【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第六章無(wú)線電基礎(chǔ)

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫(kù)（1庫(kù)倫=3×10?靜庫(kù)）；電勢(shì)的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的。】

§6-12半導(dǎo)體和晶體管

1、半導(dǎo)體的基本性質(zhì)

【01】大多數(shù)金屬的導(dǎo)電性能都是很好的。而琥珀、硬橡膠等物質(zhì)幾乎是不導(dǎo)電的。在自然界中還有許多固態(tài)物質(zhì)，它們的電阻率介乎導(dǎo)體與絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體包括的范圍很廣，象鍺、硒、硅、碲等元素，許多元素的氧化物和一些金屬化合物（如氧化亞銅、硫化鉛、銻化銦等），以及大多數(shù)礦石，都是半導(dǎo)體。

【02】半導(dǎo)體的原子核和它的外圍電子結(jié)合的牢固程度介于導(dǎo)體和絕緣體之間，它本身沒(méi)有多少自由電子，但是由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，可以有一部分電子“釋放”出來(lái)成為自由電子，因而能在一定程度上起導(dǎo)電的作用。這種導(dǎo)電形式稱為半導(dǎo)體的電子導(dǎo)電，由于半導(dǎo)體的原子核對(duì)電子的束縛較弱，外界的影響可以顯著地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。例如，對(duì)半導(dǎo)體加熱，可使自由電子數(shù)增多，導(dǎo)電性加強(qiáng)，也就是可使它的電阻率減?。ê鸵话銓?dǎo)體相反）；又如光的刺激也能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。因?yàn)榘雽?dǎo)體有這些獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，所以被廣泛地應(yīng)用在許多科學(xué)技術(shù)部門。

【03】除了電子導(dǎo)電以外，還有所謂空穴導(dǎo)電，現(xiàn)在用硅為例，說(shuō)明如下。每一個(gè)硅原子的最外層有四個(gè)價(jià)電子。在硅的晶體里，原子排列得很有規(guī)則，每一硅原子都和周圍四個(gè)硅原子以價(jià)鍵的形式聯(lián)系著，每一鍵由相鄰兩個(gè)原子各出一個(gè)電子組成，如圖6·36所示。如果鍵中有一個(gè)電子脫出而成為自由電子時(shí)，鍵中就有了空位，鄰近鍵中的電子就可能跳到這個(gè)空位上來(lái)，這就相當(dāng)空位移到鄰近的位置去，所以在外加電場(chǎng)的作用下，電子移動(dòng)的方向如果向左，則空位就向右移動(dòng)，這種空位就稱作空穴。

【04】近代的理論研究指出：在純凈晶體中摻入雜質(zhì)的辦法是增強(qiáng)導(dǎo)電性能的有效措施。例如：在硅中摻入極少量的砷，因?yàn)樯榈耐鈬?5 個(gè)電子，當(dāng)某一個(gè)砷原子來(lái)代替硅原子時(shí)，它周圍的四個(gè)電子用來(lái)組成價(jià)鍵，剩余的一個(gè)電子則很容易脫離碑原子而成為自由電子，因此它的導(dǎo)電性就比純硅好得多，這樣的半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，故稱電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱 N 型半導(dǎo)體，反之，如在硅中摻入少量的鋁，因?yàn)殇X的外圍只有三個(gè)電子，在組成價(jià)鍵時(shí)總?cè)鄙僖粋€(gè)電子，也就是產(chǎn)生了一個(gè)“空穴”。這樣的硅比純硅更能導(dǎo)電，它主要是靠空穴導(dǎo)電，故稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱 P 型半導(dǎo)體。

2、晶體管

【05】把 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合在一起，就可制成有重大實(shí)際意義的裝置，晶體管就是利用這樣的結(jié)合構(gòu)成的。晶體管有晶體二極管和晶體三極管之分，它們可以象二極電子管和三極電子管一樣，具有檢波、整流及放大等作用，今分述如下：

晶體二極管

【06】將一塊 P 型半導(dǎo)體和一塊 N 型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，其結(jié)合處稱為 P-N 結(jié)。如圖6·37所示，左邊 P 型半導(dǎo)體中的空穴密度很大，它們就向空穴密度較小的 N 型半導(dǎo)體中擴(kuò)散。而右邊 N 型半導(dǎo)體中的電子就向電子密度較小的 P 型半導(dǎo)體中擴(kuò)散。結(jié)果在交界面附近，P 型半導(dǎo)體中的空穴減少了，N 型半導(dǎo)體中的電子減少了，形成一個(gè)叫做阻擋層的區(qū)域，它阻止 P 型中的空穴和 N 型中的電子繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散。

【07】現(xiàn)在在 P-N 結(jié)上加一個(gè)電壓，如圖6·38所示，P 端接正極，N 端接負(fù)極，那么，在電場(chǎng)作用下 P 型半導(dǎo)體中的空穴要向右移動(dòng)，N 型半導(dǎo)體中電子要向左移動(dòng)，這時(shí)阻擋層的電阻很小，電流很容易流通，就象二極電子管導(dǎo)電時(shí)一樣。相反，如果在 P-N 結(jié)上加一個(gè)如圖6·39所示的電壓，N 端接正極，P 端接負(fù)極，同理可知，這時(shí)阻擋層變寬，電阻變大，電流難以流通。

【08】利用 P-N 結(jié)的單向?qū)щ娦阅?，可以做成晶體二極管，它也有檢波和整流的作用。

晶體三極管

【09】如圖6·40所示，在兩層 N 型半導(dǎo)體中間夾一層厚度小于 0.1 毫米的 P 型半導(dǎo)體，構(gòu)成所謂晶體三極管。左邊的一層叫發(fā)射極，中間的一層叫基極，右邊的一層叫集電極，發(fā)射極用 e 表示，它的作用和電子管中陰極相似；基極用 b 表示，它相當(dāng)于電子管中的柵極，集電極用 c 表示，它相當(dāng)于電子管中的屏極。給 e 和 b 加一通流方向的電壓，這時(shí) N-P 結(jié)的阻擋層電阻很小，左邊 N 型半導(dǎo)體里的電子很容易進(jìn)入 P 型半導(dǎo)體。給 c 和 b 加一個(gè)相當(dāng)大的阻流方向的電壓，這時(shí)阻擋層的電阻很大，右邊 N 型半導(dǎo)體里的電子很難進(jìn)入 P，而 P 中的電子卻很容易進(jìn)入 N。因?yàn)閺淖筮?N 型半導(dǎo)體進(jìn)入 P 中的電子，由于 b-e 間電場(chǎng)弱，有 98% 以上的電子靠熱運(yùn)動(dòng)向前擴(kuò)散。當(dāng)它們接近集電極 c 時(shí)，在 c-b 間強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，又被拉入集電極。因此，當(dāng)發(fā)射極電路中的通流方向電壓有微小的改變時(shí)，直接引起了進(jìn)入集電極的電子數(shù)目的變化，即引起集電極線路中的電流變化，使 R 兩端的電壓也得到相應(yīng)的改變，當(dāng) R 的電阻足夠大時(shí)，兩端電壓變化就可以比發(fā)射極電路中電壓改變大好幾倍，這就是晶體三極管的電壓放大作用。

3、再生式晶體管收音機(jī)

【10】晶體管收音機(jī)和電子管收音機(jī)一樣，如果采用再生式電路，無(wú)論靈敏度和選擇性都會(huì)大大的提高。

【11】晶體管收音機(jī)的工作原理如圖6·41所示，天線上收集到的各電臺(tái)的信號(hào)，通過(guò)電容器 C? 送到由 C?L? 組成的調(diào)諧回路，經(jīng)過(guò)調(diào)諧回路的選擇以后，把所要收聽的信號(hào)借 L?L? 兩線圈間的耦合關(guān)系送入晶體二極管進(jìn)行檢波，檢波器的負(fù)載就是晶體三極管的輸入電阻，這樣就可把檢波所得的信號(hào)無(wú)損耗地交給晶體三極管去放大。

【12】一個(gè)檢波器在對(duì)高頻調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行檢波時(shí)，在它的輸出負(fù)載上有一個(gè)是檢波所得的低頻信號(hào)，還有一個(gè)是剩余的高頻信號(hào)。低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)晶體三極管的放大以后，從集電極 C 上輸出通過(guò)高頻扼流圈流入耳機(jī)中發(fā)聲。而高頻信號(hào)離開集電極 C 以后，由于高頻扼流圈的阻礙，不能流入耳機(jī)，只好取道 R?、C? 重新流入調(diào)諧回路，這一反饋回來(lái)的高頻信號(hào)的位相，只要和輸入調(diào)諧回路的高頻信號(hào)的位相相同，就會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)調(diào)諧回路中的高頻信號(hào)，加強(qiáng)以后的信號(hào)再送去檢波和放大，這就是再生式收音機(jī)的特點(diǎn)。再生式晶體管收音機(jī)除用晶體管代替電子管以外，其他的作用原理和再生式電子管收音機(jī)相同。

4、晶體管的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用

【13】自從1948年晶體管誕生以后，在很多方面晶體管不但已經(jīng)代替了電子管的工作，而且引起了電子學(xué)中根本性的技術(shù)革命，晶體管之所以如此迅速地被廣泛應(yīng)用，并且有著廣闊的發(fā)展前途，那是由于晶體管有很多的優(yōu)點(diǎn)：

【14】體積小——一個(gè)晶體管連外殼在內(nèi)，其大小也不超過(guò)一厘米，而電子管卻要此一厘米長(zhǎng)好幾倍；

【15】耗電少——晶體管不需要加熱燈絲，因此就省去了燈絲電源，同時(shí)晶體管經(jīng)常在低電壓情況下工作，工作時(shí)只需要消耗極少的電功率；

【16】重量輕——晶體管不僅本身的重量輕，而且因?yàn)樗恍枰獰艚z電源，因而從裝成成套的儀器來(lái)比較，更顯出其輕便的優(yōu)點(diǎn)來(lái)；

【17】結(jié)構(gòu)牢固——晶體管能耐受強(qiáng)烈的振動(dòng)；

【18】壽命長(zhǎng)——晶體管使用的時(shí)間一般為 7 萬(wàn)小時(shí)，而電子管平均使用時(shí)間只有幾千小時(shí)。

【19】因?yàn)榫w管有上述幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，所以用晶體管制造的各種儀器在國(guó)防和自動(dòng)控制上有其特殊的用途。象電子計(jì)算機(jī)上用晶體管代替電子管，就大大節(jié)約電源，縮小體積，增長(zhǎng)壽命。現(xiàn)代化國(guó)防和科研生產(chǎn)的需要，對(duì)電子計(jì)算機(jī)等進(jìn)一步提出了向超小型化與高速化發(fā)展的要求。為了減輕人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈以及其他星際航行儀器的控制設(shè)備的重量，減小其體積，增加其工效，耐震程度，增加其壽命，1962年出現(xiàn)了半導(dǎo)體集成電路等，后來(lái)又出現(xiàn)了比一般集成度高得多的大規(guī)模集成電路，并得到了廣泛的應(yīng)用。

習(xí)題6-12

1、什么是空穴型半導(dǎo)體？什么是電子型半導(dǎo)體？

2、晶體二極管是怎樣進(jìn)行檢波和整流作用的？

3、為什么晶體三極管具有放大作用？

4、畫出再生式晶體管收音機(jī)的電路圖.

5、試述晶體管有哪些優(yōu)點(diǎn)？