日常记录（3）：硬件体验与心得

JK触发器是一种重要的数字电路元件，广泛应用于计数器、寄存器等电路中。以下是对JK触发器及其相关内容的详细介绍。

PN结

二极管的核心是PN结，因此其单向导电性取决于PN结的特性。在P型和N型半导体的交界处，N区的自由电子浓度较高，这些带负电的自由电子会从N区向电子浓度较低的P区扩散。扩散的结果是，PN结中靠P区一侧带负电，靠N区一侧带正电，形成由N区指向P区的电场，即PN结内电场。内电场会阻止多数载流子的继续扩散，也称为阻档层。

(1) PN结加上正向电压的情况：将PN结的P区连接到电源的正极，N区连接到电源的负极。此时，外加电压对PN结产生的电场与PN结内电场方向相反，削弱了PN结内电场，使多数载流子能够顺利通过PN结形成正向电流。随着外加电压的增加，正向电流迅速增大，即PN结在加正向电压时处于导通状态。

(2) PN结加上反向电压的情况：将PN结的P区连接到电源的负极，N区连接到电源的正极。此时，外加电压对PN结产生的电场与PN结内电场方向相同，加强了PN结内电场。多数载流子在电场力的作用下难以通过PN结，反向电流非常微小，即PN结在加反向电压时处于截止状态。

NPN和PNP三极管

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，将整块半导体分成三部分：中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区。标记为e（发射极）、b（基极）、c（集电极）。

一、电流放大

以下分析仅适用于NPN型硅三极管。如上图所示，从基极B流至发射极E的电流称为基极电流Ib；从集电极C流至发射极E的电流称为集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上用一个箭头表示电流的方向。

三极管的放大作用是：

集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流），并且基极电流的微小变化会引起集电极电流的较大变化，且变化满足一定的比例关系：

集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，因此β被称为三极管的放大倍数（β通常远大于1，例如几十或几百）。

如果将一个变化的小信号加到基极和发射极之间，这将引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致Ic的较大变化。

如果集电极电流Ic流过一个电阻R，根据电压计算公式U=R*I，可以计算出电阻上的电压将发生较大变化。我们从这个电阻上取出电压，就得到了放大后的电压信号。

二、偏置电路

三极管在实际的放大电路中使用时，需要添加合适的偏置电路，原因有以下几点。

首先，由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压达到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流可以认为是0。

但实际中要放大的信号往往远小于0.7V，如果不加偏置，这么小的信号就不足以引起基极电流的变化（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加一个合适的电流（称为偏置电流，电阻Rb提供这个电流，因此它被称为基极偏置电阻），那么当一个小信号与这个偏置电流叠加时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化将被放大并在集电极上输出。

另一个原因是输出信号范围的要求。如果没有加偏置，那么只有对增加的信号进行放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小）。加上偏置后，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流减小时，集电极电流可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流增大。这样，减小的信号和增大的信号都可以被放大。

三、开关作用

接下来讨论三极管的饱和情况。由于受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流不能无限增加。

当基极电流的增大不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的标准是：Ib*β>Ic。

进入饱和状态后，三极管的集电极与发射极之间的电压将非常小，可以理解为一个开关闭合了。这样，我们就可以使用三极管作为开关：

当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这称为三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。

如果三极管主要工作在截止和饱和状态，我们通常将其称为开关管。

四、工作状态

如果在上图中，将电阻Rc换成一个灯泡，当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡熄灭。

如果基极电流较大时（超过流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡亮起。

由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点，因此可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。

如果基极电流从0慢慢增加，灯泡的亮度也会随之增加（在三极管未饱和之前）。

场效应管

场效应管是在三极管的基础上开发出来的。三极管通过电流的大小控制输出，输入需要消耗功率。场效应管通过输入电压控制输出，不消耗功率。

场效应管和三极管的区别在于电压和电流控制，但这都是相对的。电压控制的也需要电流，电流控制的也需要电压，只是相对较小。

就其性能而言，场效应管明显优于普通三极管，无论是频率还是散热要求，只要电路设计合理，采用场效应管会明显提升整体性能。