基礎電子學速查指南

基礎電子學 - 材料

物質由分子構成，分子由原子構成。根據玻爾理論，“原子由帶正電的原子核和若干帶負電的電子組成，這些電子在原子核周圍的不同軌道上旋轉”。當電子從較低能級躍遷到較高能級時，就被認為是激發態的。在激發過程中，如果電子完全脫離原子核，則原子被認為是電離的。因此，將原子從正常狀態提升到這種電離狀態的過程稱為電離。

下圖顯示了原子的結構。(此處應插入圖片)

根據玻爾模型，電子被認為是在特定的軌道上運動，而根據量子力學，電子被認為位於原子自由空間的某個位置，稱為軌道。量子力學理論已被證明是正確的。因此，電子可能存在的三維邊界稱為原子軌道。

量子數

每個電子運動的軌道在能量和形狀上都不同。軌道的能級可以用一組離散的整數和半整數來表示，這些整數和半整數稱為量子數。有四個量子數用來定義波函式。

主量子數

描述電子的第一個量子數是主量子數。其符號為n。它指定能級的尺寸或序數（能級）。隨著n值的增加，電子到原子核的平均距離也增加，電子的能量也增加。主能級可以理解為一個電子層。

角動量量子數

該量子數的符號為l。這個l表示軌道的形狀。它的範圍從0到n-1。

l = 0, 1, 2 …n-1

對於第一層，n = 1。

即，對於n-1，l = 0是l的唯一可能值，因為n = 1。

所以，當l = 0時，它被稱為s軌道。s軌道的形狀是球形的。下圖表示s軌道的形狀。(此處應插入圖片)

如果n = 2，則l = 0, 1，因為這是n = 2的兩個可能值。

我們知道l = 0是s軌道，但是如果l = 1，它是p軌道。

電子更有可能在啞鈴形狀的p軌道中找到。如下圖所示。(此處應插入圖片)

磁量子數

該量子數用m_l表示，它表示軌道圍繞原子核的取向。m_l的值取決於l。

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

對於l = 0，m_l = 0，這表示s軌道。

對於l = 1，m_l = -1, 0, +1，這是三個可能的值，這表示p軌道。

因此我們有三個p軌道，如下圖所示。(此處應插入圖片)

自旋量子數

這由m_s表示，這裡的電子在其軸上自旋。電子的自旋運動可以是順時針或逆時針，如下所示。(此處應插入圖片)

此自旋量子數的可能值如下：

$$m_{s}= +\frac{1}{2}\:\:向上$$

對於稱為自旋向上的運動，結果是正二分之一。

$$m_{s}= -\frac{1}{2}\:\:向下$$

對於稱為自旋向下的運動，結果是負二分之一。

這就是四個量子數。

泡利不相容原理

根據泡利不相容原理，原子中沒有兩個電子具有相同的四個量子數。這意味著，如果任何兩個電子具有相同的n、s、ml值（正如我們上面討論的那樣），那麼它們的l值肯定不同。因此，沒有兩個電子具有相同的能量。

電子層

如果n = 1是一個電子層，則l = 0是一個亞層。

同樣，n = 2是一個電子層，l = 0, 1是一個亞層。

對應於n = 1, 2, 3……的電子層分別用K、L、M、N表示。對應於l = 0, 1, 2, 3等的亞層或軌道分別用s、p、d、f等表示。

讓我們看看碳、矽和鍺（IV-A族）的電子構型。

可以觀察到，每種情況下的最外層p亞層只包含兩個電子。但電子的可能數是六個。因此，最外層殼層中各有四個價電子。所以，原子中的每個電子都有特定的能量。任何型別的物質中分子內部的原子排列幾乎都是這樣的。但是原子之間的間距因材料而異。

基礎電子學 - 能帶

在氣態物質中，分子的排列並不緊密。在液體中，分子的排列是適中的。但是，在固體中，分子排列得非常緊密，以至於分子中原子的電子傾向於移動到相鄰原子的軌道中。因此，當原子聚集在一起時，電子軌道會重疊。

由於固體中原子的相互混合，將形成一系列的能級而不是單個能級。這些緊密堆積的能級集合稱為能帶。

價帶

電子在原子中以一定的能級運動，但是最內層電子的能量高於最外層電子的能量。存在於最外層殼層的電子稱為價電子。

這些價電子包含一系列能級，形成一個能帶，稱為價帶。價帶是具有最高佔據能量的能帶。

導帶

價電子與原子核的結合非常鬆散，即使在室溫下，一些價電子也會離開價帶而變得自由。這些被稱為自由電子，因為它們傾向於向相鄰原子移動。

這些自由電子是導體中導電的電子，因此稱為導電電子。包含導電電子的能帶稱為導帶。導帶是具有最低佔據能量的能帶。

禁帶

價帶和導帶之間的間隙稱為禁帶。顧名思義，這個能帶是無能量的禁區。因此，沒有電子停留在該能帶中。價電子在進入導帶時會穿過它。

如果禁帶較大，則意味著價帶電子與原子核緊密結合。現在，為了將電子推出價帶，需要一些外部能量，這將等於禁頻寬度。

下圖顯示了價帶、導帶和禁帶。(此處應插入圖片)

根據禁頻寬度的大小，形成了絕緣體、半導體和導體。

絕緣體

絕緣體是由於禁頻寬度很大而無法導電的材料。例如：木材、橡膠。絕緣體的能帶結構如下圖所示。(此處應插入圖片)

特性

以下是絕緣體的特性。

禁頻寬度非常大。
價帶電子與原子緊密結合。
絕緣體的禁頻寬度約為10eV。
對於某些絕緣體，隨著溫度的升高，它們可能會顯示出一些導電性。
絕緣體的電阻率約為10⁷歐姆·米。

半導體

半導體是禁頻寬度較小，如果施加一些外部能量就會導電的材料。例如：矽、鍺。下圖顯示了半導體的能帶結構。(此處應插入圖片)

特性

以下是半導體的特性。

禁頻寬度非常小。
鍺的禁頻寬度為0.7eV，而矽的禁頻寬度為1.1eV。
半導體實際上既不是絕緣體，也不是良好的導體。
隨著溫度的升高，半導體的電導率增加。
半導體的電導率約為10²西門子/米。

導體

導體是價帶和導帶非常接近以至於重疊，禁帶消失的材料。例如：銅、鋁。下圖顯示了導體的能帶結構。(此處應插入圖片)

特性

以下是導體的特性。

導體不存在禁帶。
價帶和導帶重疊。
可用於導電的自由電子很多。
電壓略微升高，會增加導電性。
不存在空穴形成的概念，因為電流是由連續的電子流貢獻的。

重要術語

在進入後續章節之前，我們需要討論一些重要的術語。

電流

電流簡單來說就是電子的流動。連續流動的電子或帶電粒子可以被稱為電流。用I或i表示，單位為安培。電流可以是交流電AC或直流電DC。

電壓

電壓是指電位差。當兩點之間存在電位差時，就被認為存在電壓差，用V表示，單位為伏特，電壓差是在這兩點之間測量的。

電阻

電阻是阻礙電子流動的性質。擁有這種性質可以被稱為電阻率。這將在後面詳細討論。

歐姆定律

根據上面討論的術語，我們有一個標準定律，對於所有電子元件的行為都至關重要，稱為歐姆定律。它闡述了理想導體中電流和電壓之間的關係。

根據歐姆定律，理想導體兩端的電位差與其透過的電流成正比。

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

理想導體沒有電阻。但在實踐中，每個導體都具有一定的電阻。隨著電阻的增加，電位降也增加，因此電壓增加。

因此，電壓與其提供的電阻成正比。

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

$$V = IR $$

但是，電流與其電阻成反比。

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

$$I = V/R $$

因此，在實踐中，歐姆定律可以表述為：

根據歐姆定律，流過導體的電流與其兩端的電位差成正比，與其電阻成反比。

該定律有助於確定三個未知引數中的值，有助於分析電路。

基礎電子學 - 半導體

半導體是一種電阻率介於導體和絕緣體之間的物質。電阻率並不是決定一種物質是否為半導體的唯一性質，它還具有一些如下性質。

半導體的電阻率小於絕緣體，大於導體。
半導體具有負溫度係數。半導體的電阻隨溫度降低而增加，反之亦然。
當加入合適的金屬雜質時，半導體的導電效能會發生變化，這是一個非常重要的特性。

半導體器件廣泛應用於電子領域。電晶體取代了笨重的真空管，使器件的尺寸和成本降低，這場革命一直在加速發展，導致了整合電子等新發明。下圖顯示了半導體的分類。

半導體的導電性

瞭解了電子之後，我們知道最外層電子殼層有價電子，它們與原子核的結合比較鬆散。當這種具有價電子的原子靠近另一個原子時，這兩個原子的價電子結合形成“電子對”。這種鍵合併不很強，因此它是一種共價鍵。

例如，鍺原子有32個電子。第一層軌道上有2個電子，第二層軌道上有8個電子，第三層軌道上有18個電子，而最後一層軌道上有4個電子。這4個電子是鍺原子的價電子。這些電子傾向於與相鄰原子的價電子結合，形成電子對，如下圖所示。

空穴的產生

由於提供給晶體的熱能，一些電子傾向於移出其位置並破壞共價鍵。這些斷裂的共價鍵導致自由電子隨機遊動。但是，移走的電子會在後面留下一個空位或價鍵，這被稱為空穴。

這個代表缺失電子的空穴可以被認為是一個單位正電荷，而電子被認為是一個單位負電荷。釋放的電子隨機移動，但當施加外部電場時，這些電子沿與電場相反的方向移動。但是由於電子缺失而產生的空穴，則沿電場方向移動。

空穴電流

我們已經瞭解到，當共價鍵斷裂時，就會產生空穴。實際上，半導體晶體具有很強的形成共價鍵的趨勢。因此，空穴並不傾向於存在於晶體中。這可以透過下圖更好地理解，該圖顯示了半導體晶體晶格。

當電子從A點移動時，就會形成空穴。由於形成共價鍵的趨勢，B點的電子會移動到A點。現在，為了平衡B點的共價鍵，C點的電子會移動到B點。這會繼續形成一條路徑。空穴在沒有外加電場的情況下移動是隨機的。但是當施加電場時，空穴沿電場方向漂移，構成空穴電流。這被稱為空穴電流，而不是電子電流，因為空穴的運動貢獻了電流的流動。

電子和空穴在隨機運動過程中，可能會相遇並形成對。這種複合會釋放熱量，從而破壞另一個共價鍵。當溫度升高時，電子和空穴的產生率增加，因此複合率增加，導致電子和空穴的密度增加。結果，半導體的導電性增加，電阻率降低，這意味著負溫度係數。

本徵半導體

極其純淨的半導體被稱為本徵半導體。這種純半導體的特性如下：

電子和空穴完全由熱激發產生。
自由電子的數量等於空穴的數量。
室溫下的導電能力較小。

為了提高本徵半導體的導電能力，最好新增一些雜質。這種新增雜質的過程稱為摻雜。現在，這種摻雜的本徵半導體被稱為外延半導體。

摻雜

向半導體材料中新增雜質的過程稱為摻雜。新增的雜質通常是五價和三價雜質。

五價雜質

五價雜質是指最外層軌道上有五個價電子的雜質。例如：鉍、銻、砷、磷。
五價原子被稱為施主原子，因為它向純半導體原子的導帶貢獻一個電子。

三價雜質

三價雜質是指最外層軌道上有三個價電子的雜質。例如：鎵、銦、鋁、硼。
三價原子被稱為受主原子，因為它從半導體原子中接受一個電子。

外延半導體

透過摻雜純半導體形成的不純半導體稱為外延半導體。根據新增的雜質型別，外延半導體有兩種型別：N型外延半導體和P型外延半導體。

N型外延半導體

向純半導體中新增少量五價雜質，即可得到N型外延半導體。新增的雜質有5個價電子。

例如，如果將砷原子新增到鍺原子中，四個價電子與Ge原子結合，而一個電子則成為自由電子。如下圖所示。

所有這些自由電子構成電子電流。因此，新增的雜質為導電提供了電子。

在N型外延半導體中，由於導電是透過電子進行的，因此電子是多數載流子，空穴是少數載流子。
由於沒有新增正電荷或負電荷，電子是電中性的。
當向添加了五價雜質的N型半導體施加電場時，自由電子會向正極移動。這被稱為負型或N型導電性。

P型外延半導體

向純半導體中新增少量三價雜質，即可得到P型外延半導體。新增的雜質有3個價電子。例如，如果將硼原子新增到鍺原子中，三個價電子與Ge原子結合，形成三個共價鍵。但是，鍺中還有一個電子沒有形成任何鍵。由於硼中沒有剩餘電子形成共價鍵，因此該空間被視為空穴。如下圖所示。

少量新增的硼雜質提供了許多有助於導電的空穴。所有這些空穴構成空穴電流。

在P型外延半導體中，由於導電是透過空穴進行的，因此空穴是多數載流子，電子是少數載流子。
此處新增的雜質提供空穴，這些空穴被稱為受主，因為它們從鍺原子中接受電子。
由於可移動空穴的數量等於受主的數量，因此P型半導體保持電中性。
當向添加了三價雜質的P型半導體施加電場時，空穴會向負極移動，但速度比電子慢。這被稱為P型導電性。
在這種P型導電性中，價電子從一個共價鍵移動到另一個共價鍵，這與N型不同。

為什麼矽在半導體中更受歡迎？

在鍺和矽等半導體材料中，廣泛用於製造各種電子元件的材料是矽 (Si)。矽優於鍺的原因有很多，例如：

矽的能帶隙為 0.7ev，而鍺的能帶隙為 0.2ev。
熱激發產生的載流子對較少。
矽易於形成 SiO2 層，這有助於製造許多元件以及整合技術。
自然界中矽比鍺更容易找到。
由矽製成的元件噪聲小於鍺製成的元件。

因此，矽被用於製造許多電子元件，這些元件用於製造用於各種用途的不同電路。這些元件具有各自的特性和特定用途。

主要的電子元件包括——電阻器、可變電阻器、電容器、可變電容器、電感器、二極體、隧道二極體、變容二極體、電晶體、BJT、UJT、FET、MOSFET、光敏電阻、發光二極體、太陽能電池、熱敏電阻、壓敏電阻、變壓器、開關、繼電器等。

基礎電子學 - 霍爾效應

霍爾效應以其發現者埃德溫·霍爾命名。這有點類似於弗萊明的右手定則。當載流導體I置於橫向磁場B中時，會在導體中感應出垂直於I和B的電場E。這種現象稱為霍爾效應。

解釋

當載流導體置於橫向磁場中時，該磁場會對電子施加一定的壓力，使電子沿曲線路徑繼續運動。施加能量的導體如下圖所示。磁場也已標出。

當電子穿過位於磁場 B 中的導體時，電子將受到磁力。這種磁力將導致電子比另一側更靠近一側運動。這在一側產生負電荷，在另一側產生正電荷，如下圖所示。

這種電荷分離將產生電壓差，稱為霍爾電壓或霍爾電動勢。電壓會一直建立，直到電場對電荷產生的電力與磁力相等且方向相反。這種效應稱為霍爾效應。

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

V_D 是每個電子所經歷的速度

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

其中 q = 電荷量

$\overrightarrow{B}$ = 磁場

$\overrightarrow{V_{D}}$ = 漂移速度

$\overrightarrow{E_{H}}$ = 霍爾電場

d = 導體中平面之間的距離（導體的寬度）

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

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

這是霍爾電動勢

用途

霍爾效應用於獲取有關半導體型別、電荷載流子符號、測量電子或空穴濃度和遷移率的資訊。由此，我們還可以知道材料是導體、絕緣體還是半導體。它還用於測量電磁波中的磁通密度和功率。

電流型別

說到半導體中的電流型別，需要討論兩個術語。它們是擴散電流和漂移電流。

擴散電流

進行摻雜時，電子和空穴的濃度會發生差異。這些電子和空穴傾向於從較高的電荷密度濃度擴散到較低的濃度水平。由於這些是載流子，因此它們構成一種稱為擴散電流的電流。

為了詳細瞭解這一點，讓我們考慮 N 型材料和 P 型材料。

N 型材料以電子為多數載流子，少數空穴為少數載流子。
P 型材料以空穴為多數載流子，少數電子為少數載流子。

如果將這兩種材料彼此靠近連線，則 N 型材料價帶中的少量電子傾向於向 P 型材料移動，而 P 型材料價帶中的少量空穴傾向於向 N 型材料移動。這兩種材料之間發生這種擴散的區域稱為耗盡區。

因此，在不施加任何外部能量的情況下，由於這些電子和空穴的擴散而形成的電流可以稱為擴散電流。

漂移電流

由於施加的電場而導致的帶電粒子（電子或空穴）的漂移（運動）而形成的電流稱為漂移電流。下圖解釋了漂移電流，以及施加的電場是如何產生差異的。

電流的大小取決於施加的電荷。耗盡區的寬度也會受到這種漂移電流的影響。為了使元件在有源電路中工作，這種漂移電流起著重要作用。

基礎電子學 - 電阻器

Resist 這個詞的意思是“阻礙”。電阻是阻礙電子在導體或半導體中流動的特性。電阻器是一種具有電阻特性的電子元件。

符號和單位

電阻器的符號如下所示。

電阻的單位是歐姆，用 Ω（歐米伽）表示。

電阻的公式是

R = V/I

其中V是電壓，I是電流。製造具有每個值的電阻器確實很困難。因此，選擇一些值，並且僅製造具有這些值的電阻器。這些被稱為“標準值”。在實踐中，選擇近似值的電阻器以匹配所需應用。這就是實際電阻器的樣子：

顏色編碼

使用稱為顏色編碼的方法來確定電阻器的阻值，就像上圖所示一樣。電阻器塗有四個色帶，每個顏色代表一個特定值。下表顯示了每種顏色指示的值列表。

顏色	數字	倍率	容差
黑色	0	10⁰ = 1
棕色	1	10¹ = 10	1
紅色	2	10² = 100	2
橙色	3	10³ = 1000
黃色	4	10⁴ = 10000
綠色	5	10⁵ = 100000	0.5
藍色	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
銀色		10^-2 = 0.01	10
（無）			20

前兩個色帶表示值的第一位和第二位數字，第三個色帶表示倍率（新增的零的個數）。第四個色帶表示容差值。

容差是電阻器在不被破壞的情況下可以承受的值範圍。這是一個重要的因素。下圖顯示瞭如何透過顏色程式碼確定電阻器的值。

五色帶電阻的製造容差為 2% 和 1%，也用於其他高精度電阻。在這類五色帶電阻中，前三個色帶代表數字，第四個色帶表示倍率，第五個色帶表示容差。

讓我們來看一個例子來了解顏色編碼過程。

示例 1 - 確定顏色程式碼為黃色、藍色、橙色和銀色的電阻器的值。

解答 - 黃色的值為 4，藍色的值為 6，橙色的值為 3，表示倍率。銀色為 ±10，即容差值。

因此，電阻器的值為 46×10³ = 46kΩ

此電阻器的最大阻值為

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

此電阻器的最小阻值為

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

在瞭解了有關電阻器的不同細節之後，我們有一些術語需要學習。我們還必須處理幾種型別連線的電阻器的不同行為。

重要術語

在我們深入瞭解電阻器的型別之前，需要討論一些術語。在這個階段，需要了解這些術語，並隨著我們進一步深入瞭解它們。

電阻

電阻是電阻器阻礙電流流動的特性。當交流電透過電阻時，會產生與電流同相的壓降。

表示 - R
單位 - 歐姆
符號 - Ω

除了電阻之外，還有其他重要的術語，稱為電抗和阻抗。

電抗

由於電路中存在的電容和電感而對交流電的阻抗可以理解為電抗。當交流電透過純電抗時，會產生與電流相位差 90°的壓降。

根據相位，即 +90° 或 -90°，電抗可以稱為電感電抗或電容電抗。

表示 - X
單位 - 歐姆
符號 - Ω

阻抗

阻抗是由於歐姆電阻和電抗的綜合作用而產生的對交流電的有效電阻。當交流電透過阻抗時，會產生與電流相位差在 0°到 90°之間的壓降。

表示 - Z
單位 - 歐姆
符號 - Ω

電導

這是材料導電的能力。它是電阻的倒數。

表示 - G
單位 - 西門子
符號 - ℧

電阻器的電路連線

當電阻連線到電路中時，該連線可以是串聯或並聯。現在讓我們瞭解一下，如果它們串聯連線，以及並聯連線時，總電流、電壓和電阻值會發生什麼變化。

串聯電阻

讓我們觀察一下當幾個電阻串聯連線時會發生什麼。讓我們考慮三個具有不同值的電阻，如下圖所示。

電阻

具有串聯電阻的電路的總電阻等於各個電阻之和。這意味著，在上圖中，有三個電阻，其值分別為 1KΩ、5KΩ 和 9KΩ。

電阻網路的總電阻值為：

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

這意味著 1 + 5 + 9 = 15KΩ 是總電阻。

其中 R₁ 是第一個電阻的阻值，R₂ 是第二個電阻的阻值，R₃ 是第三個電阻的阻值。

電壓

串聯電阻網路兩端的總電壓是每個電阻電壓降的總和。在上圖中，我們有三個不同的電阻，它們在每個階段都有三個不同的電壓降值。

電路兩端的總電壓 −

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

這意味著 1v + 5v + 9v = 15v 是總電壓。

其中 V₁ 是第一個電阻的電壓降，V₂ 是第二個電阻的電壓降，V₃ 是第三個電阻的電壓降。

電流

流過串聯電阻組的總電流在整個電阻網路中的所有點處都是相同的。因此，在輸入端或電阻之間的任何點，甚至在輸出端測得的電流都是相同的 5A。

網路中的電流 −

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

這意味著所有點的電流都是 5A。

其中 I₁ 是流過第一個電阻的電流，I₂ 是流過第二個電阻的電流，I₃ 是流過第三個電阻的電流。

並聯電阻

讓我們觀察一下，當幾個電阻並聯連線時會發生什麼。讓我們考慮三個阻值不同的電阻，如下圖所示。

電阻

具有並聯電阻的電路的總電阻的計算方法與串聯電阻網路的方法不同。這裡，將各個電阻的倒數 (1/R) 值相加，然後取代數和的倒數以得到總電阻值。

電阻網路的總電阻值為：

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

其中 R₁ 是第一個電阻的阻值，R₂ 是第二個電阻的阻值，R₃ 是第三個電阻的阻值。

例如，如果考慮前面示例的電阻值，這意味著 R₁ = 1KΩ，R₂ = 5KΩ 和 R₃ = 9KΩ。並聯電阻網路的總電阻將為 −

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

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

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

根據我們計算並聯電阻的方法，我們可以推匯出一個簡單的雙電阻並聯網路公式。它是 −

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

電壓

並聯電阻網路兩端的總電壓與每個電阻的電壓降相同。

電路兩端的電壓 −

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

其中 V₁ 是第一個電阻的電壓降，V₂ 是第二個電阻的電壓降，V₃ 是第三個電阻的電壓降。因此，電壓在並聯電阻網路的所有點處都是相同的。

電流

進入並聯電阻網路的總電流是所有並聯支路中流過的所有各個電流的總和。每個支路的電阻值決定流過它的電流值。網路中的總電流為

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

其中 I₁ 是流過第一個電阻的電流，I₂ 是流過第二個電阻的電流，I₃ 是流過第三個電阻的電流。因此，不同支路中各個電流的總和得到並聯電阻網路中的總電流。

電阻器通常用作許多電路輸出端的負載。如果根本不使用電阻負載，則在負載之前放置一個電阻器。電阻器通常是任何電路中的基本元件。

基礎電子學 - 非線性電阻器

根據所用材料的型別、製造工藝及其應用，電阻器有很多型別。分類如下所示。

線性電阻器具有線性 VI 特性，非線性電阻器具有非線性 VI 特性。非線性電阻器是指其電壓和電流特性非線性變化的電阻器。電壓和電流值會根據溫度和光線等其他因素而變化，但它們可能不是線性的。

熱敏電阻

熱力學是指溫度。在這個電阻器中，電阻隨溫度變化。如果熱量增加，電阻減小，反之亦然。它用於測量和控制目的。

熱敏電阻的主要型別是 **NTC** 和 **PTC**。

NTC 是 **負溫度係數**，在這種器件中，電阻隨著溫度的升高而降低。它們用於保護裝置免受過電壓條件的影響。
PTC 是 **正溫度係數**，在這種器件中，電阻隨著溫度的升高而升高。它們用於保護裝置免受過電流條件的影響。

下圖顯示了 NTC 熱敏電阻及其符號。

光敏電阻

光是指光線。在這個電阻器中，電阻隨光線變化。隨著光線的增加，電阻減小，反之亦然。它也用於測量和控制目的。它也稱為 **LDR**（光敏電阻）

壓敏電阻

壓敏電阻的電阻隨施加電壓的變化而變化。隨著電壓的升高，電阻降低；如果電壓降低，電阻升高。它也稱為 **VDR**（電壓相關電阻）。

表面貼裝

自從表面貼裝技術問世以來，這些技術已被廣泛使用。這些可以稱為 **晶片電阻器**，這意味著電阻層整合在陶瓷晶片上。

與普通電阻器相比，這些表面貼裝電阻器非常小，因此佔用的空間更小。它們有效且散熱少。這些電阻器的發明改變了印刷電路板 (PCB) 的外觀，並大大減小了其尺寸。

表面貼裝電阻器的優點是 −

體積小巧。
非常穩定。
公差良好。
有效降低散熱。

下圖顯示了表面貼裝電阻器的影像。

基礎電子學 - 線性電阻器

線性電阻器是指其電阻不會隨流過它的電流而變化的電阻器。流過它的電流將始終與其兩端施加的電壓成正比。線性電阻器進一步分為 **固定電阻器和可變電阻器**。

可變電阻器

可變電阻器是指其值可以根據需要手動更改的電阻器。藉助連線的軸，可以選擇一定範圍的電阻值中的特定電阻值。可變電阻器的符號如下所示。

透過我們擁有的分類，可以更好地理解這些電阻器。可變電阻器進一步分為電位器、變阻器和微調電阻器。

電位器

電位器簡稱為 **電位器**。這是一個三端電阻器，帶有一個可以滑動或旋轉的軸。操作此軸會形成一個可調電壓分壓器。下圖顯示了電位器的影像。

電位器還可以測量電路中的 **電勢差**（電壓）。內部鋪設了阻值從低到高的電阻材料路徑，並放置了一個刮片，以便它將電阻材料連線到電路。這主要用作電視機和音樂系統中的音量控制器。

變阻器

變阻器可以簡稱為繞線電阻器。將由電阻材料製成的 **電阻絲** 緊緊地纏繞在一個絕緣陶瓷芯上。一個 **刮片** 滑過這些繞組。一個連線端連線到電阻絲的一端，另一個連線端連線到刮片或滑動觸點，以獲得所需的電阻。

變阻器用於 **控制電流**。這些主要用於大型電動機的速度控制。由此獲得的電阻值約為 **千歐**。變阻器主要有單管和雙管變阻器兩種，如下圖所示。

作為可變電阻，它們通常用於電路中的調諧和校準。如今，變阻器的使用已被開關電子裝置所取代，因為變阻器的效率較低。

微調電阻器

微調電阻器既是可變電阻器，也是電位器（測量電勢差）。簡而言之，這種微調電位器稱為 **微調電位器**。如果將這些用作可變電阻器，則稱為預設電阻器。

這些微調電位器有不同的型別，例如單圈或多圈。這些是小巧的可變電阻器，用於調諧和校準。它們的壽命比其他可變電阻器短。

基礎電子學 - 固定電阻器

固定電阻器是一種線性電阻器。如果電阻器的值是固定的，則該電阻器被稱為固定電阻器。固定電阻器的值不能像可變電阻器那樣改變，因為它的值是在製造時確定的。下圖表示固定電阻器的符號。

固定電阻器根據其製造工藝和製造中使用的材料分為不同的型別。分類如下。

碳膜電阻

碳膜電阻器是由碳顆粒、石墨和陶瓷粉末與粘合劑（如粘土）混合而成。這種混合物在高壓和高溫下進行處理。在將整個東西模壓成外殼後，固定引線。

碳膜電阻器的熱質量較高，因此能夠承受高能量脈衝。
這些電阻器的穩定性低，噪聲高，這是一個缺點。

下圖顯示了碳膜電阻器的影像。

碳膜電阻器用於浪湧保護、電流限制和高壓電源。

繞線電阻

繞線電阻器是由將由電阻材料製成的線繞在芯上而形成的。金屬芯充當非導電材料，而電阻線導電，但具有一定的電阻。繞線電阻器的影像如下所示。

通常使用鎳鉻絲或錳銅絲繞制芯線，因為它們具有高電阻。而塑膠、陶瓷或玻璃則用於芯線。

繞線電阻器非常精確。
它們非常適合低電阻值和高功率額定值。

它們是最古老的固定電阻器型別，但現在仍在使用。

厚膜電阻

薄膜電阻器在陶瓷基板上具有電阻層，其厚度決定了它們所屬的型別。厚膜電阻器上電阻層的厚度遠高於薄膜電阻器。厚膜電阻器是透過將特殊的糊狀物（玻璃和金屬氧化物的混合物）燒結到基板上而製成的。

厚膜電阻器主要有三種類型：熔斷電阻器、金屬陶瓷薄膜電阻器和金屬氧化物薄膜電阻器。

熔斷電阻器

熔斷電阻器類似於繞線電阻器。但是這些電阻器除了提供電阻外，還充當保險絲。熔斷電阻器的影像如下所示。

在這個電阻器中，電流流經彈簧載入連線，該連線緊密放置在電阻器主體附近。連線到電阻器彈簧線的熔珠吸收由電阻器由於電流流動而產生的熱量。如果此熱量增加，則與熔珠的連線會熔化並開啟連線。

因此，我們可以說，這些電阻器限制電流，但是如果電路功率額定值超過指定值，這些電阻器會充當保險絲以開啟或斷開電路。這些電阻器的值通常小於 10 歐姆。這些電阻器通常用於電視機、放大器和其他昂貴的電子電路中。

金屬陶瓷薄膜電阻器

陶瓷金屬電阻膜電阻是由一種稱為**陶瓷金屬 (Cermet)** 的特殊材料製成的薄膜電阻。陶瓷金屬是一種複合合金，由**陶瓷 (Cer)** 和**金屬 (Met)** 結合而成。這種組合兼具這兩種材料的優點，例如陶瓷的高耐溫性和耐磨性，以及金屬的柔韌性和導電性。

金屬薄膜層包裹在電阻材料周圍，並固定在陶瓷金屬或陶瓷金屬基板上。引線用於方便連線，便於固定在印刷電路板上。它們具有高穩定性，因為溫度不會影響其效能。

金屬氧化物薄膜電阻

金屬氧化物薄膜電阻是透過在加熱的玻璃棒（基板）上氧化一層厚的氯化錫薄膜形成的。它們具有高溫度穩定性，可以在高電壓下使用。這些電阻具有低工作噪聲。

金屬氧化物薄膜電阻與金屬薄膜電阻的區別僅在於塗層的薄膜型別。**金屬氧化物**是一種金屬化合物，例如錫與氧結合形成氧化錫，它作為薄膜塗覆在電阻器上。該電阻的電阻率取決於新增到**氧化錫**中的氧化銻的量。

薄膜電阻

薄膜電阻在陶瓷基板上具有寬度為0.1微米或更小的電阻層。薄膜電阻具有真空沉積在絕緣基板上的金屬薄膜。

薄膜電阻更精確，具有更好的溫度係數，並且更穩定。薄膜電阻進一步分為兩種型別：

碳膜電阻
金屬膜電阻

碳膜電阻

碳膜電阻是透過在陶瓷基板上沉積一層碳膜製成的。碳膜充當電流的電阻材料，陶瓷物質充當絕緣物質。金屬帽固定在兩端，並引出銅引線。

下圖顯示了碳膜電阻的結構。（此處應插入圖片）

這些電阻的主要優點是其高穩定性、寬工作範圍、低噪聲和低成本。由於其低噪聲，碳膜電阻比碳成分電阻更受歡迎。

金屬膜電阻

薄膜塗層使金屬氧化物薄膜電阻和金屬薄膜電阻之間有所區別。在金屬膜電阻中，使用鎳鉻等金屬薄膜來塗覆電阻器，而在金屬氧化物電阻中，使用氧化錫等金屬氧化物薄膜來塗覆電阻器。

金屬膜電阻具有低的電阻溫度係數，這意味著電阻受溫度的影響較小。

功率

使用電阻器時，如果電流增加，電阻器會散發一些熱量。如果該值超過某個臨界值，電阻器可能會損壞。為了避免這種情況，在一些較高值的電阻器上印有功率額定值。

功率是用瓦特表示的電功率。電功率是電能轉移的速率。

功率 P = VI = I²R

基礎電子學 - 電容器

電容器是一種無源元件，能夠以其極板之間的電位差的形式儲存能量。它抵抗電壓的突然變化。電荷以兩極板之間的電位差的形式儲存，根據電荷儲存的方向，形成正極和負極。

這兩極板之間存在一個非導電區域，稱為**電介質**。這種電介質可以是真空、空氣、雲母、紙張、陶瓷、鋁等。電容器的名稱由所使用的電介質決定。

符號和單位

電容的標準單位是法拉。通常，可用電容器的值將以微法拉、皮法拉和納法拉為單位。電容器的符號如下所示。（此處應插入圖片）

電容器的電容與其極板之間的距離成正比，與其極板的面積成反比。此外，材料的介電常數越高，電容就越高。**介電常數**描述的是在該介質中每單位電荷產生的電通量。下圖顯示了一些實際的電容器。（此處應插入圖片）

當兩個具有相同面積A和相同寬度的極板平行放置，相隔距離d，並且如果對極板施加一些能量，則該平行板電容器的電容可以表示為：

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

其中

C = 電容器的電容

$\varepsilon_{0}$ = 自由空間的介電常數

$\varepsilon_{r}$ = 電介質的介電常數

d = 極板之間的距離

A = 兩個導電極板的面積

施加一定電壓後，電荷會沉積在電容器的兩個平行極板上。這種電荷沉積緩慢發生，當電容器兩端的電壓等於施加的電壓時，充電停止，因為進入的電壓等於離開的電壓。

充電速率取決於電容的值。電容值越大，極板電壓變化速率越慢。

電容器的工作原理

電容器可以理解為一種兩端無源元件，它儲存電能。這種電能儲存在靜電場中。

最初，電容器兩極板上的負電荷和正電荷處於平衡狀態。電容器沒有充電或放電的趨勢。負電荷是由電子的積累形成的，而正電荷是由電子的耗盡形成的。由於這種情況在沒有任何外部電荷的情況下發生，因此這種狀態是**靜電**狀態。下圖顯示了帶有靜電荷的電容器。（此處應插入圖片）

根據交流電源正負週期的變化，電子的積累和耗盡可以理解為“電流流動”。這稱為**位移電流**。由於這是交流電，因此這種電流流動的方向不斷變化。

電容器的充電

當施加外部電壓時，電荷轉換為靜電荷。這種情況發生在電容器充電時。電源的正電位吸引電容器正極板上的電子，使其更正。而電源的負電位迫使電子進入電容器的負極板，使其更負。下圖對此進行了說明。（此處應插入圖片）

在這個充電過程中，電子透過直流電源移動，但不透過**電介質**（一種**絕緣體**）。當電容器開始充電時，這種位移很大，但隨著充電而減小。當電容器兩端的電壓等於電源電壓時，電容器停止充電。

讓我們看看當電容器開始充電時電介質會發生什麼。

電介質行為

隨著電荷沉積在電容器的極板上，會形成靜電場。該靜電場的強度取決於極板上的電荷量和電介質材料的介電常數。**介電常數**是衡量電介質在多大程度上允許靜電線透過它的指標。

電介質實際上是一種絕緣體。它在原子的最外層軌道上具有電子。讓我們觀察它們是如何受到影響的。當極板上沒有電荷時，電介質中的電子在圓形軌道上移動。如下圖所示。（此處應插入圖片）

當發生電荷沉積時，電子傾向於向帶正電的極板移動，但它們仍然保持旋轉，如下圖所示。（此處應插入圖片）

如果電荷進一步增加，軌道將進一步擴充套件。但如果它仍然增加，則電介質會**擊穿**，使電容器短路。現在，電容器已充滿電，準備放電。如果我們提供一條路徑讓它們從負極板移動到正極板就足夠了。電子在沒有外部電源的情況下流動，因為一側的電子數量過多，而另一側幾乎沒有電子。這種不平衡透過電容器的**放電**來調整。

此外，當找到放電路徑時，電介質材料中的原子傾向於回到其正常的**圓形軌道**，因此迫使電子放電。這種放電使電容器能夠在短時間內提供高電流，就像在相機閃光燈中一樣。

顏色編碼

要了解電容器的值，通常如下標記：

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

有時標記類似於 100K，這意味著 k = 1000pF。則值為 100 × 1000pF = 100nF。

雖然現在使用這些數字標記，但很久以前就開發了一種國際顏色編碼方案來了解電容器的值。顏色編碼指示如下所示。

色帶顏色	數字 A 和 B	乘數	容差 (t) > 10pf	容差 (t) < 10pf	溫度係數
黑色	0	× 1	±20%	±2.0pF
棕色	1	× 10	±1%	±0.1pF	-33 × 10^-6
紅色	2	× 100	±2%	±0.25pF	-75 × 10^-6
橙色	3	× 1,000	±3%		-150 × 10^-6
黃色	4	× 10,000	±4%		-220 × 10^-6
綠色	5	× 100,000	±5%	±0.5pF	-330 × 10^-6
藍色	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%
銀色		× 0.01	±10%

這些指示用於識別電容器的值。

在這些五條帶電容器中，前兩條帶代表數字，第三條帶表示乘數，第四條帶表示容差，第五條帶表示電壓。讓我們看一個例子來了解顏色編碼過程。

**示例 1** - 確定顏色程式碼為黃色、紫色、橙色、白色和紅色的電容器的值。

**解決方案** - 黃色的值為 4，紫色的值為 7，橙色的值為 3，表示乘數。白色是 ±10，是容差值。紅色表示電壓。但要了解電壓額定值，我們還有另一個表格，必須從中知道該電容器所屬的特定帶。

因此，電容器的值為 47nF，10% 250v（V 帶的電壓）

下表顯示了根據電容器所屬的帶來確定電壓的方式。（此處應插入表格）

色帶顏色	電壓額定值 (V)
	J 型	K 型	L 型	M 型	N 型
黑色	4	100		10	10
棕色	6	200	100	1.6
紅色	10	300	250	4	35
橙色	15	400		40
黃色	20	500	400	6.3	6
綠色	25	600		16	15
藍色	35	700	630		20
紫色	50	800
灰色		900		25	25
白色	3	1000		2.5	3
金色		2000
銀色

藉助此表，可以根據給定的顏色知道每個電容器帶的電壓額定值。電壓額定值的型別也指示電容器的型別。例如，J 型的是浸漬鉭電容器，K 型的是雲母電容器，L 型的是聚苯乙烯電容器，M 型的是電解帶 4 電容器，N 型的是電解帶 3 電容器。如今，顏色編碼已被簡單的電容器值列印所取代，如前所述。

容抗

這是一個重要的術語。容抗是電容器對交流電流或簡稱為交流電流的阻抗。電容器抵抗電流變化，因此它表現出一定的阻抗，這可以稱為**容抗**，因為輸入電流的頻率也應與它提供的電阻一起考慮。

符號：X_C

在純電容電路中，電流I_C超前於外加電壓90°

電容的溫度係數

電容在指定溫度範圍內電容的最大變化可以透過電容的溫度係數來確定。它表明，當溫度超過某個點時，電容可能發生的電容變化被稱為電容的溫度係數。

所有電容通常都在25°C的參考溫度下製造。因此，電容的溫度係數是針對高於和低於此值的溫度而言的。

電容器的電路連線

在電路中，電容可以串聯或並聯連線。如果一組電容連線在電路中，則電容的連線型別與該網路中的電壓和電流值有關。

串聯電容

讓我們觀察一下，當幾個電容串聯連線時會發生什麼。讓我們考慮三個不同值的電容，如下圖所示。（此處應插入圖片）

電容

當考慮電容串聯網路的電容時，將所有電容的電容倒數相加，得到總電容的倒數。更清晰地解釋：

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

按照相同的公式，如果只有兩個電容串聯連線，則

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

其中，C₁是第一個電容兩端的電容，C₂是第二個電容兩端的電容，C₃是上述網路中第三個電容兩端的電容。

電壓

每個電容兩端的電壓取決於各個電容的值。這意味著

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

串聯電容電路的總電壓為：

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

其中，V_C1是第一個電容兩端的電壓，V_C2是第二個電容兩端的電壓，V_C3是上述網路中第三個電容兩端的電壓。

電流

流過一組串聯電容的總電流在所有點處都相同。因此，無論電容值如何，電容都會儲存相同的電荷量。

網路中的電流：

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

其中，I₁是流過第一個電容的電流，I₂是流過第二個電容的電流，I₃是上述網路中流過第三個電容的電流。

由於電流相同，電荷儲存量相同，因為電容的任何極板都從相鄰的電容獲得電荷，因此串聯電容具有相同的電荷。

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

並聯電容

讓我們觀察一下，當幾個電容並聯連線時會發生什麼。讓我們考慮三個不同值的電容，如下圖所示。（此處應插入圖片）

電容

電路的總電容等於網路中各個電容電容的總和。

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

其中，C₁是第一個電容兩端的電容，C₂是第二個電容兩端的電容，C₃是上述網路中第三個電容兩端的電容。

電壓

在電路末端測量的電壓與並聯電路中所有電容兩端的電壓相同。

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

其中，V_C1是第一個電容兩端的電壓，V_C2是第二個電容兩端的電壓，V_C3是上述網路中第三個電容兩端的電壓。

電流

流過的總電流等於流過並聯網路中每個電容的電流之和。

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

其中，I₁是流過第一個電容的電流，I₂是流過第二個電容的電流，I₃是上述網路中流過第三個電容的電流。

基礎電子學 - 可變電容

根據電容的功能、使用的介電材料、形狀等，存在許多型別的電容。主要的分類是根據固定電容和可變電容進行的。

電容型別

分類如下所示。（此處應插入圖片）

主要的分類如上所示。固定電容是在製造時其值就被固定的電容，而可變電容則允許我們改變電容的值。

可變電容器

讓我們瞭解一下可變電容，其值可以透過電氣或機械方式改變。可變電容通常由相互交錯的一組金屬板組成，其中一個固定，另一個可變。這些電容提供的電容值可以在10到500pF之間變化。

此處所示的聯動電容是兩個電容組合在一起。單個軸用於旋轉這些電容的可變端，它們組合在一起。虛線表示它們在內部連線。（此處應插入圖片）

這些可變電阻器有很多用途，例如用於無線電接收機的LC電路調諧、天線的阻抗匹配等。可變電容的主要型別是調諧電容和微調電容。

調諧電容

調諧電容是一種流行的可變電容。它們包含定子、轉子、用於支撐定子的框架和雲母電容。調諧電容的結構細節如下圖所示。（此處應插入圖片）

定子是靜止部分，轉子透過可移動軸的運動旋轉。當轉子板移動到定子的槽中時，它們靠近形成電容的極板。當轉子板完全位於定子的槽中時，電容值最大；當它們沒有完全位於槽中時，電容值最小。

上圖顯示了一個聯動調諧電容，它有兩個並聯的調諧電容。這就是調諧電容的工作原理。這些電容的電容值通常從幾皮法到幾十皮法不等。它們主要用於無線電接收機的LC電路中。它們也稱為調諧電容器。

微調電容

微調電容使用螺絲刀進行調節。微調電容通常固定在不需要更改電容值的地方，一旦固定就不需要更改。

微調電容有三條引線，一條連線到靜止極板，一條連線到旋轉極板，另一條是公共的。可動盤是半圓形的。微調電容看起來像下圖中的那些。（此處應插入圖片）

中間有一個介電材料，有兩個平行的導電極板。根據使用的介電材料，有空氣微調電容和陶瓷微調電容。微調電容的結構細節如下所示。（此處應插入圖片）

兩個極板中一個可動，另一個固定。介電材料是固定的。當可動極板移動時，可動極板與固定電極之間的面積相反，則電容可以改變。如果相反的面積變大，則電容將更高，因為兩個電極都充當電容的兩個極板。

微調電容易於安裝在印刷電路板 (PCB) 上，它們主要用於裝置的校準。

基礎電子學 - 固定電容器

在製造過程中其值是固定的，以後不能更改的電容稱為固定電容。固定電容的主要分類是極性和非極性。讓我們看看非極性電容。

非極性電容

這些電容沒有特定的極性，這意味著它們可以以任何方式連線到電路中，而無需考慮正負極的放置。這些電容也稱為非電解電容。

非極性電容的主要分類如下所示。（此處應插入圖片）

在各種型別的電容中，讓我們首先了解陶瓷電容。

陶瓷電容

固定型別中常用的電容是陶瓷電容。陶瓷電容是具有陶瓷材料作為介電材料的固定電容。

這些陶瓷電容根據其應用進一步分為1類和2類。例如，1類具有高穩定性，最適合諧振電路應用，而2類具有高效率，最適合耦合應用。

空心管狀或板狀陶瓷材料，如二氧化鈦和鈦酸鋇，在兩側塗覆銀化合物沉積物，使兩側都充當兩個電容極板，而陶瓷充當介電材料。引線從這兩個表面引出，整個元件封裝在防潮塗層中。

最常用的現代陶瓷電容是多層片式電容 (MLCC)。這些電容採用表面貼裝技術製造，由於其尺寸小巧而被廣泛使用。它們可用的範圍從1ηF到100µF。

薄膜電容

薄膜電容是指具有薄膜物質作為介電材料的電容。根據所用薄膜的型別，它們分為紙質和金屬薄膜電容。

這些薄膜電容既是紙介電電容，紙電容使用蠟紙，而金屬薄膜電容使用金屬化紙。排列方式幾乎相同，如下圖所示。（此處應插入圖片）

紙電容

紙電容使用紙作為介電材料。取兩張薄錫箔片，放在薄蠟紙或油紙之間。這種紙起介電作用。現在，紙正在被塑膠取代。

這些片材被夾在一起，捲成圓柱形，並封裝在塑膠外殼中。引線被引出。下圖顯示了一個紙電容的示例。（此處應插入圖片）

紙電容的容量範圍為0.001µF到2µF，電壓額定值高達2000伏。這些電容可用於高壓和高電流應用。

金屬薄膜電容

金屬薄膜電容是另一種薄膜電容。它們也稱為金屬箔電容或金屬化紙電容，因為這裡使用的介電材料是塗有金屬薄膜的紙。

與紙電容不同，在金屬薄膜電容中，鋁或鋅薄膜塗在紙上形成介電材料。這裡沒有在紙之間放置鋁片，而是直接塗覆紙張。這減小了電容的尺寸。

優選鋁塗層而不是鋅塗層，以避免由於化學還原而導致電容損壞。鋁塗層片材捲成圓柱形，並引出引線。整個元件用蠟或塑膠樹脂封裝以保護電容。這些電容可用於高壓和高電流應用。

其他電容

這些是雜項電容，以使用的介電材料命名。該組包括雲母電容、空氣電容、真空電容和玻璃電容等。

雲母電容

雲母電容器採用薄雲母片作為介電材料。與紙質電容器類似，薄金屬片夾在雲母片之間。最後，金屬片的各層在兩端連線，形成兩個引線。然後整個元件封裝在塑膠酚醛樹脂膠囊中。下圖顯示了雲母電容器的外觀。

雲母電容器的容量範圍為50pF至500pF。雲母電容器的工作電壓高達500伏。它們最常用於電子電路，例如紋波濾波器、諧振電路、耦合電路以及高功率、大電流射頻廣播發射機。

空氣電容器

空氣電容器是指以空氣為介電材料的電容器。最簡單的空氣電容器是由帶有空氣間隙的導電板組成的。這種結構與上面討論的可變調諧電容器完全相同。這些電容器可以是固定式和可變式的，但固定式很少使用，因為還有其他效能更好的電容器。

真空電容器

真空電容器使用高真空作為介電材料，而不是空氣或其他材料。它們也有固定式和可變式兩種。這些電容器的結構類似於真空管。它們大多呈玻璃圓筒狀，內部包含相互巢狀的同心圓柱體。

下圖顯示了一個可變真空電容器。

下圖顯示了固定式真空電容器的外觀：

可變真空電容器的容量範圍為12pF至5000pF，用於高壓應用，例如5kV至60kV。它們用於主要裝置，例如高功率廣播發射機、射頻放大器和大型天線調諧器。

玻璃電容器

玻璃電容器非常獨特，具有許多優點和應用。與上述所有型別一樣，這裡的玻璃是介電物質。除了玻璃介電材料外，這些電容器中還存在鋁電極。引線取出後進行塑膠封裝。引線可以是軸向引線或管狀引線。

玻璃電容器有許多優點，例如：

溫度係數低。
這些是無噪聲電容器。
它們產生高質量的低損耗輸出。
它們能夠承受較高的工作溫度。
這些電容器可以處理較大的射頻電流。

這些玻璃電容器有許多應用，例如：

用於需要處於高溫區域的電路。
用於需要高Q值的電路。
用於需要高功率處理的電路。
用於需要高容差的電路。

基礎電子學 - 極性電容器

極性電容器是指具有特定正負極性的電容器。在電路中使用這些電容器時，應始終注意將其連線到正確的極性。下圖顯示了極性電容器的分類。

讓我們從電解電容器開始討論。

電解電容器

電解電容器顧名思義，在其內部使用了電解質。它們是極性電容器，具有陽極（+）和陰極（-），具有特定的極性。

透過陽極氧化形成絕緣氧化層的金屬稱為陽極。覆蓋氧化層表面的固體或非固體電解質充當陰極。由於陽極表面積較大且介電氧化層較薄，電解電容器的電容-電壓 (CV) 值遠高於其他電容器。

鋁電解電容器

鋁電解電容器是電解電容器中最常見的型別。在這些電容器中，具有蝕刻表面的純鋁箔充當陽極。幾微米厚的薄金屬層充當擴散阻擋層，放置在兩種金屬之間以進行電隔離。因此，擴散阻擋層充當介電層。電解質充當陰極，覆蓋氧化層的粗糙表面。

下圖顯示了不同尺寸的鋁電解電容器。

根據電解質的不同，鋁電解電容器分為三種類型：

溼式鋁電解電容器（非固態）
二氧化錳鋁電解電容器（固態）
聚合物鋁電解電容器（固態）

這些鋁電解電容器的主要優點是，即使在電源頻率下，它們也具有低阻抗值，並且價格便宜。它們主要用於電源電路、開關電源 (SMPS) 和DC-DC 轉換器。

鉭電解電容器

這是另一種電解電容器，其陽極由鉭製成，在其上形成一層非常薄的絕緣氧化層。該層充當介電層，而電解質充當覆蓋氧化層表面的陰極。

下圖顯示了鉭電容器的外觀。

鉭提供高介電常數的介電層。鉭具有高體積電容和更輕的重量。但是，由於鉭經常缺貨，這些電容器比鋁電解電容器更昂貴。

鈮電解電容器

鈮電解電容器是另一種電解電容器，其中鈍化的鈮金屬或一氧化鈮被認為是陽極，並在陽極上新增絕緣的五氧化二鈮層，使其充當介電層。一層固體電解質位於氧化層表面，充當陰極。下圖顯示了鈮電容器的外觀。

鈮電容器通常作為SMD（表面貼裝器件）晶片電容器出售。它們易於安裝在PCB上。這些電容器應在正確的極性下工作。任何高於規定的反向電壓或紋波電流最終都會破壞介電層和電容器本身。

超級電容器

電容值遠高於其他電容器的高容量電化學電容器稱為超級電容器。它們可以歸類為介於電解電容器和可充電電池之間的一組電容器。它們也稱為超級電容。

這些電容器有很多優點，例如：

它們具有高電容值。
它們可以更快地儲存和釋放電荷。
它們可以承受更多的充放電迴圈。

這些電容器有許多應用，例如：

它們用於汽車、公共汽車、火車、電梯和起重機。
它們用於再生制動。
它們用於儲存器備份。

超級電容器的型別包括雙層、偽電容和混合型。

雙層電容器

雙層電容器是靜電電容器。這些電容器的電荷沉積是根據雙電層原理進行的。

所有固體物質在置於液體中時，其表面層都帶有負電荷。
這是由於液體的介電係數高。
所有正離子都靠近固體材料的表面形成一層薄膜。
隨著距離的增加，靠近固體材料的正離子沉積變得越來越鬆散。
由於陰離子和陽離子的沉積在此表面產生的電荷導致一定的電容值。

這種雙電層現象也稱為亥姆霍茲雙電層。下圖解釋了電容器充電和放電時雙電層現象的過程。

這些電容器簡稱為電雙層電容器 (EDLC)。它們使用碳電極來實現導電電極表面和電解質之間的電荷分離。碳充當介電層，另外兩個充當陽極和陰極。電荷分離比傳統電容器小得多。

偽電容器

這些電容器遵循電荷沉積的電化學過程。這也被稱為法拉第過程。當某種化學物質在電極上還原或氧化時，會產生電流。在此過程中，這些電容器透過電極和電解質之間的電子轉移來儲存電荷。這是偽電容器的工作原理。

它們的充電速度更快，並且儲存的電荷與電池一樣多。它們以更快的速度執行。它們與電池串聯使用以延長使用壽命。它們用於電網應用以處理功率波動。

混合電容器

混合電容器是EDLC和偽電容器的組合。在混合電容器中，活性炭用作陰極，預摻雜碳材料用作陽極。鋰離子電容器是這種型別的常見示例。下圖顯示了不同型別的混合電容器。

它們在-55°C至200°C的寬溫度範圍內具有高容差。混合電容器也用於航空應用。雖然成本較高，但這些電容器非常可靠且緊湊。它們堅固耐用，能夠承受環境中的極端衝擊、振動和壓力。混合電容器比任何電解電容器都具有更高的能量密度和更高的比功率。

基礎電子學 - 電感器

讓我向您介紹電子和電氣領域中的另一個重要元件——電感器。電感器是一種無源兩端元件，可以以磁場形式暫時儲存能量。它通常被稱為線圈。電感器的主要特性是它阻止任何電流變化。

電感器

根據法拉第電磁感應定律，當流過電感器的電流發生變化時，隨時間變化的磁場會在導體中感應出電壓。根據楞次定律，感應電動勢的方向與產生它的電流變化方向相反。因此，**感應電動勢與加線上圈上的電壓方向相反**。這是電感器的特性。

下圖顯示了電感器的外觀。

電感器可以阻擋直流訊號中存在的任何交流分量。電感器有時會繞在一個磁芯上，例如鐵氧體磁芯。如下圖所示。

下圖顯示了一個標註了各個部件的電感器。

符號

各種型別電感器的符號如下所示。

能量儲存

電磁學的基本特性之一是，當電流流過電感器時，會產生垂直於電流方向的磁場。這個磁場會不斷增強，並在某個點達到穩定狀態，這意味著之後電感不會繼續增強。當電流停止流動時，磁場會減弱。

這種磁能會轉化為電能。因此，能量暫時以磁場的形式儲存在這裡。

電感器的執行原理

根據電磁感應理論，任何在導體中變化的電流都會在其周圍產生一個垂直於電流的磁場。同樣，任何變化的磁場都會在該磁場中的導體中產生電流，而電流垂直於磁場。

現在，如果我們考慮一個由導電線圈組成的電感器，當電流透過電感器時，會產生垂直於電流的磁場。下圖顯示了一個帶有周圍磁場的電感器。

現在，我們這裡有一個變化的磁場，它會在導體中產生一些電流。但是這個電流的產生方式是阻止產生磁場的初始電流。

如果將這個電流命名為Im（表示由磁場產生的電流），磁場用β表示，下圖表示了這一點。

這個反向電流隨著變化的磁場而增強，而變化的磁場又透過輸入電源頻率獲得能量。因此，隨著輸入電流變得越來越高頻的交流電，產生的反向電流也會在與產生它的原因相反的方向上增強其強度。現在，這個反向電流試圖阻止高頻交流電透過電感器，這意味著“阻擋交流電”。

基礎電子學 - 電感

電感器由於電流變化而產生感應電壓的特性定義為電感。電感是電壓與電流變化率的比值。

電流變化率會引起磁場變化，從而在與電壓源相反的方向上感應出電動勢。這種感應電動勢的特性稱為**電感**。

電感的公式是

$$電感\:\:=\:\:\frac{電壓}{電流變化率}$$

單位 −

電感的單位是**亨利**。用**L**表示。
電感器大多以mH（毫亨）和μH（微亨）為單位。

當線圈中自感電動勢為**一伏特**，且流過線圈的電流變化率為**每秒一安培**時，該線圈的電感為**一亨利**。

自感

如果考慮一個有電流流過的線圈，它會產生垂直於電流方向的磁場。當這個電流不斷變化時，磁場也會發生變化，而這個變化的磁場會感應出一個與電源電壓方向相反的電動勢。產生的這種反向電動勢就是**自感電壓**，這種現象稱為**自感**。

圖中電流i_s表示電源電流，而i_ind表示感應電流。磁通量表示線圈周圍產生的磁通量。施加電壓後，電流i_s流動併產生磁通量。當電流i_s變化時，磁通量也會變化，從而產生i_ind。

線圈兩端的感應電動勢與電流變化率成正比。電流變化率越高，感應電動勢的值越高。

我們可以將上述方程寫成

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

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

其中，

E表示產生的電動勢
dI/dt表示電流變化率
L表示電感係數。

自感或自感係數可以表示為

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

實際方程寫為

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

上述方程中的負號表示根據楞次定律，**感應電動勢的方向與電源電壓方向相反**。

互感

由於載流線圈在其周圍產生磁場，如果將另一個線圈靠近這個線圈，使其處於第一個線圈的磁通量區域內，那麼變化的磁通量就會在第二個線圈中感應出電動勢。如果第一個線圈稱為**初級線圈**，則第二個線圈可以稱為**次級線圈**。

當由於初級線圈變化的磁場而在次級線圈中感應出電動勢時，這種現象稱為**互感**。

圖中電流i_s表示電源電流，而i_ind表示感應電流。磁通量表示線圈周圍產生的磁通量。這也會傳播到次級線圈。

施加電壓後，電流i_s流動併產生磁通量。當電流i_s變化時，磁通量也會變化，由於互感特性，在次級線圈中產生i_ind。

變化過程如下：

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

其中，

V_p i_p分別表示初級線圈的電壓和電流
B表示磁通量
V_s i_s分別表示次級線圈的電壓和電流

兩個電路的互感M描述了次級線圈中由初級線圈電流變化引起的電壓量。

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

其中$\frac{\Delta I}{\Delta t}$是電流隨時間的變化率，M是互感係數。負號表示電流方向與電源方向相反。

單位 −

互感的單位是

$$伏特\:\:=\:\:M\frac{安培}{秒}$$

（根據上述方程）

$$M\:\:=\:\:\frac{伏特\cdot秒}{安培}$$

$$=\:\:亨利(H)$$

根據初級和次級線圈的匝數不同，磁通量耦合和感應電動勢的大小也會變化。初級線圈的匝數用N1表示，次級線圈的匝數用N2表示。耦合係數是指定兩個線圈互感的術語。

影響電感的因素

有一些因素會影響電感器的效能。下面討論主要因素。

線圈長度

電感線圈的長度與線圈的電感成反比。如果線圈長度較長，則該電感器提供的電感較小，反之亦然。

線圈橫截面積

線圈的橫截面積與線圈的電感成正比。線圈面積越大，電感就越大。

匝數

線圈的匝數直接影響電感。電感值與線圈匝數的平方成正比。因此，匝數越高，線圈的電感值就越大。

磁芯的磁導率

電感器磁芯材料的**磁導率(μ)**表示磁芯對其自身內部磁場形成的支援程度。磁芯材料的**磁導率越高**，電感就**越高**。

耦合係數

這是計算兩個線圈互感的一個重要因素。讓我們考慮兩個分別具有N1和N2匝的附近線圈。

第一個線圈i₁中的電流產生一些磁通量Ψ₁。磁通鏈數用韋伯-匝數表示。

設由於i₁的單位電流而與第二個線圈相連的磁通量為

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

這可以理解為互感係數，這意味著

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

因此，兩個線圈或電路之間的互感係數可以理解為一個線圈中由於另一個線圈中1A電流而產生的韋伯-匝數。

如果第一個線圈的自感為L₁，則

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

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

類似地，由於第二個線圈中的電流i₂引起的互感係數為

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

如果第二個線圈的自感為L₂

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

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

因此，

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

將1和2相乘，我們得到

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

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

上述方程在初級線圈的整個變化磁通與次級線圈完全連線時成立，這是一個理想情況。但在實踐中並非如此。因此，我們可以寫成

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

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

其中K稱為耦合係數。

耦合係數K可以定義為實際互感係數與理想（最大）互感係數之比。

如果k值接近於1，則稱線圈為緊密耦合；如果k=0，則稱線圈為鬆散耦合。

電感的應用

電感器有很多應用，例如：

電感器用於濾波器電路中，以檢測高頻分量並抑制噪聲訊號。
隔離電路，防止不必要的射頻訊號干擾。
電感器用於電路中構成變壓器，並隔離電路中的尖峰電壓。
電感器也用於電機中。

電感器的電路連線

電感器連線到電路中時，連線方式可以是串聯或並聯。現在讓我們瞭解一下，當它們串聯或並聯連線時，總電流、電壓和電阻值會發生什麼變化。

串聯電感器

讓我們觀察一下，當幾個電感器串聯連線時會發生什麼。讓我們考慮三個不同值的電感器，如下圖所示。

電感

具有串聯電感的電路的總電感等於各個電感的電感之和。上面網路的總電感值為

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

其中，L₁是第一個電感的電感值，L₂是第二個電感的電感值，L₃是第三個電感的電感值。

電壓

出現在串聯電感網路兩端的總電壓是每個電感電壓降的總和。

出現在電路兩端的總電壓

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

其中，V₁是第一個電感上的電壓降，V₂是第二個電感上的電壓降，V₃是第三個電感上的電壓降。

電流

流過一組串聯電感的總電流在整個網路中的所有點都是相同的。

網路中的電流

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

其中，I₁是流過第一個電感的電流，I₂是流過第二個電感的電流，I₃是流過第三個電感的電流。

並聯電感器

讓我們觀察一下，當幾個電阻並聯連線時會發生什麼。讓我們考慮三個阻值不同的電阻，如下圖所示。

電感

具有並聯電感的電路的總電感計算方法與串聯電感網路方法不同。這裡，將各個電感的倒數 (1/L) 相加，然後取代數和的倒數來得到總電感值。

網路的總電感值為

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

其中，L₁是第一個電感的電感值，L₂是第二個電感的電感值，L₃是第三個電感的電感值。

根據我們計算並聯電感的方法，我們可以推匯出一個簡單的雙電感並聯網路公式。

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

電壓

出現在並聯電感網路兩端的總電壓與每個電感的電壓降相同。

出現在電路兩端的電壓

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

其中，V₁是第一個電感上的電壓降，V₂是第二個電感上的電壓降，V₃是第三個電感上的電壓降。因此，電壓在並聯電感網路的所有點都是相同的。

電流

進入並聯電感網路的總電流是所有並聯支路中流動的各個電流之和。每個支路的電感值決定了流過它的電流值。

網路中的總電流為

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

其中，I₁是流過第一個電感的電流，I₂是流過第二個電感的電流，I₃是流過第三個電感的電流。

因此，不同支路中各個電流之和得到並聯網路中的總電流。

感抗

感抗是電感器對交流電（簡稱交流電）電流的阻礙。電感器具有阻礙電流變化的特性，因此它表現出一定的阻礙，可以稱為**感抗**，因為輸入電流的頻率也應與它提供的電阻一起考慮。

表示符號 − **XL**
單位 - 歐姆
符號 - Ω

在純電感電路中，電流 **I_L 滯後**於外加電壓 90°。感抗的計算公式為：

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

其中 f 是訊號的頻率。因此，感抗是頻率和電感的函式。

基礎電子學 - 電感器的型別

電感器有不同的形狀和用途。它們的大小取決於用於製造它們的材料。主要的分類是固定電感器和可變電感器。一些亨利的電感器可能像一個簡單的電阻一樣大小，呈啞鈴狀。固定電感器在顏色編碼中總是以銀色作為第一個顏色。

電感器的核心是它的核心部分。根據所使用的核心材料，電感器有很多型別。讓我們來看其中幾種。

空芯電感器

常見的電感器，只有一個簡單的繞組，就是這種空芯電感器。它除了**空氣作為核心**材料外，別無其他。塑膠和陶瓷等非磁性材料也用作芯材，它們也屬於空芯電感器。下圖顯示了各種空芯電感器。

這些電感器在具有非常高磁場強度的應用中提供最小的訊號損耗。此外，由於沒有固態芯材，因此不存在鐵損。

鐵芯電感器

這些電感器使用鐵氧體或鐵等鐵磁材料作為芯材。使用這種芯材有助於增加電感，因為它們的磁導率很高。**磁導率**衡量的是材料內部支援磁場形成的能力。下圖顯示了鐵芯電感器的外觀：

像這樣的具有鐵磁芯材的電感器，在高頻下會遭受鐵損和能量損耗。這些電感器用於製造某些型別的變壓器。

環形電感器

這些電感器具有磁性材料作為芯材，線圈繞在上面。它們呈圓環狀，如下圖所示。

這種型別電感器的主要優點是，由於其圓形形狀，在電感器的整個形狀中實現了對稱性，從而使磁通中的損耗最小。這些電感器主要用於交流電路應用。

疊層鐵芯電感器

這些電感器使用疊層薄鋼片作為芯材。通常對於電感器，如果增加電流的環路面積，能量損耗會更大。然而，在這些疊層鐵芯電感器中，疊層薄鋼片有助於阻止渦流，從而最大限度地減少環路作用。

下圖顯示了疊層鐵芯電感器的影像。

這些電感器的主要優點是透過其結構最小化能量損失。這些疊層鐵芯電感器主要用於製造變壓器。

鐵粉芯電感器

顧名思義，這些電感器的芯材是具有氣隙的磁性材料。但是這種結構使鐵芯具有與其他型別相比能夠儲存更高水平能量的優勢。下圖顯示了鐵粉芯電感器的影像。

這些電感器提供非常低的渦流損耗和磁滯損耗。它們價格最低，並且具有非常好的電感穩定性。

基礎電子學 - 射頻電感器

射頻電感器是用於**高諧振頻率**的**射頻**電感器。它們可以是多層線圈電感器、薄膜塗層陶瓷電感器或一些繞線陶瓷電感器。下圖顯示了一些射頻電感器。

這些電感器的特點是**低電流額定值**和**高電阻**。但是由於這裡使用了高頻，導線電阻會增加。此外，由於這些高諧振射頻，還有一些影響會顯現出來。讓我們來看一下。

趨膚效應

在高頻下，交流電有在導體中不均勻分佈電流的趨勢。與導體中心相比，電流在導體表面流動的更多。它的能量集中在導體的**表面**，而導體的深層核心則被忽略，如下圖所示。

由於能量集中在導體的表面，這種效應稱為**趨膚效應**。實際上，這種趨膚效應是由交流電產生的變化磁場產生的渦流引起的。如今，為了減輕導體的重量和成本，承載更高頻率的導體被製成管狀。

鄰近效應

除了上述效應之外，還觀察到了另一種效應。鄰近效應是增加高頻下導線電阻的效應。鄰近一詞表示該效應將作用於**相鄰導線**。下圖顯示了電流在相鄰電纜邊緣的集中。

每一圈都有一些磁場，會在導線中感應出渦流，導致電流集中在相鄰導線的側面。由於這種效應，導線的有效橫截面積減小，其**電阻增加**。

寄生電容

通常，電感器內部包含一個串聯電阻（導線電阻）和一個並聯電容（寄生電容）。在電感器中，每一圈繞組的電位略有不同。下圖顯示了電感器中的電容效應。

每一圈中存在的兩個導體充當以空氣為介電質的電容極板。這裡存在一種稱為**寄生電容**的電容。為了在某些應用中避免這種情況，繞組彼此遠離。

隨著頻率的增加，寄生電容的阻抗減小，電感器的阻抗增加。因此，電感器趨向於表現得像電容。

介質損耗

流過電感器導體的電流使絕緣體的分子以熱的形式釋放能量。頻率越高，熱耗散越大。

扼流圈

電感器也稱為扼流圈。電感器阻擋交流分量，並允許直流分量透過。因此，因為它阻塞或停止交流電，所以電感器可以簡單地稱為**扼流圈**。

通常將絕緣導線的線圈繞在磁芯上以形成扼流圈。隨著訊號頻率的增加，扼流圈的阻抗增加。由於其感抗，它可以限制流過它的交流電量。儘管如此，由於其低電阻，實際上仍然有少量交流電流過它。它們主要用於電子應用中的日光燈和變壓器中。

基礎電子學 - 變壓器

根據**電磁感應**原理，我們已經瞭解到，變化的磁通量可以線上圈中感應電動勢。根據**互感**原理，當另一個線圈靠近這樣的線圈時，磁通量會在第二個線圈中感應電動勢。

現在，具有變化磁通量的線圈稱為**初級線圈**，感應電動勢的線圈稱為**次級線圈**，而這兩個線圈一起構成一個稱為**變壓器**的單元。

變壓器

變壓器有一個輸入線圈（初級線圈）和一個輸出線圈（次級線圈），這兩個線圈都繞在一個鐵芯材料上。通常，變壓器的鐵芯由絕緣材料構成。

下圖顯示了一個實際的變壓器。

從上圖可以看出，一些符號是通用的。讓我們記下它們：

N_p = 初級繞組的匝數
N_s = 次級繞組的匝數
I_p = 流過變壓器初級的電流
I_s = 流過變壓器次級的電流
V_p = 變壓器初級的電壓
V_s = 變壓器次級的電壓
Φ = 變壓器鐵芯周圍的磁通量。

電路中的變壓器

下圖顯示了變壓器在電路中的表示方法。該圖也顯示了變壓器的初級繞組、次級繞組和鐵芯。

因此，當變壓器連線到電路中時，輸入電源連線到初級線圈，使其產生變化的磁通量，該磁通量感應到變壓器的次級線圈，產生變化磁通量的變化電動勢。由於磁通量必須變化才能將電動勢從初級傳輸到次級，因此變壓器始終工作在交流電（AC）下。

升壓和降壓

根據次級繞組的匝數，變壓器可以被稱為升壓或降壓變壓器。

這裡需要注意的主要一點是，變壓器的初級和次級功率沒有差異。因此，如果次級電壓高，則汲取的電流低以保持功率穩定。同樣，如果次級電壓低，則汲取的電流高，以使功率與初級側相同。

升壓

當次級繞組的匝數多於初級繞組時，該變壓器稱為升壓變壓器。這裡感應電動勢大於輸入訊號。

降壓

當次級繞組的匝數少於初級繞組時，該變壓器稱為降壓變壓器。這裡感應電動勢小於輸入訊號。

匝數比

由於初級和次級繞組的匝數影響電壓額定值，因此保持匝數之間的比率非常重要，以便了解感應電壓。

初級線圈匝數與次級線圈匝數的比率稱為“匝數比”或“變比”。匝數比通常用N表示。

$$N\:\:=\:\:匝數比\:\:=\:\:\frac{初級線圈匝數}{次級線圈匝數}\:\:=\:\:\frac{N_{p}}{N_{s}}$$

初級與次級的比率、輸入與輸出的比率以及任何給定變壓器的匝數比與其電壓比相同。因此，這可以寫成

$$\frac{N_{p}}{N_{s}}\:\:=\:\:\frac{V_{p}}{V_{s}}\:\:=\:\:N\:\:=\:\:匝數比$$

匝數比也表明變壓器是升壓還是降壓變壓器。例如，匝數比為 1:3 表示變壓器為升壓變壓器，比率 3:1 表示它是降壓變壓器。

基礎電子學 - 變壓器的型別

關於變壓器的分類，根據使用的鐵芯、繞組、使用場所和型別以及電壓等級等，有很多型別。

單相和三相變壓器

根據使用的電源，變壓器主要分為單相和三相變壓器。

普通的變壓器是單相變壓器。它具有初級和次級繞組，用於降低或升高次級電壓。
對於三相變壓器，三個初級繞組連線在一起，三個次級繞組也連線在一起。

為了獲得良好的效率，一個三相變壓器優於三個單相變壓器，它佔用空間小，成本低。但由於大型裝置的運輸問題，大多數情況下使用單相變壓器。

這些變壓器的另一種分類是核心式和殼式。

在殼式中，繞組位於單個磁腿上，周圍環繞著鐵芯。
在核心式中，它們繞在不同的磁腿上。

透過檢視下圖，可以很好地區分兩者。

變壓器的分類也可以根據使用的鐵芯材料型別進行。這些實際上是射頻變壓器，其中包含許多型別，例如空芯變壓器、鐵氧體芯變壓器、傳輸線變壓器和巴倫變壓器。巴倫變壓器用於射頻接收系統。主要型別為空芯和鐵芯變壓器。

空芯變壓器

這是一種核心式變壓器，其中繞組繞在一個非磁性條帶上。磁通量鏈路是透過初級和次級之間的空氣作為鐵芯實現的。下圖顯示了一個空芯變壓器。

優點

這些空芯變壓器的磁滯損耗和渦流損耗低。
噪音小。

缺點

空芯變壓器的磁阻高。
與鐵芯變壓器相比，空芯變壓器的互感低。

應用

音訊變壓器。
高頻無線電傳輸。

鐵芯變壓器

這是一種核心式變壓器，其中繞組繞在一個鐵芯上。使用鐵作為鐵芯材料，使磁通量鏈路強勁而完美。這在實驗室中很常見。下圖顯示了一個鐵芯變壓器的示例。

優點

它們具有非常高的磁導率。
鐵芯變壓器的磁阻低。
互感高。
這些變壓器的效率很高。

缺點

與空芯變壓器相比，這些變壓器有點噪音。
磁滯損耗和渦流損耗比空芯變壓器略高。

應用

作為隔離變壓器。
高頻無線電傳輸。

變壓器也根據它們使用的鐵芯型別進行分類。一些變壓器使用浸在油中的鐵芯。這種油透過各種方法從外部冷卻。這種變壓器稱為溼式鐵芯變壓器，而其他變壓器，如鐵氧體芯變壓器、疊片鐵芯變壓器、環形鐵芯變壓器和澆注樹脂變壓器則稱為乾式鐵芯變壓器。

基於繞組技術型別，我們還有另一種非常流行的變壓器，稱為自耦變壓器。

自耦變壓器

這是一種變壓器，在我們的電力實驗室中經常看到。這種自耦變壓器是原始變壓器的改進版本。採用單繞組，兩端都連線到電源和地。透過移動另一個可變抽頭來形成變壓器的次級繞組。

下圖顯示了自耦變壓器的電路圖。

如上圖所示，單個繞組在變壓器中同時提供初級和次級。繪製次級繞組的各種抽頭以選擇次級側的不同電壓等級。

如上所示，初級繞組是從 A 到 C，次級繞組是從 B 到 C，而可變臂 B 可變化以獲得所需的電壓等級。實際的自耦變壓器如下圖所示。

透過旋轉上面的軸，次級電壓調整到不同的電壓等級。如果加在 A 和 C 兩點之間的電壓為 V1，則該繞組每匝的電壓為

$$每匝電壓\:\:=\:\:\frac{V_{1}}{N_{1}}$$

現在，B 和 C 兩點之間的電壓將為

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

$$\frac{V_{2}}{V_{1}}\:\:=\:\:\frac{N_{2}}{N_{1}}\:\:=\:\:常數\:(設為\:K)$$

這個常數就是自耦變壓器的匝數比或電壓比。

基於用途的變壓器

有些變壓器根據其應用進行分類。許多這些變壓器體積龐大。它們大多由電力部門使用。

電力變壓器

電力變壓器用於大功率傳輸應用的升壓和降壓應用，其工作電壓通常超過 33KV，額定功率通常高於 200MVA。它們的磁通密度要高得多。

所有用於功率控制應用的變壓器，如疊片鐵芯變壓器、環形變壓器、可變自耦變壓器、多相變壓器、漏磁變壓器都屬於此類。

這些變壓器的尺寸通常很大，這取決於其功率處理能力和應用。這些變壓器有單相或三相型別。由於這些變壓器體積龐大，因此它們被放置在大型開放區域中。這些變壓器在滿載應用中往往能提供 100% 的效率。

優點

它們具有很高的絕緣等級。
噪音低。
它們效率很高。
高壓額定值，用於處理高功率應用。

應用

它們用於發電系統。
它們用於輸電變電站。

測量變壓器

測量變壓器用於測量高電壓和高電流。這些對於將電路與它們隔離非常有用。通常，變壓器的初級連線到高電壓和高電流的輸入，而變壓器的次級連線到某些需要提供一定隔離的繼電器或電路。

這些主要有兩種型別：電流變壓器和電壓變壓器。讓我們看看每種型別。

電流變壓器

電流變壓器在次級電路中提供與初級電路中的電流成比例的電流。這些用於保護繼電器和測量目的。

將單匝初級繞組穿過一個絕緣良好的環形鐵芯變壓器，該變壓器繞有多匝線圈，構成電流變壓器。它始終串聯連線。

次級繞組可以設計成提供單一輸出，也可以有多個抽頭以提供不同的電壓值。必須注意的是，在原邊電流流過時，次級繞組應連線到低阻抗負載。這是為了避免次級開路時突然出現高電壓，以免永久性地損壞變壓器的精度。

電壓互感器

電壓互感器在次級電路中提供的電壓與原邊電路中的電壓成比例。這些變壓器也稱為電勢變壓器。它們並聯連線到電路中。

此變壓器的原邊可以採用相間連線，但次邊將有一端接地。下圖顯示了電壓互感器的影像。

電壓互感器主要有三種類型：

電磁式 - 使用具有良好磁通耦合的線圈繞組變壓器。
電容式 - 使用具有分壓網路的電容器。
光學式 - 利用光學材料的電學特性。

電壓互感器用於保護繼電器和測量目的，也用於相量相移隔離。

保護變壓器

這些變壓器的精度高於測量變壓器，因為它們僅用於保護電路免受高電壓和電流的影響。這些變壓器的原邊連線高輸入，而變壓器的次邊使電路或繼電器與可能損壞電路的突然尖峰或浪湧隔離。

配電變壓器

配電變壓器用於在終端使用者級別分配電能。工業用途的工作電壓約為 33KV，家用用途為 440v-220v。它們的額定容量通常低於 200MVA。

電力分配中使用的大型三相自耦變壓器和油冷式變壓器也屬於此類。下圖顯示了配電變壓器的影像。

這些變壓器的尺寸通常比電力變壓器小。這些變壓器放置在戶外，但不像電力變壓器那樣滿負荷執行。

優點

體積小巧。
安裝方便。
磁損耗低。

缺點

效率低。
未滿負荷執行。

應用

用於向住宅、農場、土地、鐵路、風電場等各個地區分配電力。

基礎電子學 - 變壓器效率

當變壓器的原邊感應出某些電壓時，由於互感，原邊產生的磁通量會感應到次邊，從而在次邊產生一些電壓。隨著電流從零上升到最大值，該磁場的強度也會增強，其表示式為$\mathbf{\frac{d\varphi}{dt}}$。

磁力線穿過次級繞組。次級繞組的匝數決定了感應電壓。因此，感應電壓的大小將由以下決定：

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

其中 N = 次級繞組的匝數

該感應電壓的頻率與原邊電壓的頻率相同。如果磁損耗高，則輸出電壓的峰值幅度將受到影響。

感應電動勢

讓我們嘗試在感應電動勢和線圈匝數之間建立一些關係。

現在假設原邊和次邊線圈各只有一匝。如果在原邊的一匝上施加一伏特電壓，且無損耗（理想情況），則電流流和產生的磁場會在次邊感應出相同的一伏特電壓。因此，兩側的電壓相同。

但磁通量是正弦變化的，這意味著：

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

那麼感應電動勢和 N 匝線圈之間的基本關係是：

$$EMF\:=\:匝數\:\:\times\:\:變化率$$

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

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

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

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

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

其中

f = 磁通頻率（赫茲）= $\frac{\omega}{2\pi}$

N = 線圈繞組數

∅ = 磁通密度（韋伯）

這稱為變壓器電動勢方程。

由於交流磁通在次級線圈中產生電流，而該交流磁通是由交流電壓產生的，因此可以說只有交流電 AC 才能使變壓器工作。因此，變壓器不適用於直流電 DC。

變壓器損耗

任何裝置在實際應用中都會有一些損耗。變壓器中產生的主要損耗包括銅損、鐵損和磁通洩漏。

銅損

銅損是由於電流流經變壓器繞組而產生的熱量導致的能量損失。這些損耗也稱為“I²R 損耗”或“I 平方 R 損耗”，因為每秒損失的能量隨繞組中電流的平方而增加，並且與繞組的電阻成正比。

可以用以下公式表示：

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

其中

I_P = 原邊電流
R_P = 原邊電阻
I_S = 次邊電流
R_S = 次邊電阻

鐵損

鐵損也稱為鐵損。這些損耗取決於所使用的鐵芯材料。它們分為兩種型別，即磁滯損耗和渦流損耗。

磁滯損耗 - 以磁通形式感應的交流電不斷波動（例如上升和下降）並根據感應的交流電壓反轉方向。由於這些隨機波動，鐵芯中會損失一些能量。這種損耗可以稱為磁滯損耗。
渦流損耗 - 在整個過程中，會在鐵芯中感應出一些電流，這些電流不斷迴圈。這些電流會產生一些稱為渦流損耗的損耗。實際上，變化的磁場應該只在次級繞組中感應電流。但它也會在附近的導電材料中感應電壓，從而導致能量損失。
磁通洩漏 - 儘管磁通耦合足夠強以產生所需的電壓，但在實際應用中仍會有一些磁通洩漏，從而導致能量損失。雖然這很低，但在高能應用中，這種損耗也是可計算的。

變壓器的功率

當考慮理想變壓器且無損耗時，變壓器的功率將保持恆定，因為電壓V乘以電流I的乘積是恆定的。

可以說原邊功率等於次邊功率，因為變壓器負責這一點。如果變壓器升壓，則電流減小；如果變壓器降壓，則電流增加，以保持輸出功率恆定。

因此，原邊功率等於次邊功率。

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

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

其中∅_P = 原邊相角，∅_S = 次邊相角。

變壓器的效率

變壓器中功率損耗的數量或強度決定了變壓器的效率。效率可以用變壓器原邊和次邊之間的功率損耗來理解。

因此，次級繞組的功率輸出與原級繞組的功率輸入之比可以表示為變壓器的效率。這可以寫成：

$$Efficiency\:=\:\frac{功率輸出}{功率輸入}\:\times\:100 \%$$

效率通常用η表示。上述公式適用於理想變壓器，其中沒有損耗，輸入的全部能量都轉移到輸出。

因此，如果考慮損耗並在實際條件下計算效率，則應考慮以下公式：

$$Efficiency\:=\:\frac{功率輸出}{功率輸出\:+\:銅損\:+\:鐵損}\:\times\:100 \%$$

或者，也可以寫成：

$$Efficiency\:=\:\frac{功率輸入\:-\:損耗}{功率輸入}\:\times\:100$$

$$1\:-\:\frac{損耗}{輸入功率}\:\times\:100$$

需要注意的是，輸入、輸出和損耗都以功率表示，即以瓦特為單位。

示例

考慮一個輸入功率為 12KW 的變壓器，其額定電流為 62.5 安培，等效電阻為 0.425 歐姆。計算變壓器的效率。

解：

已知資料

輸入功率 = 12KW
額定電流 = 62.5 安培
等效電阻 = 0.425 歐姆

計算損耗：

額定電流下的銅損為 I²R = (62.5)² (0.425) = 1660W

我們有

$$Efficiency\:=\:\frac{功率輸入\:-\:損耗}{功率輸入}\:\times\:100$$

因此：

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

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

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

因此，變壓器的效率為 86%。

基礎電子學 - 二極體

在瞭解了各種元件之後，讓我們關注電子領域中的另一個重要元件，即二極體。半導體二極體是一種具有 PN 結的兩端電子元件。這也被稱為整流器。

二極體的陽極，即正極，用A表示；陰極，即負極，用K表示。為了瞭解實際二極體的陽極和陰極，在二極體上畫一條細線表示陰極，另一端表示陽極。

正如我們已經討論過 P 型和 N 型半導體及其載流子的行為一樣，現在讓我們嘗試將這些材料連線在一起，看看會發生什麼。

二極體的形成

如果將 P 型和 N 型材料彼此靠近，它們都會連線形成一個結，如下圖所示。

P 型材料具有空穴作為多數載流子，N 型材料具有電子作為多數載流子。由於異性電荷相吸，P 型中的一些空穴傾向於移動到 N 側，而 N 型中的一些電子傾向於移動到 P 側。

當它們都向結移動時，空穴和電子相互複合以中和並形成離子。現在，在這個結處，存在一個區域，其中形成正離子和負離子，稱為 PN 結或結勢壘，如下圖所示。

在 P 側形成負離子，在 N 側形成正離子，導致在 PN 結兩側形成一個狹窄的帶電區域。該區域現在沒有可移動的電荷載流子。這裡存在的離子是靜止的，並在它們之間保持一個沒有電荷載流子的空間區域。

由於該區域充當 P 型和 N 型材料之間的障礙，因此也稱為勢壘結。它還有另一個名稱，稱為耗盡區，意思是它會耗盡這兩個區域。由於離子的形成，在結處會產生一個電位差 VD，稱為勢壘電位，因為它阻止了空穴和電子透過結的進一步移動。

二極體的偏置

當二極體或任何兩端元件連線到電路中時，它在給定的電源下具有兩種偏置狀態。它們是正向偏置狀態和反向偏置狀態。讓我們詳細瞭解它們。

正向偏置狀態

當二極體連線到電路中時，其陽極連線到電源的正極，陰極連線到電源的負極，則這種連線稱為正向偏置狀態。這種連線使電路越來越正向偏置，並有助於更多的導電。二極體在正向偏置狀態下導電良好。

反向偏置狀態

當二極體以陽極接負極，陰極接正極的方式連線到電路中時，這種連線方式被稱為反向偏置狀態。這種連線方式會使電路越來越反向偏置，有助於最小化並防止導通。二極體在反向偏置狀態下不會導通。

現在讓我們嘗試瞭解如果二極體連線在正向偏置和反向偏置狀態下會發生什麼。

正向偏置工作原理

當施加外部電壓於二極管，使其抵消勢壘並允許電流流動時，這被稱為正向偏置。當陽極和陰極分別連線到正極和負極時，P型中的空穴和N型中的電子傾向於穿過結點，打破勢壘。電流會自由流動，幾乎消除了勢壘。

在正極對空穴和負極對電子的排斥力作用下，結點處發生複合。電源電壓應足夠高，以迫使電子和空穴穿過勢壘並越過它以提供正向電流。

正向電流是在二極體正向偏置工作時產生的電流，用I_f表示。

反向偏置工作原理

當施加外部電壓於二極管，使其增加勢壘並限制電流流動時，這被稱為反向偏置。當陽極和陰極分別連線到負極和正極時，電子被吸引到正極，空穴被吸引到負極。因此，兩者都遠離勢壘，增加了結電阻，並防止任何電子穿過結點。

下圖對此進行了說明。還繪製了未施加電場和施加外部電場時的傳導圖。

隨著反向偏置的增加，結點只有少數少數載流子可以穿過結點。該電流通常可以忽略不計。在溫度恆定時，該反向電流幾乎恆定。但是，當該反向電壓進一步增加時，就會出現稱為反向擊穿的點，此時大量電流流過結點。這種高反向電流會損壞器件。

反向電流是在二極體反向偏置工作時產生的電流，用I_r表示。因此，二極體在反向偏置狀態下提供高阻抗路徑且不導通，而在正向偏置狀態下提供低阻抗路徑並導通。因此，我們可以得出結論，二極體是一種單向器件，在正向偏置時導通，在反向偏置時充當絕緣體。這種特性使其能夠作為整流器工作，將交流電轉換為直流電。

峰值反向電壓

峰值反向電壓簡稱為PIV。它表示反向偏置時施加的最大電壓。峰值反向電壓可以定義為“二極體在不被破壞的情況下能夠承受的最大反向電壓”。因此，在反向偏置狀態下考慮此電壓。它表示二極體如何在反向偏置狀態下安全工作。

二極體的用途

二極體用於阻止電流在一個方向（即正向方向）上的流動，並在反方向上阻止電流流動。二極體的這一原理使其能夠作為整流器工作。

為了使電路允許電流在一個方向上流動而在另一個方向上停止流動，整流二極體是最佳選擇。因此，輸出將是直流電，從而消除了交流電分量。使用二極體製造了半波和全波整流器等電路，這些電路可以在電子電路教程中學習。

二極體也用作開關。它有助於更快地開啟和關閉輸出，這應該以快速速率發生。

二極體的伏安特性

PN接面二極體的實際電路佈置如下圖所示。電流表串聯連線，電壓表並聯連線，電源透過可變電阻器控制。

在工作過程中，當二極體處於正向偏置狀態時，在某個特定電壓下，勢壘被消除。這種電壓被稱為截止電壓或膝蓋電壓。如果正向電壓超過限制，正向電流會呈指數上升，如果進一步這樣做，則器件會因過熱而損壞。

下圖顯示了二極體在正向和反向偏置狀態下的導通狀態。

在反向偏置期間，透過少數載流子產生的電流存在，稱為“反向電流”。隨著反向電壓的增加，該反向電流增加，並在某一點突然擊穿，導致結點永久損壞。

基礎電子學 - PN接面二極體

根據許多因素（如使用的頻率、工作方式和結構、應用等），存在許多型別的二極體。讓我們瞭解其中幾種。

結型二極體

結型二極體是普通的PN接面二極體，但結構不同。如下圖所示，有三種類型的結型二極體。

整流二極體

這些二極體是普通的PN接面二極體，它們只允許電流在一個方向上流過，而在另一個方向上停止。這些二極體用於整流電路中，將交流電轉換為直流電。

在上圖中，我們可以看到帶有金屬突起的相同整流二極體。這是新增到二極體中以最大限度地減少可能有時影響二極體的熱量分佈。這種金屬突起稱為散熱器。它們有助於提高二極體的效能，並且二極體能夠承受高功率，而不會受到影響。

有半波整流器和全波整流器等電路使用這些二極體。這些電路在電子電路教程中討論。這些整流電路用於許多電路的電源部分，在這些電路中，必須將交流輸入電流轉換為直流電流才能用於該電路應用。

齊納二極體

這是一種特殊的二極體，它不僅允許電流在正向方向流動，而且允許電流在反向方向流動。普通的二極體在反向偏置工作時，如果透過它的反向電流超過一定值，就會損壞。“一定值”稱為擊穿電壓。

齊納二極體的擊穿電壓非常低。但是，一旦超過此擊穿電壓，此二極體就會允許反向電流流過它。該擊穿電壓稱為齊納電壓。因此，當超過齊納電壓的反向電流流過齊納二極體時，會發生受控擊穿，不會損壞二極體。

齊納二極體在其反向偏置狀態下，表現出受控擊穿電壓，並且它允許電流流動，以使齊納二極體上的電壓值接近齊納擊穿電壓值。齊納擊穿電壓的值使得任何齊納二極體都可以選擇用於某些應用。

雪崩二極體是另一種具有與齊納二極體相似特性的二極體。當壓降恆定且與電流無關時，雪崩擊穿發生在整個PN接面上。該雪崩二極體用於光電檢測。

齊納二極體的伏安特性

齊納二極體的伏安特性在正向偏置工作時與任何二極體的伏安特性相同。但是，齊納二極體的反向偏置操作使其非常重要。讓我們看看圖表。

反向偏置操作中顯示彎曲的點是齊納擊穿電壓，之後二極體允許高反向電流流過它。該齊納電壓用V_Z表示。齊納二極體的這種令人難以置信的特性使其成為最可靠的二極體之一，並且也有許多應用。

齊納二極體的應用

該二極體有許多應用，例如：

它主要用作穩壓器。
在電晶體偏置電路中提供固定的參考電壓。
用於波形整形電路中的峰值削波或限制。
作為許多電路中的浪湧保護器。
用於防止儀表因意外應用而損壞。

開關二極體

這是一種普通的單PN接面二極體，專門設計用於開關用途。該二極體可以清楚地顯示高電阻和低電阻兩種狀態，可以交替使用。

該二極體的結電容做得非常低，以最大限度地減少其他影響。開關速度非常快。當二極體具有高電阻時，它就像一個開路開關，在低電阻期間它就像一個閉路開關。與任何普通二極體相比，開關二極體的這種轉換髮生得更快。

開關二極體的應用

這些有許多應用，例如：

用於高速整流電路
用於環形調製器
用於射頻接收器
用作反向極性保護器
用於通用和高速開關應用

基礎電子學 - 特種二極體

有一些二極體的設計是為了服務於一些特殊目的。有許多這樣的種類，例如瞬態電壓抑制二極體、摻金二極體、超勢壘二極體、點接觸二極體、珀爾帖二極體等。但除此之外，還有一些突出的二極體，它們有很多應用。讓我們來看看它們。

變容二極體

結型二極體的兩側都有兩個電勢，其中耗盡區可以充當電介質。因此存在電容。變容二極體是一種特殊情況下的二極體，它在反向偏置狀態下工作，其中結電容會發生變化。

變容二極體也稱為可變電容或電壓電容。下圖顯示了反向偏置連線的變容二極體。

如果施加的反向電壓增加，則電介質區域的寬度增加，這減小了結電容。當反向電壓減小時，電介質的寬度減小，這會增加電容。如果此反向電壓完全為零，則電容將達到其最大值。

下圖顯示了用於變容二極體的各種符號，這些符號表示其功能。

儘管所有二極體都具有此結電容，但變容二極體主要是為了利用這種效應並增加此結電容的變化而製造的。

變容二極體的應用

該二極體有許多應用，例如：

它用作電壓可變電容。
它用於可變LC諧振電路。
用作自動頻率控制。
用作頻率調製器。
用作射頻移相器。
用作本地振盪器電路中的倍頻器。

隧道二極體

如果普通PN接面的雜質濃度大幅提高，就會形成隧道二極體。它也稱為埃薩基二極體，以其發明者命名。

當二極體的雜質濃度增加時，耗盡區的寬度減小，對載流子施加額外的力使其穿過結。當這種濃度進一步增加時，由於耗盡區寬度減小和載流子能量增加，它們會穿透勢壘，而不是越過它。這種穿透可以理解為隧道效應，因此得名隧道二極體。

隧道二極體是低功率器件，應小心操作，因為它們很容易受熱和靜電的影響。隧道二極體具有特定的V-I特性，可以解釋其工作原理。讓我們看一下下面的圖表。

假設二極體處於正向偏置狀態。隨著正向電壓的增加，電流迅速增加，直到達到一個峰值點，稱為峰值電流，用I_P表示。此點的電壓稱為峰值電壓，用V_P表示。此點在上圖中用A表示。

如果電壓進一步超過V_P，則電流開始下降。它下降到一個點，稱為谷值電流，用I_V表示。此點的電壓稱為谷值電壓，用V_V表示。此點在上圖中用B表示。

如果電壓進一步增加，則電流像普通二極體一樣增加。對於較大的正向電壓值，電流將進一步增加。

如果我們認為二極體處於反向偏置狀態，則隨著反向電壓的增加，二極體充當優良的導體。這裡的二極體處於負阻區域。

隧道二極體的應用

隧道二極體有很多應用，例如：

用作高速開關器件
用作儲存器件
用於微波振盪器
用於弛豫振盪器

肖特基二極體

這是一種特殊的二極體，其中PN接面被金屬半導體結取代。普通PN接面二極體中的P型半導體被金屬取代，N型材料與金屬連線。這種組合在它們之間沒有耗盡區。下圖顯示了肖特基二極體及其符號。

這種肖特基二極體中使用的金屬可以是金、銀、鉑或鎢等。同樣，對於除矽以外的半導體材料，大多使用砷化鎵。

工作原理

當不施加電壓或電路無偏置時，N型材料中的電子能量水平低於金屬中的電子能量水平。如果二極體然後正向偏置，則N型中的這些電子獲得一些能量並以更高的能量移動。因此，這些電子被稱為熱載流子。

下圖顯示了一個連線在電路中的肖特基二極體。

優點

肖特基二極體有很多優點，例如：

它是單極型器件，因此不會產生反向電流。
其正向電阻低。
壓降非常低。
肖特基二極體的整流速度快且容易。
不存在耗盡區，因此沒有結電容。因此，二極體可以快速關閉。

應用

肖特基二極體有很多應用，例如：

用作檢測二極體
用作電力整流器
用於射頻混頻器電路
用於電力電路
用作鉗位二極體

基礎電子學 - 光電二極體

這些是由光操作的二極體。“光電”一詞意為光。有些型別的導電性取決於光強度，而其他型別的導電性則會發出光。每種型別都有其自身的應用。讓我們討論一下這些中最突出的型別。

有些二極體的導電性取決於照射在其上的光強度。此類別中主要有兩類二極體。它們是光電二極體和太陽能電池。

光電二極體

顧名思義，光電二極體是一種基於光的PN接面。光強度影響該二極體的導電水平。光電二極體具有P型材料和N型材料，兩者之間具有本徵材料或耗盡區。

該二極體通常在反向偏置條件下工作。當光聚焦在耗盡區時，會形成電子-空穴對，併發生電子流動。這種電子的導電性取決於聚焦光的強度。下圖顯示了一個實際的光電二極體。

下圖表示光電二極體的符號。

當二極體反向偏置時，由於熱生成的電子空穴對，會流過小的反向飽和電流。由於反向偏置電流是由少數載流子引起的，因此輸出電壓取決於此反向電流。隨著聚焦在結上的光強度增加，少數載流子引起的電流也增加。下圖顯示了光電二極體的基本偏置電路。

光電二極體封裝在玻璃封裝中，以允許光照射到其上。為了將光精確地聚焦在二極體的耗盡區上，在結上方放置一個透鏡，如上圖所示。

即使沒有光，也會流過少量電流，這被稱為暗電流。透過改變照明水平，可以改變反向電流。

光電二極體的優點

光電二極體有很多優點，例如：

低噪聲
高增益
高速執行
對光的高靈敏度
低成本
體積小
壽命長

光電二極體的應用

光電二極體有很多應用，例如：

字元檢測
可以檢測物體（可見或不可見）。
用於需要高穩定性和速度的電路。
用於解調
用於開關電路
用於編碼器
用於光通訊裝置

另一種此類二極體是太陽能電池。雖然它是一種二極體，但它被稱為電池。讓我們深入瞭解細節。

太陽能電池

光敏二極體包括太陽能電池，它是一個普通的PN接面二極體，但其導電性是由光子湧入引起的，光子被轉換成電子流。這類似於光電二極體，但它還有另一個目標，即最大限度地將入射光轉換成能量並儲存起來。

下圖表示太陽能電池的符號。

太陽能電池的名稱和符號表明能量儲存，雖然它是一個二極體。提取更多能量和儲存能量的特性集中在太陽能電池中。

太陽能電池的構造

在耗盡區具有本徵材料的PN接面二極體被封裝在玻璃中。光被照射到儘可能大的區域，頂部有薄玻璃，以便以最小的電阻收集最大量的光。

下圖顯示了太陽能電池的構造。

當光照射到太陽能電池上時，光子與價電子碰撞。電子被激發離開母原子。因此產生電子流，該電流與聚焦到太陽能電池上的光強度成正比。這種現象稱為光伏效應。

下圖顯示了太陽能電池的外觀以及如何將多個太陽能電池組合在一起形成太陽能電池板。

光電二極體和太陽能電池的區別

光電二極體工作速度更快，更注重開關而不是提供更高的輸出功率。由於此原因，它具有較低的電容值。此外，根據其應用，光電二極體中光能入射的面積較小。

太陽能電池專注於提供高輸出能量並儲存能量。這具有高電容值。其工作速度比光電二極體慢一些。根據太陽能電池的用途，光入射的面積大於光電二極體。

太陽能電池的應用

太陽能電池有很多應用，例如：

科學技術

用於衛星的太陽能電池板
用於遙測
用於遠端照明系統等。

商業用途

用於儲存電力的太陽能電池板
用於行動式電源等。
用於家用，例如使用太陽能進行烹飪和加熱

電子產品

手錶
計算器
電子玩具等。

有些二極體根據施加的電壓發出光。此類別中主要有兩類二極體。它們是LED和雷射二極體。

LED（發光二極體）

這是我們日常生活中使用最廣泛的二極體。這也是一個普通的PN接面二極體，只是在其構造中使用砷化鎵、磷化砷化鎵等材料，而不是矽和鍺。

下圖顯示了發光二極體的符號。

像普通的PN接面二極體一樣，它連線在正向偏置狀態，以便二極體導通。當導帶中的自由電子與價帶中的空穴結合時，LED中會發生導電。這種複合過程會發出光。此過程稱為電致發光。發射光的顏色取決於能帶之間的間隙。

所用材料也會影響顏色，例如，磷化砷化鎵發出紅色或黃色光，磷化鎵發出紅色或綠色光，氮化鎵發出藍光。而砷化鎵發出紅外光。用於不可見紅外光的LED大多用於遙控器。

下圖顯示了不同顏色實際LED的外觀。

上圖中的LED有一個平坦的一面和一個彎曲的一面，平坦一側的引線比另一側的引線短，以便指示較短的一側是陰極或負極，另一側是陽極或正極。

LED 的基本結構如下圖所示。

如上圖所示，當電子躍入空穴時，能量會以光的形式自發耗散。LED是電流依賴型器件。輸出光強度取決於流過二極體的電流。

LED的優點

LED有很多優點，例如：

高效率
高速
高可靠性
低熱耗散
更長的壽命
低成本
易於控制和程式設計
高亮度和強度
低電壓和電流要求
佈線減少
低維護成本
無紫外線輻射
瞬時照明效果

LED 的應用

LED 有許多應用，例如：

顯示器

尤其用於七段顯示器
數字鐘錶
微波爐
交通訊號燈
鐵路和公共場所的顯示屏
玩具

電子裝置

立體聲調諧器
計算器
直流電源
放大器上的開關指示燈
電源指示燈

商業用途

紅外線讀取裝置
條形碼閱讀器
固態影片顯示器

光通訊

光開關應用
在無法人工操作的光耦合應用中
透過光纖進行資訊傳輸
影像感測電路
防盜報警器
鐵路訊號技術
門禁和其他安全控制系統

正如LED具有許多優點和應用一樣，還有一種重要的二極體稱為雷射二極體，它也具有許多先進的功能和未來的發展前景。讓我們來討論一下雷射二極體。

雷射二極體

雷射二極體是另一種流行的二極體。這是一種光學二極體，它發射光，但透過受激過程。名稱 **LASER** 表示 **L**ight **A**mplification by **S**timulated **E**mission of **R**adiation。（受激輻射光放大）

受激發射

這是一種PN接面二極體，當光線入射到它上面時，它的作用就開始了。當光子入射到原子上的時候，原子會激發，併到達一個更高的能級，這可以被稱為 **高能級**。

當原子從高能級躍遷到 **低能級** 時，它會釋放 **兩個光子**，這兩個光子的 **特性與** 入射光子 **相似**，並且與入射光子 **同相位**。這個過程稱為 **受激發射**。原子通常可以在這個激發態停留 **10^-8 秒**。

因此，上述過程奠定了雷射二極體的原理。

雷射二極體原理

每當光子入射到原子時，該原子就會從低能態激發到高能態，在這個過程中會釋放兩個光子。實際上，原子通常可以在這個激發態停留 **10^-8 秒**。因此，為了實現放大，在這個激發過程中，使原子處於另一種狀態，稱為 **亞穩態**，它位於高能級以下，低能級之上。

原子可以在這個亞穩態停留 **10^-3 秒**。當原子從這個狀態躍遷到低能態時，會釋放兩個光子。如果在光子撞擊原子之前，激發態的原子數量更多，那麼我們就有了 **雷射效應**。

在這個過程中，我們需要理解兩個術語。亞穩態原子的數量多於低能態或基態原子的數量稱為 **粒子數反轉**。使原子從低能態躍遷到高能態以實現粒子數反轉的能量稱為 **泵浦**。這是 **光泵浦**。

優點

雷射二極體有很多優點，例如：

雷射二極體的功耗低得多
更高的開關速度
更緊湊
更便宜
它們比雷射發生器便宜
觸電的可能性較小

缺點

雷射二極體也有一些缺點，例如：

光束髮散度較大，因此質量不是很好
與LED相比，其壽命較短。
在不穩定的電源下容易損壞

應用

雷射二極體有很多應用，例如：

用作泵浦雷射器和種子雷射器
用於光資料儲存裝置
用於雷射印表機和雷射傳真機
用於雷射指示器
用於條形碼閱讀器
它們用於DVD和CD驅動器
用於高畫質DVD和藍光技術
具有許多工業用途，例如熱處理、熔覆、縫焊等。
在通訊技術中有很多用途，例如資料鏈路和傳輸。

在瞭解了所有這些之後，讓我們嘗試理解一些術語。

元件

元件是電子的單個基本元素。
它們根據其結構具有不同的特性。
每個元件都有不同的應用。

**例如** - 電阻器、電容器、二極體等。

電路

電路是不同元件的網路。
電路中的元件共同實現預期的目的。
如果電路需要工作，則應包含電源。

**例如** - 限幅器和鉗位電路、放大器電路、繼電器電路等。

裝置

裝置是由不同的電路組成的裝置。
裝置中的所有電路都有助於其發揮作用。
裝置可以用於測量訊號、產生訊號、控制結果或保護電路等。

**例如** - 示波器、函式發生器等。

固態器件

以前我們使用真空管，真空管基於熱電子原理，內部充滿真空。它們比今天的元件尺寸更大。這些真空管已被半導體器件取代，這些器件也稱為 **固態器件**。

有源器件

可以控制電流流動的器件（或更準確地說是元件）可以稱為有源器件。

它們需要一些輸入電源才能導通。
這些元件的工作方式決定了電路的行為。

**例如** - 真空管、二極體、電晶體、SCR 等

無源器件

無法控制電流流動的器件（或更準確地說是元件）可以稱為無源器件。

它們不需要輸入電源即可工作。
這些元件的工作方式會稍微改變電路的行為。

**例如** - 電阻器、電容器、電感器等。

摻雜

透過新增電子或建立空穴來改變半導體材料的特性，可以透過使其更正或更負來理解為 **摻雜**。

二極體的應用包括許多電路，從限幅器和鉗位電路開始，這些將在電子電路教程中討論。

基礎電子學 - 電晶體

在很好地瞭解了作為單個PN接面的二極體的工作原理之後，讓我們嘗試連線兩個PN接面，形成一個稱為 **電晶體** 的新元件。**電晶體** 是一種三端半導體器件，它可以調節電流或電壓的流動，並充當訊號的開關或門。

為什麼我們需要電晶體？

假設你有一個接收你想要訊號的調頻接收器。由於在傳輸過程中會遇到干擾，接收到的訊號顯然會很弱。如果直接讀取此訊號，則無法獲得良好的輸出。因此，我們需要放大訊號。**放大** 表示增加訊號強度。

這只是一個例子。無論何時需要增加訊號強度，都需要放大。這是由電晶體完成的。電晶體還可以作為 **開關** 來選擇可用選項。它還可以 **調節** 訊號的輸入 **電流和電壓**。

電晶體的結構細節

電晶體是一種三端固態器件，它是由兩個反向連線的二極體形成的。因此，它有兩個 **PN接面**。三個端子從其中的三個半導體材料中引出。這種連線方式提供了兩種型別的電晶體。它們分別是 **PNP** 和 **NPN**，這意味著兩種P型材料之間有一個N型材料，另一種是兩種N型材料之間有一個P型材料。

電晶體的結構如下圖所示，解釋了上述思想。

從電晶體引出的三個端子表示發射極、基極和集電極端子。它們的功能如下所述。

發射極

上圖的左側可以理解為 **發射極**。
它 **尺寸適中** 且 **高度摻雜**，因為它的主要功能是 **提供** 大量 **多數載流子**，即電子或空穴。
由於它發射電子，因此稱為發射極。
這簡單地用字母 **E** 表示。

基極

上圖中的中間材料是 **基極**。
它 **很薄** 且 **輕微摻雜**。
它的主要功能是從發射極向集電極 **傳遞** 多數載流子。
這用字母 **B** 表示。

集電極

上圖中的右側材料可以理解為 **集電極**。
它的名稱表示其 **收集載流子** 的功能。
它的 **尺寸比** 發射極和基極 **略大**。它 **中等摻雜**。
這用字母 **C** 表示。

PNP和NPN電晶體的符號如下所示。

上圖中的 **箭頭** 表示電晶體的 **發射極**。由於電晶體的集電極必須耗散更大的功率，因此它的尺寸較大。由於發射極和集電極的特定功能，它們 **不能互換**。因此，使用電晶體時，必須始終記住端子。

在實際電晶體中，發射極引線附近有一個缺口用於識別。可以使用萬用表區分PNP和NPN電晶體。下圖顯示了不同實際電晶體的外觀。

到目前為止，我們已經討論了電晶體的結構細節，但是要了解電晶體的工作原理，首先我們需要了解偏置。

電晶體偏置

眾所周知，電晶體是由兩個二極體組合而成的，這裡有兩個結。由於一個結位於發射極和基極之間，因此稱為 **發射極-基極結**，同樣，另一個是 **集電極-基極結**。

**偏置** 是透過提供電源來控制電路的工作。透過一些直流電源向電路提供偏置來控制兩個PN接面的功能。下圖顯示了電晶體是如何偏置的。

透過檢視上圖，可以看出

N型材料提供負電源，P型材料提供正電源，使電路 **正向偏置**。
N型材料提供正電源，P型材料提供負電源，使電路 **反向偏置**。

透過施加電源，**發射極-基極結** 始終 **正向偏置**，因為發射極電阻非常小。**集電極-基極結** **反向偏置**，其電阻略高。發射極結處只需少量正向偏置，而集電極結處必須施加高反向偏置。

上圖中所示的電流方向，也稱為 **常規電流**，是空穴電流的運動，它與 **電子電流** **相反**。

PNP電晶體的工作原理

可以透過檢視下圖來解釋PNP電晶體的工作原理，其中發射極-基極結正向偏置，集電極-基極結反向偏置。

電壓 **V_EE** 在發射極提供正電位，排斥P型材料中的空穴，這些空穴穿過發射極-基極結，到達基區。一小部分空穴與N區的自由電子複合。這提供了非常小的電流，構成基極電流 **I_B**。其餘的空穴穿過集電極-基極結，構成集電極電流 **I_C**，這是空穴電流。

當空穴到達集電極端子時，來自電池負極端的電子會填補集電極中的空穴。該電流緩慢增加，少子電流（電子）流經發射極，進入**V_EE**正極的每個電子都被向發射極結移動的空穴所取代。這構成了發射極電流**I_E**。

因此，我們可以理解：

PNP電晶體的導電是透過空穴進行的。
集電極電流略小於發射極電流。
發射極電流的增加或減少會影響集電極電流。

NPN電晶體的工作原理

NPN電晶體的工作原理可以透過觀察下圖來解釋，其中發射極-基極結正向偏置，集電極-基極結反向偏置。

電壓**V_EE**在發射極提供負電位，排斥N型材料中的電子，這些電子穿過發射極-基極結到達基區。其中極少部分電子與P區的空穴複合。這產生非常小的電流，構成基極電流**I_B**。其餘電子穿過集電極-基極結，構成集電極電流**I_C**。

當電子離開集電極端子並進入電池正極時，來自電池**V_EE**負極端的電子進入發射極區域。該電流緩慢增加，電子電流流過電晶體。

因此，我們可以理解：

NPN電晶體的導電是透過電子進行的。
集電極電流大於發射極電流。
發射極電流的增加或減少會影響集電極電流。

優點

電晶體有很多優點，例如：

高電壓增益。
只需要較低的電源電壓。
最適合低功耗應用。
體積更小，重量更輕。
機械強度比真空管強。
不需要像真空管那樣進行外部加熱。
非常適合與電阻和二極體整合以生產積體電路。

但也有一些缺點，例如由於功耗較低，它們不能用於大功率應用。它們具有較低的輸入阻抗並且受溫度影響。

基本電子學 - 電晶體組態

電晶體有三個端子：發射極、基極和集電極。利用這三個端子，可以將電晶體連線到電路中，其中一個端子對輸入和輸出都是公共的，共有三種可能的組態。

三種組態分別是**共基極、共發射極**和**共集電極**組態。在每種組態中，發射極結正向偏置，集電極結反向偏置。

共基極 (CB) 組態

顧名思義，基極端子被用作電晶體輸入和輸出的公共端子。NPN和PNP電晶體的共基極連線如下圖所示。

為了便於理解，讓我們考慮CB組態下的NPN電晶體。當施加發射極電壓時，由於正向偏置，來自負極端的電子排斥發射極電子，電流流過發射極和基極到集電極，從而產生集電極電流。在此過程中，集電極電壓**V_CB**保持恆定。

在CB組態中，輸入電流是發射極電流**I_E**，輸出電流是集電極電流**I_C**。

電流放大係數 (α)

當集電極電壓**V_CB**保持恆定時，集電極電流變化量 ($\Delta I_{C}$) 與發射極電流變化量 ($\Delta I_{E}$) 的比率稱為**電流放大係數**。用 α 表示。

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

集電極電流表達式

基於上述概念，讓我們嘗試推匯出集電極電流的表示式。除了流動的發射極電流外，由於電子空穴複合，還有一部分基極電流IB流過基極端子。由於集電極-基極結反向偏置，還有一部分電流是由少數載流子引起的。這可以理解為**I_leakage**（漏電流）。這是由於少數載流子引起的，因此非常小。

到達集電極端子的發射極電流為

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

總集電極電流

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

如果發射極-基極電壓V_EB = 0，即使這樣，仍然會流過小的漏電流，這可以稱為I_CBO（輸出開路時的集電極-基極電流）。

因此，集電極電流可以表示為

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

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

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

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

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

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

因此，以上推導的是集電極電流的表示式。集電極電流的值取決於基極電流和漏電流以及所用電晶體的電流放大係數。

CB組態的特性

這種組態提供電壓增益，但不提供電流增益。
保持**V_CB**恆定，隨著發射極-基極電壓V_EB的小幅增加，發射極電流**I_E**會增加。
發射極電流**I_E**與集電極電壓**V_CB**無關。
集電極電壓**V_CB**只能在低電壓下影響集電極電流**I_C**，前提是V_EB保持恆定。
輸入電阻ri是發射極-基極電壓變化量 ($\Delta{V_{EB}}$) 與發射極電流變化量 ($\Delta{I_{E}}$) 的比率，在集電極-基極電壓**V_CB**保持恆定時。

$$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
由於輸入電阻值非常低，因此即使是V_EB的小值也足以產生較大的發射極電流**I_E**。
輸出電阻r_o是集電極-基極電壓變化量 ($\Delta{V_{CB}}$) 與集電極電流變化量 ($\Delta{I_{C}}$) 的比率，在發射極電流**I_E**保持恆定時。

$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$
由於輸出電阻值非常高，因此**V_CB**的大幅變化只會導致集電極電流**I_C**發生很小的變化。
這種組態對溫度升高具有良好的穩定性。
CB組態用於高頻應用。

共發射極 (CE) 組態

顧名思義，**發射極**端子被用作電晶體輸入和輸出的公共端子。NPN和PNP電晶體的共發射極連線如下圖所示。

與CB組態一樣，發射極結正向偏置，集電極結反向偏置。電子的流動方式相同。這裡的輸入電流是基極電流**I_B**，輸出電流是集電極電流**I_C**。

基極電流放大係數 (β)

集電極電流變化量 ($\Delta{I_{C}}$) 與基極電流變化量 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率稱為**基極電流放大係數**。用 β 表示。

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

β和α之間的關係

讓我們嘗試推匯出基極電流放大係數和發射極電流放大係數之間的關係。

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

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

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

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

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

我們可以寫成

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

除以$$\Delta I_E$$

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

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

我們有

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

因此，

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

從上式可以看出，當α接近1時，β趨於無窮大。

因此，**共發射極連線中的電流增益非常高**。這就是該電路連線在所有電晶體應用中廣泛使用的原因。

集電極電流表達式

在共發射極組態中，**I_B**是輸入電流，**I_C**是輸出電流。

我們知道

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

並且

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

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

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

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

如果基極電路開路，即如果**I_B** = 0，

基極開路時的集電極發射極電流為I_CEO

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

將此值代入前一個等式，我們得到

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

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

因此得到了集電極電流的表示式。

膝蓋電壓

在CE組態中，保持基極電流**I_B**恆定，如果改變**V_CE**，**I_C**會幾乎線性增加到**V_CE**的1v左右，然後保持恆定。**V_CE**達到這個值時，集電極電流**I_C**隨**V_CE**的變化而變化，這個值被稱為**膝蓋電壓**。在CE組態下工作時，電晶體的工作電壓高於此膝蓋電壓。

CE組態的特性

這種組態提供良好的電流增益和電壓增益。
保持**V_CE**恆定，隨著**V_BE**的小幅增加，基極電流**I_B**的增加速度比CB組態快。
對於高於膝蓋電壓的任何**V_CE**值，**I_C**近似等於β**I_B**。
輸入電阻**r_i**是基極-發射極電壓變化量 ($\Delta{V_{BE}}$) 與基極電流變化量 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率，在集電極-發射極電壓**V_CE**保持恆定時。

$$r_{i}\:=\:\frac{\Delta{V_{BE}}}{\Delta{I_{B}}}\:at\:constant\:V_{CE}$$
由於輸入電阻值非常低，因此即使是**V_BE**的小值也足以產生較大的基極電流**I_B**。
輸出電阻**r_o**是集電極-發射極電壓變化量 ($\Delta{V_{CE}}$) 與集電極電流變化量 ($\Delta{I_{C}}$) 的比率，在**I_B**保持恆定時。

$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CE}}}{\Delta{I_{C}}}\:at\:constant\:I_{B}$$
CE電路的輸出電阻小於CB電路。
這種組態通常用於偏置穩定方法和音訊頻率應用。

共集電極 (CC) 組態

顧名思義，**集電極**端子被用作電晶體輸入和輸出的公共端子。NPN和PNP電晶體的共集電極連線如下圖所示。

與CB和CE組態一樣，發射極結正向偏置，集電極結反向偏置。電子的流動方式相同。這裡的輸入電流是基極電流**I_B**，輸出電流是發射極電流**I_E**。

電流放大係數 (γ)

在共集電極(CC)組態中，發射極電流變化量 ($\Delta{I_{E}}$) 與基極電流變化量 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率稱為**電流放大係數**。用**γ**表示。

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

CC組態的電流增益與CE組態相同。
CC組態的電壓增益始終小於1。

γ和α之間的關係

讓我們嘗試推匯出γ和α之間的關係。

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

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

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

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

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

代入I_B的值，我們得到

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

除以$\Delta I_{E}$

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

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

$$γ\:=\:\frac{1}{1\:-\:\alpha}$$

集電極電流表達式

我們知道

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

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

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

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

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

以上是集電極電流表達式。

共集電極電路特性

這種電路提供電流放大，但不提供電壓放大。
在共集電極電路中，輸入阻抗高，輸出阻抗低。
該電路提供的電壓放大倍數小於1。
集電極電流和基極電流之和等於發射極電流。
輸入和輸出訊號同相。
此電路工作方式為同相放大器輸出。
此電路主要用於阻抗匹配，即從高阻抗源驅動低阻抗負載。

電晶體工作區域

直流電源用於電晶體工作。該直流電源提供給電晶體的兩個PN接面，影響這些發射極和集電極結中多數載流子的作用。

根據需要，PN接面可以正向偏置或反向偏置。**正向偏置**是指對p型材料施加正電壓，對n型材料施加負電壓的條件。**反向偏置**是指對n型材料施加正電壓，對p型材料施加負電壓的條件。

電晶體偏置

提供合適的外部直流電壓稱為**偏置**。對電晶體的發射極和集電極結進行正向或反向偏置。這些偏置方法使電晶體電路工作在四種區域：**放大區、飽和區、截止區**和**反向放大區**（很少使用）。透過查看下錶可以理解這一點。

發射結	集電極結	工作區域
正向偏置	正向偏置	飽和區
正向偏置	反向偏置	放大區
反向偏置	正向偏置	反向放大區
反向偏置	反向偏置	截止區

在這些區域中，反向放大區只是放大區的反向，不適用於任何應用，因此不使用。

放大區

電晶體在該區域有很多應用。這也被稱為**線性區**。在該區域工作的電晶體，更像一個**放大器**。

該區域位於飽和區和截止區之間。當發射結正向偏置且集電極結反向偏置時，電晶體工作在放大區。在放大狀態下，集電極電流是基極電流的β倍，即：

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

其中，

$I_C$ = 集電極電流

$\beta$ = 電流放大係數

$I_B$ = 基極電流

飽和區

在該區域，電晶體趨於表現為閉合開關。電晶體的效果是集電極和發射極短路。在這種工作模式下，集電極電流和發射極電流最大。

下圖顯示了在飽和區工作的電晶體。

當發射結和集電極結都正向偏置時，電晶體工作在飽和區。可以理解，在飽和區，電晶體趨於表現為閉合開關，可以說：

$$I_C\:=\:I_E$$

其中$I_C$ = 集電極電流，$I_E$ = 發射極電流。

截止區

在該區域，電晶體趨於表現為開路開關。電晶體的效果是集電極和基極斷開。在這種工作模式下，集電極電流、發射極電流和基極電流均為零。

下圖顯示了在截止區工作的電晶體。

當發射結和集電極結都反向偏置時，電晶體工作在截止區。在截止區，集電極電流、發射極電流和基極電流均為零，可以寫成：

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

其中$I_C$ = 集電極電流，$I_E$ = 發射極電流，$I_B$ = 基極電流。

電晶體負載線分析

到目前為止，我們已經討論了電晶體的不同工作區域。但在所有這些區域中，我們發現電晶體在放大區工作良好，因此它也稱為**線性區**。電晶體的輸出是集電極電流和集電極電壓。

輸出特性

當考慮電晶體的輸出特性時，對於不同的輸入值，曲線如下所示。

在上圖中，輸出特性是在不同基極電流$I_B$值下，集電極電流$I_C$和集電極電壓$V_{CE}$之間繪製的。這裡考慮不同的輸入值以獲得不同的輸出曲線。

工作點

當考慮最大可能集電極電流的值時，該點將出現在Y軸上，這也就是**飽和點**。同樣，當考慮最大可能集電極發射極電壓的值時，該點將出現在X軸上，也就是**截止點**。

當連線這兩點的直線繪製出來時，這樣的直線可以稱為**負載線**。之所以這樣稱呼它，是因為它象徵著負載的輸出。這條線在輸出特性曲線上繪製時，與一個稱為**工作點**的點接觸。

這個工作點也稱為**靜態工作點**或簡稱為**Q點**。可能有許多這樣的交點，但Q點的選擇方式是這樣的：不管交流訊號擺動如何，電晶體都保持在放大區。這可以透過下圖更好地理解。

必須繪製負載線才能獲得Q點。當電晶體處於放大區並在Q點工作時，它可以作為一個良好的放大器，可以實現精確的放大。

**精確放大**是指透過增強訊號強度來獲得輸入訊號的完整部分的過程。這是在輸入端施加交流訊號時完成的。這將在放大器教程中討論。

直流負載線

當電晶體被偏置且在其輸入端未施加訊號時，在這種情況下繪製的負載線可以理解為**直流**條件。這裡沒有放大，因為訊號不存在。電路如下圖所示。

在任何給定時間的集電極發射極電壓值為

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

由於$V_{CC}$和$R_C$是固定值，因此以上是一個一階方程，因此在輸出特性上將是一條直線。這條線稱為**直流負載線**。下圖顯示了直流負載線。

為了獲得負載線，需要確定直線的兩個端點。讓這兩個點為A和B。

獲得A點

當集電極發射極電壓$V_{CE}$ = 0時，集電極電流最大，等於$V_{CC}/R_C$。這給出了$V_{CE}$的最大值。這表示為

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

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

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

這給出了集電極電流軸上的A點（OA = $V_{CC}/R_C$），如上圖所示。

獲得B點

當集電極電流$I_C$ = 0時，集電極發射極電壓最大，將等於$V_{CC}$。這給出了$I_C$的最大值。這表示為

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

$$=\:V_{CC}$$

(因為$I_C$ = 0)

這給出了B點，這意味著（OB = $V_{CC}$）在上圖所示的集電極發射極電壓軸上。

因此，我們得到了確定的飽和點和截止點，並瞭解到負載線是一條直線。因此，可以繪製直流負載線。

當在輸入端施加交流訊號時，這個工作點的意義將進一步理解。這將在放大器教程中討論。

基礎電子學 - 電晶體型別

目前有很多種型別的電晶體正在使用。每種電晶體在其應用中都具有專業性。主要分類如下。

主要的電晶體是BJT，FET是電晶體的現代版本。讓我們來看看BJT。

雙極結型電晶體

雙極結型電晶體，簡稱**BJT**，之所以這樣稱呼，是因為它有兩個PN接面用於其功能。這個BJT只是一個普通的電晶體。它有兩種型別的結構**NPN**和**PNP**。通常為了方便起見，選擇NPN電晶體。下圖顯示了實際BJT的外觀。

BJT的型別有NPN和PNP電晶體。NPN電晶體是透過將p型材料放置在兩個n型材料之間製成的。PNP電晶體是透過將n型材料放置在兩個p型材料之間製成的。

BJT是電流控制型器件。我們在前面章節中討論過的普通電晶體屬於這一類。功能、結構和應用都相同。

場效應電晶體

FET是一種三端單極性半導體器件。與雙極結型電晶體不同，它是一種**電壓控制型器件**。FET的主要優點是它具有非常高的輸入阻抗，數量級為兆歐。它具有許多優點，例如功耗低、散熱少，FET是高效的器件。下圖顯示了實際FET的外觀。

FET是**單極性器件**，這意味著它使用p型或n型材料作為主要的襯底。因此，FET的電流傳導是由電子或空穴完成的。

FET的特性

以下是場效應電晶體的各種特性。

**單極性** - 它是單極性的，因為空穴或電子負責傳導。
**高輸入阻抗** - FET中的輸入電流是由於反向偏置引起的。因此，它具有高輸入阻抗。
**電壓控制型器件** - 由於FET的輸出電壓由柵極輸入電壓控制，因此FET被稱為電壓控制型器件。
**噪聲低** - 傳導路徑中沒有結。因此，噪聲低於BJT。
**增益的特性是跨導。**跨導是輸出電流變化與輸入電壓變化之比。
FET的輸出阻抗低。

FET的優點

為了優先選擇FET而不是BJT，使用FET而不是BJT應該有一些優點。讓我們總結一下FET相對於BJT的優點。

結型場效應電晶體(JFET)	雙極結型電晶體(BJT)
它是單極型器件	它是雙極型器件
電壓驅動器件	電流驅動器件
高輸入阻抗	低輸入阻抗
低噪聲級	高噪聲級
更好的熱穩定性	較差的熱穩定性
增益由跨導表徵	增益由電壓增益表徵

場效應電晶體(FET)的應用

FET用於電路中以減少負載效應。
FET用於許多電路中，例如緩衝放大器、移相振盪器和電壓表。

FET端子

雖然FET是三端器件，但它們與BJT端子不同。FET的三個端子是柵極、源極和漏極。FET的源極類似於BJT的發射極，而柵極類似於基極，漏極類似於集電極。

NPN和PNP型FET的符號如下所示

源極

場效應電晶體中的源極是載流子進入溝道的端子。
這類似於雙極結型電晶體的發射極。
源極端子可以表示為S。
進入源極溝道的電流表示為IS。

柵極

場效應電晶體中的柵極在FET的功能中起著關鍵作用，它控制著透過溝道的電流。
透過在柵極端子上施加外部電壓，可以控制透過它的電流。
柵極是由內部連線的兩個高摻雜的端子組成的。
據說溝道電導率由柵極端子調製。
這類似於雙極結型電晶體的基極。
柵極端子可以表示為G。
進入柵極溝道的電流表示為IG。

漏極

場效應電晶體中的漏極是載流子離開溝道的端子。
這類似於雙極結型電晶體的集電極。
漏極到源極的電壓表示為VDS。
漏極端子可以表示為D。
從漏極端子離開溝道的電流表示為I_D。

FET的型別

FET主要有兩種型別：JFET和MOSFET。下圖給出了FET的進一步分類。

在後續章節中，我們將詳細討論JFET和MOSFET。

基礎電子學 - 場效電晶體(JFET)

JFET是結型場效應電晶體的縮寫。JFET就像一個普通的FET。JFET的型別有n溝道FET和p溝道FET。在n溝道FET中，p型材料新增到n型襯底上，而在p溝道FET中，n型材料新增到p型襯底上。因此，理解一種型別的FET就足以理解這兩種型別。

N溝道FET

N溝道FET是最常用的場效應電晶體。為了製造N溝道FET，取一根窄的N型半導體條，在其相對兩側透過擴散形成P型材料。將這兩側連線起來，形成柵極端子的單個連線。這可以從下圖中理解。

這兩個柵極沉積（p型材料）形成兩個PN接面二極體。柵極之間的區域稱為溝道。多數載流子透過該溝道。因此，FET的橫截面形式如下圖所示。

在n型半導體條的兩端形成歐姆接觸，形成源極和漏極。源極和漏極端子可以互換。

N溝道FET的工作原理

在瞭解FET的工作原理之前，應該瞭解耗盡層的形成方式。為此，讓我們假設柵極端子的電壓，例如V_GG是反向偏置的，而漏極端子的電壓，例如V_DD沒有施加。設這是情況1。

在情況1中，當V_GG反向偏置且V_DD未施加時，P和N層之間的耗盡區傾向於擴充套件。這是因為施加的負電壓吸引p型層中的空穴向柵極端子移動。
在情況2中，當施加V_DD（正極端子到漏極，負極端子到源極）且V_GG未施加時，電子從源極流向漏極，構成漏極電流I_D。

現在讓我們考慮下圖，以瞭解當同時提供兩種電源時會發生什麼。

柵極端子的電源使耗盡層增長，漏極端子的電壓允許漏極電流從源極流向漏極端子。假設源極端子上的點是B，漏極端子上的點是A，則溝道的電阻將使得A端子的電壓降大於B端子的電壓降。這意味著：

V_A>V_B

因此，電壓降沿溝道長度逐漸增加。因此，反向偏置效應在漏極端子比在源極端子更強。這就是為什麼當同時施加V_GG和V_DD時，耗盡層在A點比在B點更傾向於深入溝道。下圖對此進行了說明。

現在我們已經瞭解了FET的行為，讓我們瞭解FET的實際工作原理。

耗盡型工作模式

由於耗盡層的寬度在FET的工作中起著重要作用，因此稱為耗盡型工作模式。我們還有另一種稱為增強型工作模式，這將在MOSFET的工作原理中討論。但是JFET只有耗盡型工作模式。

讓我們考慮一下，柵極和源極端子之間沒有施加電位，而漏極和源極之間施加了電位V_DD。現在，電流I_D從漏極流向源極端子，因為溝道寬度較大，所以電流達到最大值。假設施加在柵極和源極端子之間的電壓V_GG是反向偏置的。如上所述，這會增加耗盡區的寬度。隨著層的增長，溝道的橫截面減小，因此漏極電流I_D也減小。

當進一步增加該漏極電流時，會出現兩個耗盡層彼此接觸並阻止電流I_D流動的階段。下圖清楚地顯示了這一點。

這兩個耗盡層真正“接觸”時的電壓稱為“夾斷電壓”。它表示為VP。此時漏極電流實際上為零。因此，漏極電流是柵極反向偏置電壓的函式。

由於柵極電壓控制漏極電流，因此FET被稱為電壓控制型器件。這從漏極特性曲線可以更清楚地理解。

JFET的漏極特性

讓我們嘗試總結一下FET的功能，透過該功能我們可以獲得FET漏極的特性曲線。下圖給出了用於獲得這些特性的FET電路。

當柵極和源極之間的電壓V_GS為零或它們短路時，從源極到漏極的電流I_D也為零，因為沒有施加V_DS。隨著漏極和源極之間的電壓V_DS增加，從源極到漏極的電流流I_D增加。這種電流的增加在稱為膝蓋電壓的某一點A之前是線性的。

柵極端子將處於反向偏置狀態，並且隨著I_D增加，耗盡區趨於收縮。這種收縮在長度上是不均勻的，使這些區域在漏極處更靠近，在漏極處更遠，這導致夾斷電壓。夾斷電壓定義為漏極電流接近恆定值（飽和值）時的最小漏極到源極電壓。發生這種夾斷電壓的點稱為夾斷點，表示為B。

隨著V_DS進一步增加，溝道電阻也相應增加，以至於I_D實際上保持不變。區域BC稱為飽和區或放大器區。所有這些以及點A、B和C都繪製在下圖中。

對於不同的柵極源極電壓VGS值，繪製漏極電流I_D與漏極源極電壓V_DS的漏極特性曲線。對於各種輸入電壓的總體漏極特性如下所示。

由於負柵極電壓控制漏極電流，因此FET被稱為電壓控制型器件。漏極特性表示FET的效能。上面繪製的漏極特性用於獲得漏極電阻、跨導和放大係數的值。

基礎電子學 - 金氧半導體場效電晶體(MOSFET)

FET有一些缺點，例如漏極電阻高、輸入阻抗中等以及工作速度慢。為了克服這些缺點，發明了改進型的FET——MOSFET。

MOSFET代表金屬氧化物半導體場效應電晶體。這也被稱為IGFET，即絕緣柵場效應電晶體。FET在耗盡型和增強型工作模式下工作。下圖顯示了實際MOSFET的樣子。

MOSFET的結構

MOSFET的結構與FET有點類似。在襯底上沉積一層氧化物層，柵極端子連線到該氧化物層。該氧化物層充當絕緣體（SiO₂與襯底絕緣），因此MOSFET還有另一個名稱IGFET。在MOSFET的結構中，輕摻雜的襯底與重摻雜的區域一起擴散。根據所使用的襯底，它們被稱為P型和N型MOSFET。

下圖顯示了MOSFET的結構。

柵極上的電壓控制MOSFET的工作。在這種情況下，可以在柵極上施加正電壓和負電壓，因為它與溝道絕緣。對於負柵極偏置電壓，它充當耗盡型MOSFET，而對於正柵極偏置電壓，它充當增強型MOSFET。

MOSFET的分類

根據構造中使用的材料型別和工作型別，MOSFET分類如下面的圖所示。

分類之後，讓我們瞭解MOSFET的符號。

N溝道MOSFET簡稱為NMOS。N溝道MOSFET的符號如下所示。

P溝道MOSFET簡稱為PMOS。P溝道MOSFET的符號如下所示。

現在，讓我們來看一下N溝道MOSFET的結構細節。通常情況下，我們會選擇N溝道MOSFET進行講解，因為這種MOSFET應用最為廣泛。此外，無需贅述，對一種型別的研究也能解釋另一種型別。

N溝道MOSFET的結構

讓我們考慮一個N溝道MOSFET來理解其工作原理。取一個輕摻雜的P型襯底，在其上擴散兩個重摻雜的N型區域，這兩個區域充當源極和漏極。在這兩個N+區域之間，會發生擴散形成一個N型溝道，連線漏極和源極。

在整個表面上生長一層薄的二氧化矽(SiO₂)，並開孔以便為漏極和源極端子引出歐姆接觸。在整個溝道上覆蓋一層導電的鋁，這層鋁位於從源極到漏極的SiO₂層之上，構成柵極。SiO₂襯底連線到公共端或接地端。

由於其結構，MOSFET的芯片面積比BJT小得多，與雙極結型電晶體相比，其佔用面積僅為5%。該器件可以在多種模式下工作。它們是耗盡模式和增強模式。讓我們嘗試深入瞭解細節。

N溝道(耗盡模式)MOSFET的工作原理

目前，我們知道與FET不同，這裡柵極和溝道之間不存在PN接面。我們還可以觀察到，擴散的N型溝道（在兩個N+區域之間）、絕緣電介質SiO₂和柵極的鋁金屬層共同構成一個平行板電容器。

如果要使NMOS在耗盡模式下工作，則柵極端子應處於負電位，而漏極應處於正電位，如下圖所示。

當柵極和源極之間沒有施加電壓時，由於漏極和源極之間的電壓，會有一些電流流動。假設在V_GG上施加一些負電壓。然後，少數載流子，即空穴，會被吸引並沉積在SiO₂層附近。但是多數載流子，即電子，會被排斥。

在V_GG上施加一定量的負電位時，一定量的漏極電流I_D會流過源極到漏極。當這個負電位進一步增加時，電子會耗盡，電流I_D會減小。因此，施加的V_GG越負，漏極電流I_D的值就越小。

靠近漏極的溝道比源極處的溝道更耗盡（如FET中一樣），並且由於這種效應，電流減小。因此，它被稱為耗盡模式MOSFET。

N溝道MOSFET（增強模式）的工作原理

如果我們可以改變電壓V_GG的極性，則相同的MOSFET可以在增強模式下工作。因此，讓我們考慮一下柵極源極電壓V_GG為正的MOSFET，如下圖所示。

當柵極和源極之間沒有施加電壓時，由於漏極和源極之間的電壓，會有一些電流流動。假設在V_GG上施加一些正電壓。然後，少數載流子，即空穴，會被排斥，而多數載流子，即電子，會被吸引到SiO₂層。

在V_GG上施加一定量的正電位時，一定量的漏極電流I_D會流過源極到漏極。當這個正電位進一步增加時，由於電子從源極流出，並且這些電子由於在V_GG上施加的電壓而被進一步推動，電流I_D會增加。因此，施加的V_GG越正，漏極電流I_D的值就越大。由於電子流的增加，電流比耗盡模式更好，電流得到了增強。因此，這種模式被稱為增強模式MOSFET。

P溝道MOSFET

PMOS的結構和工作原理與NMOS相同。取一個輕摻雜的N型襯底，在其上擴散兩個重摻雜的P+區域。這兩個P+區域充當源極和漏極。在表面上生長一層薄的SiO₂。透過該層開孔以與P+區域接觸，如下圖所示。

PMOS的工作原理

當柵極端子施加的負電位V_GG大於漏極源極電壓V_DD時，由於存在P+區域，透過擴散的P型溝道的空穴電流增加，PMOS在增強模式下工作。

當柵極端子施加的正電位V_GG小於漏極源極電壓V_DD時，由於排斥作用，會發生耗盡，從而導致電流減小。因此，PMOS在耗盡模式下工作。儘管結構不同，但兩種型別的MOSFET的工作原理相似。因此，透過改變電壓極性，兩種型別的MOSFET都可以在這兩種模式下使用。

通過了解漏極特性曲線可以更好地理解這一點。

漏極特性

MOSFET的漏極特性曲線是在漏極電流I_D和漏極源極電壓V_DS之間繪製的。對於不同的輸入值，特性曲線如下所示。

實際上，當V_DS增加時，漏極電流I_D也應該增加，但是由於施加的V_GS，漏極電流在一定水平上受到控制。因此，柵極電流控制輸出漏極電流。

轉移特性

轉移特性定義了在耗盡模式和增強模式下，V_DS值隨I_D和V_GS變化而變化的情況。下面的轉移特性曲線是針對漏極電流與柵極源極電壓繪製的。

BJT、FET和MOSFET的比較

既然我們已經討論了以上三種器件，讓我們嘗試比較一下它們的某些特性。

術語	雙極結型電晶體(BJT)	FET	MOSFET
器件型別	電流控制型	電壓控制型	電壓控制型
電流流動	雙極型	單極型	單極型
端子	不可互換	可互換	可互換
工作模式	無模式	僅耗盡模式	增強模式和耗盡模式
輸入阻抗	低	高	非常高
輸出電阻	中等	中等	低
工作速度	低	中等	高
噪聲	高	低	低
熱穩定性	低	更好	高

到目前為止，我們已經討論了各種電子元件及其型別，以及它們的結構和工作原理。所有這些元件在電子領域都有各種用途。要了解這些元件如何在實際電路中使用，請參考電子電路教程。

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