【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第六章无线电基础

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】

§6-12半导体和晶体管

1、半导体的基本性质

【01】大多数金属的导电性能都是很好的。而琥珀、硬橡胶等物质几乎是不导电的。在自然界中还有许多固态物质，它们的电阻率介乎导体与绝缘体之间，称为半导体。半导体包括的范围很广，象锗、硒、硅、碲等元素，许多元素的氧化物和一些金属化合物（如氧化亚铜、硫化铅、锑化铟等），以及大多数矿石，都是半导体。

【02】半导体的原子核和它的外围电子结合的牢固程度介于导体和绝缘体之间，它本身没有多少自由电子，但是由于原子的热运动，可以有一部分电子“释放”出来成为自由电子，因而能在一定程度上起导电的作用。这种导电形式称为半导体的电子导电，由于半导体的原子核对电子的束缚较弱，外界的影响可以显著地改变半导体的导电性质。例如，对半导体加热，可使自由电子数增多，导电性加强，也就是可使它的电阻率减小（和一般导体相反）；又如光的刺激也能改变半导体的导电性质。因为半导体有这些独特的电学性质，所以被广泛地应用在许多科学技术部门。

【03】除了电子导电以外，还有所谓空穴导电，现在用硅为例，说明如下。每一个硅原子的最外层有四个价电子。在硅的晶体里，原子排列得很有规则，每一硅原子都和周围四个硅原子以价键的形式联系着，每一键由相邻两个原子各出一个电子组成，如图6·36所示。如果键中有一个电子脱出而成为自由电子时，键中就有了空位，邻近键中的电子就可能跳到这个空位上来，这就相当空位移到邻近的位置去，所以在外加电场的作用下，电子移动的方向如果向左，则空位就向右移动，这种空位就称作空穴。

【04】近代的理论研究指出：在纯净晶体中掺入杂质的办法是增强导电性能的有效措施。例如：在硅中掺入极少量的砷，因为砷的外围有 5 个电子，当某一个砷原子来代替硅原子时，它周围的四个电子用来组成价键，剩余的一个电子则很容易脱离碑原子而成为自由电子，因此它的导电性就比纯硅好得多，这样的半导体主要靠电子导电，故称电子型半导体，简称 N 型半导体，反之，如在硅中掺入少量的铝，因为铝的外围只有三个电子，在组成价键时总缺少一个电子，也就是产生了一个“空穴”。这样的硅比纯硅更能导电，它主要是靠空穴导电，故称为空穴型半导体，简称 P 型半导体。

2、晶体管

【05】把 N 型半导体和 P 型半导体适当地结合在一起，就可制成有重大实际意义的装置，晶体管就是利用这样的结合构成的。晶体管有晶体二极管和晶体三极管之分，它们可以象二极电子管和三极电子管一样，具有检波、整流及放大等作用，今分述如下：

晶体二极管

【06】将一块 P 型半导体和一块 N 型半导体紧密地结合在一起，其结合处称为 P-N 结。如图6·37所示，左边 P 型半导体中的空穴密度很大，它们就向空穴密度较小的 N 型半导体中扩散。而右边 N 型半导体中的电子就向电子密度较小的 P 型半导体中扩散。结果在交界面附近，P 型半导体中的空穴减少了，N 型半导体中的电子减少了，形成一个叫做阻挡层的区域，它阻止 P 型中的空穴和 N 型中的电子继续向对方扩散。

【07】现在在 P-N 结上加一个电压，如图6·38所示，P 端接正极，N 端接负极，那么，在电场作用下 P 型半导体中的空穴要向右移动，N 型半导体中电子要向左移动，这时阻挡层的电阻很小，电流很容易流通，就象二极电子管导电时一样。相反，如果在 P-N 结上加一个如图6·39所示的电压，N 端接正极，P 端接负极，同理可知，这时阻挡层变宽，电阻变大，电流难以流通。

【08】利用 P-N 结的单向导电性能，可以做成晶体二极管，它也有检波和整流的作用。

晶体三极管

【09】如图6·40所示，在两层 N 型半导体中间夹一层厚度小于 0.1 毫米的 P 型半导体，构成所谓晶体三极管。左边的一层叫发射极，中间的一层叫基极，右边的一层叫集电极，发射极用 e 表示，它的作用和电子管中阴极相似；基极用 b 表示，它相当于电子管中的栅极，集电极用 c 表示，它相当于电子管中的屏极。给 e 和 b 加一通流方向的电压，这时 N-P 结的阻挡层电阻很小，左边 N 型半导体里的电子很容易进入 P 型半导体。给 c 和 b 加一个相当大的阻流方向的电压，这时阻挡层的电阻很大，右边 N 型半导体里的电子很难进入 P，而 P 中的电子却很容易进入 N。因为从左边 N 型半导体进入 P 中的电子，由于 b-e 间电场弱，有 98% 以上的电子靠热运动向前扩散。当它们接近集电极 c 时，在 c-b 间强电场的作用下，又被拉入集电极。因此，当发射极电路中的通流方向电压有微小的改变时，直接引起了进入集电极的电子数目的变化，即引起集电极线路中的电流变化，使 R 两端的电压也得到相应的改变，当 R 的电阻足够大时，两端电压变化就可以比发射极电路中电压改变大好几倍，这就是晶体三极管的电压放大作用。

3、再生式晶体管收音机

【10】晶体管收音机和电子管收音机一样，如果采用再生式电路，无论灵敏度和选择性都会大大的提高。

【11】晶体管收音机的工作原理如图6·41所示，天线上收集到的各电台的信号，通过电容器 C₁ 送到由 C₀L₀ 组成的调谐回路，经过调谐回路的选择以后，把所要收听的信号借 L₀L₁ 两线圈间的耦合关系送入晶体二极管进行检波，检波器的负载就是晶体三极管的输入电阻，这样就可把检波所得的信号无损耗地交给晶体三极管去放大。

【12】一个检波器在对高频调幅信号进行检波时，在它的输出负载上有一个是检波所得的低频信号，还有一个是剩余的高频信号。低频信号经过晶体三极管的放大以后，从集电极 C 上输出通过高频扼流圈流入耳机中发声。而高频信号离开集电极 C 以后，由于高频扼流圈的阻碍，不能流入耳机，只好取道 R₂、C₈ 重新流入调谐回路，这一反馈回来的高频信号的位相，只要和输入调谐回路的高频信号的位相相同，就会进一步加强调谐回路中的高频信号，加强以后的信号再送去检波和放大，这就是再生式收音机的特点。再生式晶体管收音机除用晶体管代替电子管以外，其他的作用原理和再生式电子管收音机相同。

4、晶体管的优点及其应用

【13】自从1948年晶体管诞生以后，在很多方面晶体管不但已经代替了电子管的工作，而且引起了电子学中根本性的技术革命，晶体管之所以如此迅速地被广泛应用，并且有着广阔的发展前途，那是由于晶体管有很多的优点：

【14】体积小——一个晶体管连外壳在内，其大小也不超过一厘米，而电子管却要此一厘米长好几倍；

【15】耗电少——晶体管不需要加热灯丝，因此就省去了灯丝电源，同时晶体管经常在低电压情况下工作，工作时只需要消耗极少的电功率；

【16】重量轻——晶体管不仅本身的重量轻，而且因为它不需要灯丝电源，因而从装成成套的仪器来比较，更显出其轻便的优点来；

【17】结构牢固——晶体管能耐受强烈的振动；

【18】寿命长——晶体管使用的时间一般为 7 万小时，而电子管平均使用时间只有几千小时。

【19】因为晶体管有上述几个优点，所以用晶体管制造的各种仪器在国防和自动控制上有其特殊的用途。象电子计算机上用晶体管代替电子管，就大大节约电源，缩小体积，增长寿命。现代化国防和科研生产的需要，对电子计算机等进一步提出了向超小型化与高速化发展的要求。为了减轻人造卫星、导弹以及其他星际航行仪器的控制设备的重量，减小其体积，增加其工效，耐震程度，增加其寿命，1962年出现了半导体集成电路等，后来又出现了比一般集成度高得多的大规模集成电路，并得到了广泛的应用。

习题6-12

1、什么是空穴型半导体？什么是电子型半导体？

2、晶体二极管是怎样进行检波和整流作用的？

3、为什么晶体三极管具有放大作用？

4、画出再生式晶体管收音机的电路图.

5、试述晶体管有哪些优点？