有一些历史原油，但可用的是一些历史原油，但在高纯度材料可用之前可用的半导体整流器。 Ferdinand Braun 于 1874 年发明了基于硫化铅 PbS 的点接触整流器。1924 年氧化亚铜整流器被用作电源整流器。正向压降为 0.2 V。线性特性曲线可能是 Cu2O 被用作整流器的原因基于 DArsonval 的万用表上的 AC 刻度。这个二极管也是光敏的。 在现代功率二极管整流器出现之前，使用了氧化硒整流器。这些和 Cu2O 整流器是多晶器件。光电电池曾经是由硒制成的。 在半导体之前 在现代半导体时代之前，早期的二极管应用是射频检测器 ，它从无线电信号中恢复音频。 “半导体”是方铅

如果在下图（a）中将一块 P 型半导体与一块 N 型半导体接触，则结果没有价值。我们有两个相互接触的导电块，没有表现出独特的特性。问题是两个独立且不同的晶体体。电子数量由两个块中的质子数量平衡。因此，两个区块都没有任何净电荷。 然而，在下图 (b) 中，由一端为 P 型材料而另一端为 N 型材料制成的单个半导体晶体具有一些独特的性质。 P 型材料具有正多数电荷载流子、空穴，它们可以在晶格周围自由移动。 N 型材料具有可移动的负多数载流子，即电子。在结附近，N 型材料电子通过结扩散，与 P 型材料中的空穴结合。由于电子被吸引，靠近结的 P 型材料区域带有净负电荷。由于电子离开 N 型区域，它带

与金属相比，纯半导体是相对较好的绝缘体，尽管不如玻璃等真正的绝缘体好。为了在半导体应用中有用，本征半导体 （纯未掺杂半导体）在 100 亿个半导体原子中必须含有不超过一个杂质原子。这类似于铁路车厢糖中的一粒盐杂质。不纯或脏的半导体导电性要好得多，但不如金属好。为什么会这样？要回答这个问题，我们必须看看下图这种材料的电子结构。 电子结构 下图 (a) 显示了半导体价壳中的四个电子与其他四个原子形成共价键。这是上图的扁平化、更易于绘制的版本。一个原子的所有电子都被四个共价键捆绑在一起，即共享电子对。电子不能在晶格中自由移动。因此，与金属相比，本征、纯半导体是相对较好的绝缘体。 (a) 本

量子物理学根据量子数的四重方案描述原子中电子的状态 .量子数描述了允许状态 电子可以假设在一个原子中。使用圆形剧场的类比，量子数描述了可用的行数和座位数。单个电子可以通过量子数的组合来描述，就像圆形剧场中的观众被分配到特定的行和座位一样。 就像圆形剧场中的观众在座位和行之间移动一样，电子可能会改变它们的状态，因为存在可供它们放置的可用空间和可用能量。由于壳层级与电子拥有的能量密切相关，壳层级（甚至亚壳层级）之间的“跳跃”需要能量转移。如果电子要进入高阶壳层，则需要从外部源为电子提供额外的能量。使用圆形剧场的类比，一个人移动到更高一排的座位需要增加能量，因为这个人必须克服重力爬到更高的高度。相

价态： 最外层壳或价壳中的电子被称为价 电子。这些价电子负责化学元素的化学性质。正是这些电子参与了与其他元素的化学反应。适用于简单反应的一个过于简化的化学规则是原子试图形成一个完整的 8 个电子外壳（两个用于 L 壳）。原子可能会放出一些电子以暴露下面的完整壳层。原子可以接受一些电子来完成壳。这两个过程从原子形成离子。原子甚至可以在原子之间共享电子以试图完成外壳。这个过程形成分子键。即原子结合形成分子 导体 例如 I 族元素：Li、Na、K、Cu、Ag 和 Au 具有单价电子。 （下图）这些元素都具有相似的化学性质。这些原子很容易放出一个电子与其他元素发生反应。容易放出电子的能力使这些元

“我认为可以肯定地说，没有人了解量子力学。” ——物理学家 Richard P. Feynman 说半导体器件的发明是一场革命，一点也不为过。这不仅是一项令人印象深刻的技术成就，而且为不可磨灭地改变现代社会的发展铺平了道路。半导体设备使微型电子产品成为可能，包括计算机、某些类型的医疗诊断和治疗设备以及流行的电信设备，仅举几例该技术的应用。 在这场技术革命的背后，是一场更伟大的普通科学革命：量子物理 .如果没有在理解自然世界方面的这种飞跃，半导体设备（以及仍在开发中的更先进的电子设备）的发展将永远不可能。量子物理学是一个极其复杂的科学领域。本章只是简要概述。当费曼这样的科学家说“没有人理解[

本章将介绍半导体器件运行背后的物理原理，并展示这些原理如何应用于几种不同类型的半导体器件。后续章节将主要讨论这些器件在电路中的实际应用，并尽可能省略理论。

什么是衰减器？ 衰减器是无源设备。与分贝一起讨论它们很方便。衰减器减弱或衰减 信号发生器的高电平输出，例如，为诸如敏感无线电接收器的天线输入之类的东西提供低电平信号。 （下图）衰减器可以内置在信号发生器中，也可以是一个独立的设备。它可以提供固定或可调节的衰减量。衰减器部分还可以提供源和麻烦负载之间的隔离。 恒阻抗衰减器与源阻抗 ZI 和负载阻抗 ZO 匹配。射频设备Z为50Ω。 在独立衰减器的情况下，必须通过断开信号路径将其串联放置在信号源和负载之间，如上图所示。此外，它必须匹配源阻抗 Z 我 和负载阻抗 Z 哦 ，同时提供指定的衰减量。在本节中，我们将只考虑源阻抗和负载阻抗相等的特

分贝作为绝对功率单位 除了用作功率增益或损耗的表达外，还可以将分贝用作绝对功率的单位。一个常见的例子是使用分贝作为声压强度的测量。在这种情况下，测量是参考一些定义为 0 dB 的标准化功率电平进行的。对于声压的测量，0 dB 被松散地定义为人类听力的下限，客观量化为每平方米面积 1 皮瓦的声功率。 在分贝声级上测量 40 dB 的声音将是 104 大于听力阈值的数倍。 100 dB 的声音将是 1010 （百亿）倍于听觉阈值。 分贝量表的变化 由于人耳对声音的所有频率并不同等敏感，因此已经开发了分贝声功率标度的变化来表示不同频率下生理上等效的声音强度。一些声强仪器配备了滤波器网络，以在整

Bel 用于表示增益 在最简单的形式中，放大器的增益 是产出与投入的比率。像所有比率一样，这种形式的增益是无单位的。然而，有一个实际的单位用来表示增益，它被称为 bel . 作为一个单位，贝尔实际上被设计为一种方便的方式来表示功率损失 在电话系统布线而不是增益 在放大器中。该单位的名称源自苏格兰著名发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell），他的工作在开发电话系统方面发挥了重要作用。最初，bel 表示由于标准长度的电缆上的电阻引起的信号功率损失量。现在，它是根据功率比（输出功率除以输入功率）的常用（以 10 为底）对数来定义的： Bel 是非线性的

电压增益 由于放大器能够增加输入信号的幅度，因此能够根据输出/输入比对放大器的放大能力进行评级是很有用的。放大器输出/输入幅度比的技术术语是增益 .作为等单位（功率输出/功率输入，电压输出/电压输入，或电流输出/电流输入）的比率，增益自然是无单位测量。 在数学上，增益用大写字母“A”表示。 如何计算电压增益 例如，如果放大器接收测量为 2 伏 RMS 的交流电压信号并输出​​ 30 伏 RMS 的交流电压，则其交流电压增益为 30 除以 2，即 15： 相应地，如果我们知道放大器的增益和输入信号的幅度，我们就可以计算出输出的幅度。例如，如果交流电流增益为 3.5 的放大器被给予 2

有源器件的实际好处 有源设备的实际好处是它们的放大 能力。无论所讨论的设备是电压控制的还是电流控制的，控制信号所需的功率量通常远小于受控电流中可用的功率量。换句话说，有源器件不仅仅让电来控制电；它允许一个小 控制大的电量 电量。 由于控制之间的这种差异 和控制 功率，有源设备可用于通过应用少量功率（控制）来管理大量功率（控制）。这种行为被称为放大 . 机器能量守恒定律 能量既不能被创造也不能被消灭，这是物理学的基本规则。正式地说，这条规则被称为能量守恒定律，迄今为止还没有发现任何例外。如果这个定律是真的——而且大量的实验数据表明它是真的——那么就不可能制造出一种能够吸收少量能量并神奇地将

无源设备 无法通过其他电信号控制电流的组件称为无源 设备。电阻器、电容器、电感器、变压器，甚至二极管都被认为是无源器件。 活动设备 活跃 装置是具有电气控制电荷流（电控制电）能力的任何类型的电路元件。为了将电路正确地称为electronic ，它必须包含至少一个活动设备。有源器件包括但不限于真空管、晶体管、可控硅（SCR）和可控硅。 可以将饱和电抗器定义为有源器件，因为它能够用直流电流控制交流电流，但我从未听说过这样称呼它。这些有源器件的操作将在本卷的后续章节中进行探讨。 有源设备的功能 所有有源器件都控制通过它们的电荷流。一些有源器件允许电压控制该电流，而其他有源器件允许另一个电流来

简介 这本系列丛书的第三卷电路课程 与前两者的区别在于电动之间的过渡 电路和电子 电路正式交叉。电路是导线和其他设备的连接，由此产生均匀的电荷流动。电子电路为电路增添了新的维度，因为它具有控制 由另一个电信号（电压或电流）施加在电荷流上。 电子电路 就其本身而言，电荷流的控制对电路的学生来说并不是什么新鲜事。开关控制电荷的流动，电位计也是如此，尤其是当作为可变电阻器（变阻器）连接时。在您的研究中，开关和电位计都不应该是您的新体验。那么，标志着从电气到电子转变的阈值由如何定义 电荷的流动受到控制，而不是电路中是否存在任何形式的控制。开关和变阻器根据机械装置的位置控制电荷的流动，机械装置由电路

任何特定微处理器芯片拥有的指令“词汇表”都特定于该芯片型号。例如，Intel 80386 使用与 Motorola 68020 完全不同的一组二进制代码来指定等效功能。 不幸的是，微处理器指令没有适当的标准。这使得最底层的编程非常混乱和专业。 当人类程序员开发一组指令来直接告诉微处理器如何做某事（例如自动控制发动机的燃油喷射率）时，他们正在使用 CPU 自己的“语言”进行编程。这种语言由与 CPU 芯片内的控制单元解码以执行任务完全相同的二进制代码组成，通常被称为机器语言 . 虽然机器语言软件可以用二进制表示法“措辞”，但它通常以十六进制形式编写，因为人类更容易使用。例如，我将仅介绍 I

Alan Turing 和 John Von Neumann 等早期计算机科学先驱假设，要使计算设备真正有用，它不仅必须能够按照程序指令生成特定输出，而且还必须能够写入数据记忆，并能够在以后对这些数据采取行动。 程序步骤和处理过的数据都驻留在一个公共内存“池”中，从而让位于存储程序计算机的标签 .图灵的理论机器使用顺序存取磁带，它会存储数据供控制电路读取，控制电路将数据重新写入磁带和/或将磁带移动到新位置以读取更多数据。 现代计算机使用随机存取存储设备而不是顺序存取磁带来完成基本相同的事情，只是功能更强。 一个有用的例子是早期的自动机床控制技术。称为开环 ，或者有时只是NC （数字控制）

反馈是一个引人入胜的工程原理。它可以将一个相当简单的设备或过程变成更复杂的东西。我们已经看到了有意将反馈集成到电路设计中的效果，并产生了一些相当惊人的效果： 可控增益放大器 有滞后的比较器 多谐振荡器 在过程仪表领域，反馈用于将简单的测量系统转变为能够控制的系统： 闭环控制系统 反馈，无论是正面的还是负面的，都倾向于为设备或系统的操作添加全新的动态。有时，这些新动态会找到有用的应用，而有时它们只是有趣。 通过将查找表编程到存储设备中，从数据输出返回地址输入的反馈创建了一种全新类型的设备：有限状态机 , 或 FSM : 上述电路说明了基本思想：存储在每个地址的数据成

在上一章中了解了数字存储设备后，我们知道可以在固态设备中存储二进制数据。通过使用适当的二进制值驱动设备的“地址”线，可以轻松寻址固态存储设备中的那些存储“单元”。 假设我们有一个 ROM 存储器电路，用某些数据写入或编程，这样 ROM 的地址线作为输入，ROM 的数据线作为输出，产生特定逻辑功能的特征响应。理论上，我们可以对这个 ROM 芯片进行编程，以模拟我们想要的任何逻辑功能，而无需更改任何接线或门。 考虑以下使用半加器功能编程的 4 x 2 位 ROM 存储器（一个非常小的存储器！）的示例： 如果这个ROM已经写入了上述数据（代表一个半加器的真值表），驱动A和B地址输入

假设我们想要构建一个可以将两个二进制位相加的设备。这种器件被称为半加器，其门电路如下所示： Σ 符号代表半加器的“和”输出，即和的最低有效位 (LSB)。 Cout 代表半加器的“进位”输出，和的最高有效位（MSB）。 如果我们在梯形（中继）逻辑中实现同样的功能，它会是这样的： 任一电路都能够将两个二进制数字相加。如何将位相加的数学“规则”是电路的硬连线逻辑所固有的。 如果我们想对二进制位执行不同的算术运算，例如乘法，我们将不得不构建另一个电路。上述电路设计只会执行一个功能：将两个二进制位相加。要让他们做其他事情需要重新布线，也许还需要不同的组件。 从这个意

最早的涉及移动部件的数字数据存储形式是穿孔纸卡。 Joseph Marie Jacquard 于 1780 年发明了一种织布机，该织布机通过在纸卡上小心地放置孔来自动遵循编织指令。 同样的技术在 1950 年代被应用于电子计算机，卡片被机械读取（金属与金属通过孔接触），气动（通过孔吹空气，空气喷嘴背压感测孔的存在），或光学（光线穿过孔洞）。 纸卡的改进是纸带，仍然用于某些工业环境（特别是数控机床行业），在这些环境中数据存储和速度要求较低，并且高度重视耐用性。 通常使用聚酯薄膜材料代替木纤维纸，其中最流行的方法是对胶带进行光学读取。 磁带（非常类似于录音带或录像带）是存储介质的下一个合