是集电极-发射极电压变化量 ($\Delta{V_{CE}}$) 与集电极电流变化量 ($\Delta{I_{C}}$) 的比率，在**I_B**保持恒定时。

$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CE}}}{\Delta{I_{C}}}\:at\:constant\:I_{B}$$
CE电路的输出电阻小于CB电路。
这种组态通常用于偏置稳定方法和音频频率应用。

共集电极 (CC) 组态

顾名思义，**集电极**端子被用作晶体管输入和输出的公共端子。NPN和PNP晶体管的共集电极连接如下图所示。

与CB和CE组态一样，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。电子的流动方式相同。这里的输入电流是基极电流**I_B**，输出电流是发射极电流**I_E**。

电流放大系数 (γ)

在共集电极(CC)组态中，发射极电流变化量 ($\Delta{I_{E}}$) 与基极电流变化量 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率称为**电流放大系数**。用**γ**表示。

$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{B}}}$$

CC组态的电流增益与CE组态相同。
CC组态的电压增益始终小于1。

γ和α之间的关系

让我们尝试推导出γ和α之间的关系。

$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{B}}}$$

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$

$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$

$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$

$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$

代入I_B的值，我们得到

$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{E}}\:-\:\Delta I_{C}}$$

除以$\Delta I_{E}$

$$γ\:=\:\frac{\frac{ΔI_E}{ΔI_E}}{\frac{ΔI_E}{ΔI_E}\:-\:\frac{ΔI_C}{ΔI_E}}$$

$$ \frac{1}{1\:-\:\alpha} $$

$$γ\:=\:\frac{1}{1\:-\:\alpha}$$

集电极电流表达式

我们知道

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_E\:=\:I_B\:+\:I_C\:=\:I_B\:+\:(\alpha I_E\:+\:I_{CBO})$$

$$I_E(1\:-\:\alpha)\:=\:I_B\:+\:I_{CBO}$$

$$I_E\:=\:\frac{I_B}{1\:-\:\alpha}\:+\:\frac{I_{CBO}}{1\:-\:\alpha}$$

$$I_C\:\cong\:I_E\:=\:(\beta\:+\:1)I_B\:+\:(\beta\:+\:1)I_{CBO}$$

以上是集电极电流表达式。

共集电极电路特性

这种电路提供电流放大，但不提供电压放大。
在共集电极电路中，输入阻抗高，输出阻抗低。
该电路提供的电压放大倍数小于1。
集电极电流和基极电流之和等于发射极电流。
输入和输出信号同相。
此电路工作方式为同相放大器输出。
此电路主要用于阻抗匹配，即从高阻抗源驱动低阻抗负载。

晶体管工作区域

直流电源用于晶体管工作。该直流电源提供给晶体管的两个PN结，影响这些发射极和集电极结中多数载流子的作用。

根据需要，PN结可以正向偏置或反向偏置。**正向偏置**是指对p型材料施加正电压，对n型材料施加负电压的条件。**反向偏置**是指对n型材料施加正电压，对p型材料施加负电压的条件。

晶体管偏置

提供合适的外部直流电压称为**偏置**。对晶体管的发射极和集电极结进行正向或反向偏置。这些偏置方法使晶体管电路工作在四种区域：**放大区、饱和区、截止区**和**反向放大区**（很少使用）。通过查看下表可以理解这一点。

发射结	集电极结	工作区域
正向偏置	正向偏置	饱和区
正向偏置	反向偏置	放大区
反向偏置	正向偏置	反向放大区
反向偏置	反向偏置	截止区

在这些区域中，反向放大区只是放大区的反向，不适用于任何应用，因此不使用。

放大区

晶体管在该区域有很多应用。这也被称为**线性区**。在该区域工作的晶体管，更像一个**放大器**。

该区域位于饱和区和截止区之间。当发射结正向偏置且集电极结反向偏置时，晶体管工作在放大区。在放大状态下，集电极电流是基极电流的β倍，即：

$$I_C\:=\:\beta I_B$$

其中，

$I_C$ = 集电极电流

$\beta$ = 电流放大系数

$I_B$ = 基极电流

饱和区

在该区域，晶体管趋于表现为闭合开关。晶体管的效果是集电极和发射极短路。在这种工作模式下，集电极电流和发射极电流最大。

下图显示了在饱和区工作的晶体管。

当发射结和集电极结都正向偏置时，晶体管工作在饱和区。可以理解，在饱和区，晶体管趋于表现为闭合开关，可以说：

$$I_C\:=\:I_E$$

其中$I_C$ = 集电极电流，$I_E$ = 发射极电流。

截止区

在该区域，晶体管趋于表现为开路开关。晶体管的效果是集电极和基极断开。在这种工作模式下，集电极电流、发射极电流和基极电流均为零。

下图显示了在截止区工作的晶体管。

当发射结和集电极结都反向偏置时，晶体管工作在截止区。在截止区，集电极电流、发射极电流和基极电流均为零，可以写成：

$$I_C\:=\:I_E\:=\:I_B\:=\:0$$

其中$I_C$ = 集电极电流，$I_E$ = 发射极电流，$I_B$ = 基极电流。

晶体管负载线分析

到目前为止，我们已经讨论了晶体管的不同工作区域。但在所有这些区域中，我们发现晶体管在放大区工作良好，因此它也称为**线性区**。晶体管的输出是集电极电流和集电极电压。

输出特性

当考虑晶体管的输出特性时，对于不同的输入值，曲线如下所示。

在上图中，输出特性是在不同基极电流$I_B$值下，集电极电流$I_C$和集电极电压$V_{CE}$之间绘制的。这里考虑不同的输入值以获得不同的输出曲线。

工作点

当考虑最大可能集电极电流的值时，该点将出现在Y轴上，这也就是**饱和点**。同样，当考虑最大可能集电极发射极电压的值时，该点将出现在X轴上，也就是**截止点**。

当连接这两点的直线绘制出来时，这样的直线可以称为**负载线**。之所以这样称呼它，是因为它象征着负载的输出。这条线在输出特性曲线上绘制时，与一个称为**工作点**的点接触。

这个工作点也称为**静态工作点**或简称为**Q点**。可能有许多这样的交点，但Q点的选择方式是这样的：不管交流信号摆动如何，晶体管都保持在放大区。这可以通过下图更好地理解。

必须绘制负载线才能获得Q点。当晶体管处于放大区并在Q点工作时，它可以作为一个良好的放大器，可以实现精确的放大。

**精确放大**是指通过增强信号强度来获得输入信号的完整部分的过程。这是在输入端施加交流信号时完成的。这将在放大器教程中讨论。

直流负载线

当晶体管被偏置且在其输入端未施加信号时，在这种情况下绘制的负载线可以理解为**直流**条件。这里没有放大，因为信号不存在。电路如下图所示。

在任何给定时间的集电极发射极电压值为

$$V_{CE}\:=\:V_{CC}\:-\:I_CR_C$$

由于$V_{CC}$和$R_C$是固定值，因此以上是一个一阶方程，因此在输出特性上将是一条直线。这条线称为**直流负载线**。下图显示了直流负载线。

为了获得负载线，需要确定直线的两个端点。让这两个点为A和B。

获得A点

当集电极发射极电压$V_{CE}$ = 0时，集电极电流最大，等于$V_{CC}/R_C$。这给出了$V_{CE}$的最大值。这表示为

$$V_{CE}\:=\:V_{CC}\:-\:I_CR_C$$

$$0\:=\:V_{CC}\:-\:I_CR_C$$

$$I_C\:=\:\frac{V_{CC}}{R_C}$$

这给出了集电极电流轴上的A点（OA = $V_{CC}/R_C$），如上图所示。

获得B点

当集电极电流$I_C$ = 0时，集电极发射极电压最大，将等于$V_{CC}$。这给出了$I_C$的最大值。这表示为

$$V_{CE}\:=\:V_{CC}\:-\:I_CR_C$$

$$=\:V_{CC}$$

(因为$I_C$ = 0)

这给出了B点，这意味着（OB = $V_{CC}$）在上图所示的集电极发射极电压轴上。

因此，我们得到了确定的饱和点和截止点，并了解到负载线是一条直线。因此，可以绘制直流负载线。

当在输入端施加交流信号时，这个工作点的意义将进一步理解。这将在放大器教程中讨论。

基础电子学 - 晶体管类型

目前有很多种类型的晶体管正在使用。每种晶体管在其应用中都具有专业性。主要分类如下。

主要的晶体管是BJT，FET是晶体管的现代版本。让我们来看看BJT。

双极结型晶体管

双极结型晶体管，简称**BJT**，之所以这样称呼，是因为它有两个PN结用于其功能。这个BJT只是一个普通的晶体管。它有两种类型的结构**NPN**和**PNP**。通常为了方便起见，选择NPN晶体管。下图显示了实际BJT的外观。

BJT的类型有NPN和PNP晶体管。NPN晶体管是通过将p型材料放置在两个n型材料之间制成的。PNP晶体管是通过将n型材料放置在两个p型材料之间制成的。

BJT是电流控制型器件。我们在前面章节中讨论过的普通晶体管属于这一类。功能、结构和应用都相同。

场效应晶体管

FET是一种三端单极性半导体器件。与双极结型晶体管不同，它是一种**电压控制型器件**。FET的主要优点是它具有非常高的输入阻抗，数量级为兆欧。它具有许多优点，例如功耗低、散热少，FET是高效的器件。下图显示了实际FET的外观。

FET是**单极性器件**，这意味着它使用p型或n型材料作为主要的衬底。因此，FET的电流传导是由电子或空穴完成的。

FET的特性

以下是场效应晶体管的各种特性。

**单极性** - 它是单极性的，因为空穴或电子负责传导。
**高输入阻抗** - FET中的输入电流是由于反向偏置引起的。因此，它具有高输入阻抗。
**电压控制型器件** - 由于FET的输出电压由栅极输入电压控制，因此FET被称为电压控制型器件。
**噪声低** - 传导路径中没有结。因此，噪声低于BJT。
**增益的特性是跨导。**跨导是输出电流变化与输入电压变化之比。
FET的输出阻抗低。

FET的优点

为了优先选择FET而不是BJT，使用FET而不是BJT应该有一些优点。让我们总结一下FET相对于BJT的优点。

结型场效应晶体管(JFET)	双极结型晶体管(BJT)
它是单极型器件	它是双极型器件
电压驱动器件	电流驱动器件
高输入阻抗	低输入阻抗
低噪声级	高噪声级
更好的热稳定性	较差的热稳定性
增益由跨导表征	增益由电压增益表征

场效应晶体管(FET)的应用

FET用于电路中以减少负载效应。
FET用于许多电路中，例如缓冲放大器、移相振荡器和电压表。

FET端子

虽然FET是三端器件，但它们与BJT端子不同。FET的三个端子是栅极、源极和漏极。FET的源极类似于BJT的发射极，而栅极类似于基极，漏极类似于集电极。

NPN和PNP型FET的符号如下所示

源极

场效应晶体管中的源极是载流子进入沟道的端子。
这类似于双极结型晶体管的发射极。
源极端子可以表示为S。
进入源极沟道的电流表示为IS。

栅极

场效应晶体管中的栅极在FET的功能中起着关键作用，它控制着通过沟道的电流。
通过在栅极端子上施加外部电压，可以控制通过它的电流。
栅极是由内部连接的两个高掺杂的端子组成的。
据说沟道电导率由栅极端子调制。
这类似于双极结型晶体管的基极。
栅极端子可以表示为G。
进入栅极沟道的电流表示为IG。

漏极

场效应晶体管中的漏极是载流子离开沟道的端子。
这类似于双极结型晶体管的集电极。
漏极到源极的电压表示为VDS。
漏极端子可以表示为D。
从漏极端子离开沟道的电流表示为I_D。

FET的类型

FET主要有两种类型：JFET和MOSFET。下图给出了FET的进一步分类。

在后续章节中，我们将详细讨论JFET和MOSFET。

基础电子学 - 场效应管(JFET)

JFET是结型场效应晶体管的缩写。JFET就像一个普通的FET。JFET的类型有n沟道FET和p沟道FET。在n沟道FET中，p型材料添加到n型衬底上，而在p沟道FET中，n型材料添加到p型衬底上。因此，理解一种类型的FET就足以理解这两种类型。

N沟道FET

N沟道FET是最常用的场效应晶体管。为了制造N沟道FET，取一根窄的N型半导体条，在其相对两侧通过扩散形成P型材料。将这两侧连接起来，形成栅极端子的单个连接。这可以从下图中理解。

这两个栅极沉积（p型材料）形成两个PN结二极管。栅极之间的区域称为沟道。多数载流子通过该沟道。因此，FET的横截面形式如下图所示。

在n型半导体条的两端形成欧姆接触，形成源极和漏极。源极和漏极端子可以互换。

N沟道FET的工作原理

在了解FET的工作原理之前，应该了解耗尽层的形成方式。为此，让我们假设栅极端子的电压，例如V_GG是反向偏置的，而漏极端子的电压，例如V_DD没有施加。设这是情况1。

在情况1中，当V_GG反向偏置且V_DD未施加时，P和N层之间的耗尽区倾向于扩展。这是因为施加的负电压吸引p型层中的空穴向栅极端子移动。
在情况2中，当施加V_DD（正极端子到漏极，负极端子到源极）且V_GG未施加时，电子从源极流向漏极，构成漏极电流I_D。

现在让我们考虑下图，以了解当同时提供两种电源时会发生什么。

栅极端子的电源使耗尽层增长，漏极端子的电压允许漏极电流从源极流向漏极端子。假设源极端子上的点是B，漏极端子上的点是A，则沟道的电阻将使得A端子的电压降大于B端子的电压降。这意味着：

V_A>V_B

因此，电压降沿沟道长度逐渐增加。因此，反向偏置效应在漏极端子比在源极端子更强。这就是为什么当同时施加V_GG和V_DD时，耗尽层在A点比在B点更倾向于深入沟道。下图对此进行了说明。

现在我们已经了解了FET的行为，让我们了解FET的实际工作原理。

耗尽型工作模式

由于耗尽层的宽度在FET的工作中起着重要作用，因此称为耗尽型工作模式。我们还有另一种称为增强型工作模式，这将在MOSFET的工作原理中讨论。但是JFET只有耗尽型工作模式。

让我们考虑一下，栅极和源极端子之间没有施加电位，而漏极和源极之间施加了电位V_DD。现在，电流I_D从漏极流向源极端子，因为沟道宽度较大，所以电流达到最大值。假设施加在栅极和源极端子之间的电压V_GG是反向偏置的。如上所述，这会增加耗尽区的宽度。随着层的增长，沟道的横截面减小，因此漏极电流I_D也减小。

当进一步增加该漏极电流时，会出现两个耗尽层彼此接触并阻止电流I_D流动的阶段。下图清楚地显示了这一点。

这两个耗尽层真正“接触”时的电压称为“夹断电压”。它表示为VP。此时漏极电流实际上为零。因此，漏极电流是栅极反向偏置电压的函数。

由于栅极电压控制漏极电流，因此FET被称为电压控制型器件。这从漏极特性曲线可以更清楚地理解。

JFET的漏极特性

让我们尝试总结一下FET的功能，通过该功能我们可以获得FET漏极的特性曲线。下图给出了用于获得这些特性的FET电路。

当栅极和源极之间的电压V_GS为零或它们短路时，从源极到漏极的电流I_D也为零，因为没有施加V_DS。随着漏极和源极之间的电压V_DS增加，从源极到漏极的电流流I_D增加。这种电流的增加在称为膝盖电压的某一点A之前是线性的。

栅极端子将处于反向偏置状态，并且随着I_D增加，耗尽区趋于收缩。这种收缩在长度上是不均匀的，使这些区域在漏极处更靠近，在漏极处更远，这导致夹断电压。夹断电压定义为漏极电流接近恒定值（饱和值）时的最小漏极到源极电压。发生这种夹断电压的点称为夹断点，表示为B。

随着V_DS进一步增加，沟道电阻也相应增加，以至于I_D实际上保持不变。区域BC称为饱和区或放大器区。所有这些以及点A、B和C都绘制在下图中。

对于不同的栅极源极电压VGS值，绘制漏极电流I_D与漏极源极电压V_DS的漏极特性曲线。对于各种输入电压的总体漏极特性如下所示。

由于负栅极电压控制漏极电流，因此FET被称为电压控制型器件。漏极特性表示FET的性能。上面绘制的漏极特性用于获得漏极电阻、跨导和放大系数的值。

基础电子学 - 金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)

FET有一些缺点，例如漏极电阻高、输入阻抗中等以及工作速度慢。为了克服这些缺点，发明了改进型的FET——MOSFET。

MOSFET代表金属氧化物半导体场效应晶体管。这也被称为IGFET，即绝缘栅场效应晶体管。FET在耗尽型和增强型工作模式下工作。下图显示了实际MOSFET的样子。

MOSFET的结构

MOSFET的结构与FET有点类似。在衬底上沉积一层氧化物层，栅极端子连接到该氧化物层。该氧化物层充当绝缘体（SiO₂与衬底绝缘），因此MOSFET还有另一个名称IGFET。在MOSFET的结构中，轻掺杂的衬底与重掺杂的区域一起扩散。根据所使用的衬底，它们被称为P型和N型MOSFET。

下图显示了MOSFET的结构。

栅极上的电压控制MOSFET的工作。在这种情况下，可以在栅极上施加正电压和负电压，因为它与沟道绝缘。对于负栅极偏置电压，它充当耗尽型MOSFET，而对于正栅极偏置电压，它充当增强型MOSFET。

MOSFET的分类

根据构造中使用的材料类型和工作类型，MOSFET分类如下面的图所示。

分类之后，让我们了解MOSFET的符号。

N沟道MOSFET简称为NMOS。N沟道MOSFET的符号如下所示。

P沟道MOSFET简称为PMOS。P沟道MOSFET的符号如下所示。

现在，让我们来看一下N沟道MOSFET的结构细节。通常情况下，我们会选择N沟道MOSFET进行讲解，因为这种MOSFET应用最为广泛。此外，无需赘述，对一种类型的研究也能解释另一种类型。

N沟道MOSFET的结构

让我们考虑一个N沟道MOSFET来理解其工作原理。取一个轻掺杂的P型衬底，在其上扩散两个重掺杂的N型区域，这两个区域充当源极和漏极。在这两个N+区域之间，会发生扩散形成一个N型沟道，连接漏极和源极。

在整个表面上生长一层薄的二氧化硅(SiO₂)，并开孔以便为漏极和源极端子引出欧姆接触。在整个沟道上覆盖一层导电的铝，这层铝位于从源极到漏极的SiO₂层之上，构成栅极。SiO₂衬底连接到公共端或接地端。

由于其结构，MOSFET的芯片面积比BJT小得多，与双极结型晶体管相比，其占用面积仅为5%。该器件可以在多种模式下工作。它们是耗尽模式和增强模式。让我们尝试深入了解细节。

N沟道(耗尽模式)MOSFET的工作原理

目前，我们知道与FET不同，这里栅极和沟道之间不存在PN结。我们还可以观察到，扩散的N型沟道（在两个N+区域之间）、绝缘电介质SiO₂和栅极的铝金属层共同构成一个平行板电容器。

如果要使NMOS在耗尽模式下工作，则栅极端子应处于负电位，而漏极应处于正电位，如下图所示。

当栅极和源极之间没有施加电压时，由于漏极和源极之间的电压，会有一些电流流动。假设在V_GG上施加一些负电压。然后，少数载流子，即空穴，会被吸引并沉积在SiO₂层附近。但是多数载流子，即电子，会被排斥。

在V_GG上施加一定量的负电位时，一定量的漏极电流I_D会流过源极到漏极。当这个负电位进一步增加时，电子会耗尽，电流I_D会减小。因此，施加的V_GG越负，漏极电流I_D的值就越小。

靠近漏极的沟道比源极处的沟道更耗尽（如FET中一样），并且由于这种效应，电流减小。因此，它被称为耗尽模式MOSFET。

N沟道MOSFET（增强模式）的工作原理

如果我们可以改变电压V_GG的极性，则相同的MOSFET可以在增强模式下工作。因此，让我们考虑一下栅极源极电压V_GG为正的MOSFET，如下图所示。

当栅极和源极之间没有施加电压时，由于漏极和源极之间的电压，会有一些电流流动。假设在V_GG上施加一些正电压。然后，少数载流子，即空穴，会被排斥，而多数载流子，即电子，会被吸引到SiO₂层。

在V_GG上施加一定量的正电位时，一定量的漏极电流I_D会流过源极到漏极。当这个正电位进一步增加时，由于电子从源极流出，并且这些电子由于在V_GG上施加的电压而被进一步推动，电流I_D会增加。因此，施加的V_GG越正，漏极电流I_D的值就越大。由于电子流的增加，电流比耗尽模式更好，电流得到了增强。因此，这种模式被称为增强模式MOSFET。

P沟道MOSFET

PMOS的结构和工作原理与NMOS相同。取一个轻掺杂的N型衬底，在其上扩散两个重掺杂的P+区域。这两个P+区域充当源极和漏极。在表面上生长一层薄的SiO₂。通过该层开孔以与P+区域接触，如下图所示。

PMOS的工作原理

当栅极端子施加的负电位V_GG大于漏极源极电压V_DD时，由于存在P+区域，通过扩散的P型沟道的空穴电流增加，PMOS在增强模式下工作。

当栅极端子施加的正电位V_GG小于漏极源极电压V_DD时，由于排斥作用，会发生耗尽，从而导致电流减小。因此，PMOS在耗尽模式下工作。尽管结构不同，但两种类型的MOSFET的工作原理相似。因此，通过改变电压极性，两种类型的MOSFET都可以在这两种模式下使用。

通过了解漏极特性曲线可以更好地理解这一点。

漏极特性

MOSFET的漏极特性曲线是在漏极电流I_D和漏极源极电压V_DS之间绘制的。对于不同的输入值，特性曲线如下所示。

实际上，当V_DS增加时，漏极电流I_D也应该增加，但是由于施加的V_GS，漏极电流在一定水平上受到控制。因此，栅极电流控制输出漏极电流。

转移特性

转移特性定义了在耗尽模式和增强模式下，V_DS值随I_D和V_GS变化而变化的情况。下面的转移特性曲线是针对漏极电流与栅极源极电压绘制的。

BJT、FET和MOSFET的比较

既然我们已经讨论了以上三种器件，让我们尝试比较一下它们的某些特性。

术语	双极结型晶体管(BJT)	FET	MOSFET
器件类型	电流控制型	电压控制型	电压控制型
电流流动	双极型	单极型	单极型
端子	不可互换	可互换	可互换
工作模式	无模式	仅耗尽模式	增强模式和耗尽模式
输入阻抗	低	高	非常高
输出电阻	中等	中等	低
工作速度	低	中等	高
噪声	高	低	低
热稳定性	低	更好	高

到目前为止，我们已经讨论了各种电子元件及其类型，以及它们的结构和工作原理。所有这些元件在电子领域都有各种用途。要了解这些元件如何在实际电路中使用，请参考电子电路教程。

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