基礎電子學教程

電子學是工程學的一個分支，涉及電子器件和電路的設計、工作原理和應用的研究。電子器件是指其工作原理基於電子和空穴流動的器件。電子器件也稱為固態器件或半導體器件。

電子學涉及這些基於半導體的器件的設計和工程。因此，電子學也被稱為固態工程。電子器件用於執行各種功能，例如資料處理、訊號放大、資訊傳輸、控制電路中的電能流動等等。

電子學在各種工程和工業領域都有應用，例如通訊、計算機工程、資訊科技、控制與自動化、電力電子、消費電子等。

在現代社會和工業中，電子學是從小家電到大規模通訊系統和電力分配的不可或缺的一部分。因此，瞭解電子學原理和電子器件的操作對於充分利用現代技術非常重要。

基礎電子學導論

基礎電子學是本科電氣和電子工程專業一二年級學習的一門入門課程。本課程的主要目標是闡明電子工程的基本概念，並瞭解各種電子元件（如電阻器、二極體、電晶體、整流器、變壓器等）的工作原理和應用。

基礎電子學是許多高階課程的基礎，如類比電子學、數位電子學、電力電子學、電子驅動與控制器、智慧電網、電動汽車、現代控制系統等等。

本基礎電子學教程分為八個模組 -

1. 第一個模組涵蓋與電子學相關的基本概念，例如電子材料、能帶、半導體材料型別和霍爾效應理論。

2. 第二個模組討論與電阻器相關的概念，例如電阻器的定義、電阻器的連線、電阻器的型別 - 線性電阻器、非線性電阻器和固定電阻器。

3. 第三個模組描述電容器的基礎知識，涵蓋的內容包括電容器的介紹、電容器的連線、電容器的型別 - 固定電容器、可變電容器和極性電容器。

4. 第四個模組討論與電感器相關的概念。它涵蓋的內容包括電感器的介紹、電感的理論、電感器的連線、電感器的型別和射頻電感器。

5. 第五個模組解釋電變壓器。它討論了變壓器的基本理論、變壓器的型別、基於用途的變壓器分類以及變壓器的效率。

6. 第六個模組是關於一種稱為二極體的基本電子器件。本模組解釋了與二極體相關的基本概念、PN接面二極體的理論、肖特基二極體、隧道二極體、變容二極體等特殊用途二極體以及光電二極體（如光電二極體、太陽能電池等）。

7. 第七個模組討論了不同型別的電晶體，涵蓋的內容包括電晶體的基礎知識、電晶體的型別、電晶體組態、電晶體工作區域、電晶體負載線分析、結型場效應電晶體（JFET）和金氧半導體場效應電晶體（MOSFET）的基礎知識。

8. 本教程的最後一個第八個模組提供了快速指南、有用資源以及基礎電子學的社群討論平臺。

本教程的主要目標是以易於理解和有趣的方式呈現基礎電子學的基本概念。本教程中的所有章節都以清晰易懂的語言呈現，適合絕對初學者。每個概念都進行了詳細的解釋，使學生能夠很好地理解電子元件和器件的原理和應用。

理解基礎電子學的先決條件

基礎電子學是一門入門課程，本教程以初學者友好的風格解釋了電子學的基本概念。但是，如果您具備基礎物理和數學知識，那麼您將能夠充分受益於本教程。

本基礎電子學教程的設計方式使得本科大學生可以將其用作入門資源，而從事電子工程的工程師可以將其用作參考。

基礎電子學常見問題

在本節中，我們將回答一些關於基礎電子學的常見問題 (FAQ)。

1. 基礎電子學中最重要的概念是什麼？

基礎電子學中一些最重要的概念如下：

• 半導體 - 在電子學領域，半導體是用於製造各種電子器件和元件（如二極體、電晶體、積體電路、LED、邏輯閘等）的重要材料。半導體是指電導率介於導體和絕緣體之間的材料。電子學中最常用的半導體是矽 (Si) 和鍺 (Ge)。總的來說，半導體是電子學的基本構建塊。
• 電阻器 - 這些是電子學中常用的電路元件。電阻器用於控制電子電路中的電流大小。
• 電容器 - 電容器也是電子學中基本的電路元件，用於儲存電荷並設計電路以執行訊號濾波。
• 電感器 - 電感器用於電子電路中，以磁場的形式儲存能量並濾除交流訊號。
• 變壓器 - 變壓器是一種電磁裝置。它用於電子電路中，將高電壓（如 220 伏）降低到較低的值（如 5 伏、12 伏、24 伏或電子電路的其他合適值）。
• 二極體 - 二極體是最基本的半導體器件。一個典型的二極體由兩個半導體區域組成，即 P 型和 N 型，因此具有 PN 結。它在電子電路中用作單向器件或靜態開關。二極體最常見的應用之一是整流，即把交流電轉換為直流電。
• 電晶體 - 電晶體是三端半導體器件，用於電子學中執行兩個主要功能，即放大和切換電訊號。電晶體是大多數電子電路和複雜器件的構建塊。

除此之外，電子學中的其他重要概念還有電壓、電流、電子、空穴（半導體中的正電荷）、功率等。

2. 歐姆定律如何在電子電路中工作？

歐姆定律是電子電路中最基本的定律之一，它描述了電路中電壓、電流和電阻之間的關係。

數學上，歐姆定律表示為：

$$\mathrm{V\:=\:IR}$$

其中，V 是電壓，I 是電流，R 是電路中的電阻。

在電子電路中，歐姆定律的工作原理如下：

• 如果已知 V、I 和 R 中的任意兩個量，則可以計算出第三個量。
• 如果電阻保持恆定且電壓升高，則電路中的電流也會升高，反之亦然。
• 如果電壓保持恆定且電阻升高，則電路中的電流將降低，反之亦然。

因此，在電子學中，歐姆定律可以用作設計電路和分析其在不同電流和電壓額定值下的效能的基本工具，具體取決於我們的應用。

3. 類比電子學和數位電子學有什麼區別？

類比電子學和數位電子學是電子工程的兩個不同分支。這種分類的基礎是所用訊號的性質。

類比電子學和數位電子學之間最根本的區別在於，類比電子學處理連續時間訊號，而數位電子學處理離散時間訊號。

4. 如何計算電子學中的電阻、電容和電感？

在電子學中，電阻、電容和電感的計算取決於電路的配置。以下是一些在常見電子電路中計算這三個引數的基本公式。

電阻 - 簡單電子電路中的電阻透過以下公式計算：

$$\mathrm{R=\frac{V}{I}}$$

這裡，R 是電阻，V 是電壓，I 是透過導體的電流。

電容 - 簡單電子電路中的電容透過以下公式計算：

$$\mathrm{C=\frac{Q}{V}}$$

這裡，Q 是電容器每個極板上的電荷，C 是電容，V 是電容器兩端的電壓。

電感 - 簡單電子電路中的電感透過以下公式計算：

$$\mathrm{V=L\frac{di}{dt}}$$

這裡，v 是電感器兩端的電壓，L 是電感，$\mathrm{\frac{di}{dt}}$ 是電感器中電流的變化率。

5. 初學者在學習電子學時常犯哪些錯誤？

在學習電子學時，初學者常犯以下錯誤：

• 他們忽略基本概念，直接跳到複雜的概念。這種錯誤會導致混淆和缺乏對該主題的理解。
• 書籍理論提供了對電子元件的組成和工作原理的理解。但許多電子學初學者避免閱讀書籍理論，直接進入實踐電子學。這最終會導致沮喪。
• 避免動手實踐專案，只嘗試透過書籍來學習電子電路及其功能。

透過避免所有這些錯誤，初學者可以使學習電子學變得愉快。

6. 我需要哪些工具才能開始學習基礎電子學？

您將從以下資源開始學習基礎電子學的旅程：

• 基礎電子學入門教科書
• 初學者線上教程和課程
• 社群討論平臺和小組
• 模擬軟體，如Pspice、MATLAB等。

7. 電子學中半導體有哪些不同型別？

在電子學中，半導體主要分為以下幾種型別：

• 本徵半導體 - 這些是純淨的半導體，例如Si和Ge。
• 雜質半導體 - 這些是不純的或摻雜的半導體。雜質半導體進一步分為以下兩種型別：
  • N型半導體 - 那些具有負多數載流子（電子）的雜質半導體被稱為N型半導體。
  • P型半導體 - 具有正多數載流子（空穴）的雜質半導體被稱為P型半導體。

8. 電晶體如何在電子學中放大訊號？

下面解釋了使用電晶體放大電子訊號的過程：

步驟1 - 電晶體被適當偏置以在放大訊號的活性區工作。讓我們考慮共射極（CE）配置，其中基極用作輸入線，發射極用作輸入和輸出的公共地，集電極用作輸出線。

步驟2 - 將我們要放大的弱訊號施加到電晶體放大器電路的基極。

步驟3 - 流入電晶體基極的小電流會導致從集電極流出的大電流，該電流與基極電流成正比，但遠大於基極電流。

步驟4 - 在集電極端接收放大後的輸出訊號，這僅僅是輸入訊號的放大版本。

9. 電源在電子電路中的作用是什麼？

在電子電路中，電源執行以下功能：

• 電源轉換 - 電源從主電路獲取高壓（220V或110V）交流電源，並將其轉換為適合電子電路的低壓（5V、12V、24V等）直流電源。
• 電壓調節 - 電源還可以調節電源電壓以保持其穩定。
• 保護 - 電源提供過電壓、過電流、短路等的保護。

10. 如何排除電子電路常見故障？

在典型的電子電路中，我們可以執行以下系統故障排除過程：

步驟1 - 首先，目視檢查電子電路及其元件是否有任何明顯的損壞、燒燬、鬆動連線、斷裂焊點等。

步驟2 - 如果第一步中發現一切正常。現在，檢查電源是否正常工作。為此，您可以使用萬用表並測量電路中各個點的電壓。

步驟3 - 如果電源中未發現問題，則接下來測試電路的各個元件，如二極體、電晶體、電阻、電容器等。如果發現任何故障元件，請更換它。

步驟4 - 如果元件中未發現任何問題，那麼我們必須使用示波器等裝置對電路進行復雜測試。此過程將幫助我們分析電路中訊號的行為。

所有這些步驟都可以幫助我們識別和排除電子電路中的常見問題。

11. 為什麼電路設計在電子學中很重要？

電路設計是電子專案中非常重要的一步。以下是其背後的幾個常見原因：

• 定義電路的校正功能
• 提供最大效率和執行效能
• 避免電路故障
• 提高可靠性
• 最佳化資源，使電路具有成本效益
• 減少故障排除複雜性等。

12. 感測器如何在電子電路中使用？

感測器是用於電子電路中感知或測量物理量（如溫度、壓力、運動等）的裝置。測量這些量後，感測器會將其轉換為電訊號，可以使用處理器或控制器對其進行處理。感測器在電子電路中用於在過程和處理器之間進行介面。

13. 微控制器在電子學中做什麼？

微控制器可以在電子電路中執行以下功能：

• 資料處理、計算和邏輯運算
• 控制各種電子裝置的操作
• 從感測器採集資料
• 響應關鍵操作等。

14. 麵包板如何幫助構建電子電路？

麵包板是用於構建電子電路原型的一種基本工具。它提供了一個相互連線的孔網格，用於插入和連線電路的不同元件，而無需焊接。

在電子電路中，麵包板使電路的組裝和修改更加容易。因此，它是原型階段類比電子電路的最佳工具。

15. 什麼是訊號處理，為什麼它在電子學中很重要？

解釋、分析和改變電子訊號以獲取有用資訊或提高訊號質量的過程稱為訊號處理。

訊號處理在電子學中很重要，原因如下：

• 透過減少噪聲和干擾來提高訊號質量。
• 提高訊號強度。
• 執行有效的訊號傳輸和儲存等。