晶体管是硬件电路设计的主要元器件，晶体管电路设计是决定系统性能的关键因素，掌握晶体管电路设计对于硬件电路设计人员具有非常重要的现实意义。 本书总结作者在硬件电路设计、研究领域的相关成果，介绍晶体管电路设计的理论分析、实用电路和模拟仿真。主要内容包括晶体管基础知识、晶体管开关电路、组合负载开关电路、电平转换电路、电源切换电路、防反接保护电路、开关机电路、过欠压保护电路、晶体管应用电路及低功耗设计。本书对部分电路使用Multisim 14.0软件进行模拟仿真、实物PCB制作和实测验证，方便读者深入理解书中内容。 本书可供高等院校计算机、通信、电子信息、自动化等相关专业师生阅读，也可作为相关技术人员的参考书。

第1章 晶体管
　　1.1 晶体管分类
　　晶体管（transistor）泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种固体半导体材料制成的二极管（两个端子）、晶体三极管、场效应管、晶闸管
　　（后三者均为三个端子，简称三极管）等，有时特指双极性结型器件（晶体三极管），具有放大、开关、检波、整流、稳压、调制等多种功能，是现代电子产品的关键元器件。
　　晶体管具有从“低电阻输入”到“高电阻输出”特性，发明者将其取名为trans-resistor（转换电阻），后来缩写为transistor，是transfer（转移、变换）和resistor（电阻）两个单词的组合，直接翻译过来就是“阻抗变换器”，我国著名科学家钱学森，将其中文译名定为晶体管。
　　按照时间顺序，人类先后发明了热离子二极管、热离子真空三极管、半导体二极管、结型场效应晶体管（FET管）、双极性结型晶体管（BJT管）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET管）。
　　2016年，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，将当时***的晶体管制程从14nm（纳米）缩减到了1nm，实现了晶体管加工技术的一大突破。
　　根据载流子种类，晶体管可分为双极性结型晶体管（电子和空穴）和单极型场效应晶体管（电子或空穴），电子为负电荷，空穴为正电荷。本书后续内容中的晶体管主要指双极性结型晶体管。
　　晶体管从器件性能上分为BJT管（NPN管、PNP管）、FET管（N沟道、P沟道，均为耗尽型）、MOS管（N沟道、P沟道，每种沟道还分为增强型和耗尽型）、MES管、VMOS管、DMOS管、BiMOS管等。
　　晶体管从功能上分为通用型、开关型、射频型、功率型、高压型等。
　　晶体管从材料上分为硅管、锗管等，本书主要涉及硅管。
　　1.2 二极管
　　1.2.1 二极管特性
　　1. 基本结构特性
　　晶体二极管（diode）简称二极管，将PN 结半导体在P 区和N 区各引出一条金属线，分别称为正极和负极，封装后加工成一个普通二极管。P 区半导体端的端子称为anode（缩写为A，阳极、正极），N 区半导体端的端子称为cathode（缩写为C，阴极、负极）。P 型半导体的空穴浓度大于自由电子浓度，故称空穴为多数载流子（简称多子），自由电子为少数载流子（简称少子），空穴是导电的主体。N 型半导体的自由电子浓度大于空穴浓度，故称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子），自由电子是导电的主体。空穴是半导体区别导体的一个重要特征，空穴在外电场的作用下，也可以自由地在晶体中运动，和自由电子一样参与导电。温度升高，将产生更多的电子空穴对，载流子浓度升高，半导体导电能力增强。
　　在一定温度条件（室温）下，半导体中本征激发产生的自由电子与空穴始终处于一种平衡状态，自由电子（空穴）浓度约为1.45×1010/cm3，两者浓度之积为一常数（类似于pH 值正负离子浓度之积为常数）。掺入五价元素（如磷）后，半导体中的自由电子浓度升高，相应的空穴的浓度急剧降低，本征激发产生的载流子远少于掺杂产生的载流子，其导电性能主要取决于掺杂程度。在室温（300K）下，硅材料内的电子迁移率约为1500cm2/（V×s），空穴迁移率约为475cm2/（V×s），也就是说，在给定的电场，硅材料内的电子迁移率约为空穴迁移率的3 倍。迁移率反映了载流子的移动速度，由于空穴移动受到共价键的约束，在相同的条件下，空穴移动速度比自由电子要慢，在数字电路或者高频模拟电路中，基于自由电子导电的器件性能优于基于空穴导电的器件。
　　2. 伏安特性
　　二极管伏安正向特性：硅管产品与PN 结一样，具有单向导电性，正向导通时，需要克服PN 结内电压。外加正向电压等于内电压时才会出现电流，这个电压称作开启（死区）电压VF(ON) = 0.5V；电压继续增大到导通电压VF(TH) =0.6 ～ 0.7V，当正向电压大于导通电压时，电流呈指数级上升，增加很快，导通电流可达数安。由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，外加相同的正向电压和电流时，二极管的电压压降略大于PN 结，在大电流的情况下，二极管压降更加明显。理想二极管导通电阻为0Ω、无导通压降。
　　1.2 二极管3
　　二极管伏安反向特性：二极管反向截止时，存在反向饱和电流IS，外加反向电压VR 时反向（倒灌）电流IR 比PN 结大一点，硅材料的反向饱和电流IS 小于100nA，可以认为二极管处于断开状态。反向电压没有达到反向击穿电压时，二极管的电流一直等于反向饱和电流。当反向电压增大到一定程度（击穿电压），二极管被反向击穿，电流急剧增大。反向击穿分为齐纳击穿（击穿电压多在6V 以下，掺杂浓度比较高的PN 结，如稳压管）和雪崩击穿（击穿电压多在6V 以上，掺杂浓度比较低的PN 结，如整流管）两种，二者击穿电压的温度系数刚好相反，前者为负（温度越高击穿电压越低）、后者为正（温度越高击穿电压越高）。例如，稳压二极管就是工作在反向击穿区，只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN 结容许的功耗，撤去反向电压，稳压二极管还能恢复原状态；反之反向击穿的功耗过大会损坏二极管（热击穿），电击穿与热击穿概念不同，两种击穿往往共存，稳压管利用的是电击穿，应该尽量避免热击穿。理想二极管，不论反向电压多大，都无反向电流。
　　正向电压小于开启电压0.5V 时，只有很微弱的电流经过二极管，近似认为ID = 0；正向电压大于0.5V，ID 非线性地增大；反向电压VR 向负方向增大时，二极管的饱和电流IS 在某个值达到饱和，且不会再超过此值，反向饱和电流非常小，对于分立元器件，其典型值通常在10-14 ～ 10-8A，是一个非常重要的参数，集成电路中二极管PN结的IS 值更小。PN结施加反向电压，会形成反向电流，电流很小，在近似分析中常常忽略不计，认为PN 结外加反向电压时处于截止状态。二极管的伏安特性存在4 个区：截止区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区。
　　（1）截止区：正向电压小于开启电压。
　　（2）正向导通区：正向电压超过导通电压时二极管导通，硅管导通电压为0.6 ～ 0.7V，锗管导通电压为0.2 ～ 0.3V。
　　（3）反向截止区：施加一定反向电压时二极管截止。
　　（4）反向击穿区：当反向电压大于二极管反向击穿电压时，二极管被击穿。
　　3. 温度特性
　　二极管对温度特别敏感，温度增加正向压降减小、反向电流增加。室温附近，正向电流不变，温度每增加1℃，正向压降降低2 ～ 2.5mV；温度每增加10℃，反向电流IR 增加约一倍。
　　4 第1章 晶体管
　　4. 单向导通特性
　　二极管具有单向导通特性，正常工作时电流只能从阳极流向阴极，阴极到阳极几乎没有电流流过（施加反向电压时存在微弱电流）。若把电流比喻成水流，阳极是上游（高水位），阴极是下游（低水位），水能从上游流到下游，即电流能从阳极流向阴极；水流不能从下游流到上游，电流也无法从阴极流向阳极，这便是二极管的整流作用。
　　5. 二极管的主要参数
　　二极管的主要参数有*大整流电流、*高反向工作电压、反向电流、*高工作频率、累积效应等。
　　（1）*大整流电流IF：二极管长期运行允许通过的*大正向平均电流，电流过大会导致PN 结温度升高，电流超过IF 会损坏PN 结。
　　（2）*高反向工作电压VR：允许施加的*大反向工作电压，反向电压超过VR 二极管可能损坏，正常工作时稳妥的降额因数为80%（一般**为66% ～ 50%）。
　　（3）反向电流IR：IR 越小，二极管的单向导电性能越好，IR 对温度非常敏感，温度增加反向电流明显增加。由于二极管存在表面漏电流，总的反向电流比不封装的PN 结反向电流大。
　　（4）*高工作频率fM：由于PN 结存在电容效应，二极管外加电压极性翻转时，其工作状态不能瞬间变化，特别是正向偏置转为反向偏置时，翻转后有较大的反向电流，经过一定时间后电流才会变小，即反向恢复时间比较长，其主要原因就是扩散电容的影响，因此扩散电容越小，反向恢复时间越短，二极管工作频率越高。
　　（5）少数载流子累积效应：PN 结施加电压的方向从正向变为反向时，少数载流子会停止输入，少数载流子被输入到N 型半导体中，空穴并非瞬间消失，而是缓慢移向P 型半导体。施加逆向电压的瞬间会出现短时间的反向电流。
　　二极管作为一种非线性电阻器件（元件），随着电流的增大，正向压降也增大；多个二极管并联封装的二极管，正向压降比单管更低，但反向电流会增大。二极管用途广泛，低频电路中用于开关、整流、限幅、钳位、稳压等处理和变换，高频电路中用于检波、调幅、混频等频率变换。二极管在不同的静态工作点具有不同的静态电阻。多个同型号的二极管并联并不能使二极管导通压降VF 减小，但是可以增强导通电流的能力。
　　二极管的模型包括理想模型（VF = 0，IR = 0）、恒压降模型（VF = VF(ON)，IR = 0）、折线模型（VF = VF(ON)，IR = 0，串联静态电阻rD）。
　　由于制造工艺有限，半导体的元器件参数具有一定的离散性，同厂家同一批次同型号的晶体管也会有一定的区别，晶体管手册只给出了参数的*大值、*小值、典型值。使用时应该特别注意参数的测试条件，工作条件不同于测试条件时，参数一般会发生变化。
　　1.2.2 二极管分类
　　1. 齐纳二极管
　　齐纳二极管（Zener diode），又称稳压二极管，简称稳压管，是一种基于硅材料用特殊工艺制造的面接触型二极管，一种专门工作在反向击穿状态的二极管。齐纳二极管的正向特性与普通二极管一样呈指数*线；在反向击穿区，在一定的工作电流范围内，击穿区的*线很陡，几乎平行于纵轴，阴极端电压几乎不变，表现出稳压特性。齐纳二极管PN 结面积较大，能够通过比较大的电流，其结电容较大，工作频率较低，用于稳压电源和限幅电路中。一般来说，PN 结掺杂浓度越高，电荷密度越大，反向击穿电压就越低，齐纳二极管就是根据这一原理制成的，一般工作于反向偏置电压。只要控制反向电流在一定范围内，齐纳二极管不会因为过热而损坏，正常使用时，为了保护齐纳二极管，需要串联一个限流电阻。
　　齐纳二极管工作时，负极接高电平，利用PN 结反向击穿状态，其电流可在一定范围内变化而电压基本保持不变，主要是起稳压作用。齐纳二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。到临界击穿点时，反向电阻降低，在这个低电阻区中齐纳二极管电流增加而电压保持恒定，齐纳二极管是根据击穿电压来区分的，可用作为稳压器或电压基准元件。串联起来可以在较高的电压上使用，获得更高的稳定电压。
　　齐纳二极管的主要参数有稳定电压、*小稳定电流、*大稳定电流、动态电阻等。
　　（1）稳定电压VZ：规定电流下的反向击穿电压，具有一定的离散性，不同齐纳二极管VZ 存在一定的差别。
　　（2）稳定电流IZ：工作在稳定状态时的参考电流IZ，IZ 低于*小稳定电流IZ(MIN)，稳压效果变差；IZ 大于*大稳定电流IZ(MAX) 会损坏齐纳二极管，因此稳压电路中必须串联一个限流电阻来限制工作电流，从而保护齐纳二极管正常工作，限流电阻阻值必须合适，齐纳二极管才会稳定工作。
　　（3）额定功耗PZM：稳定电压VZ 与*大的稳定电流IZ(MAX) 之积，超过此值PN 结温度升高而损坏齐纳二极管。
　　（4）动态电阻rz：工作在稳定区时，端电压变化量与电流变化量之比，rz越小齐纳二极管越稳定。
　　（5）温度系数α：温度每变化1℃稳定电压的变化量，稳定电压小于4V属于齐纳击穿，具有负温度系数，稳定电压大于7V 属于雪崩击穿，具有正温度系数，介于两者之间的齐纳二极管温度系数非常小

目录
第1章晶体管 1
1.1晶体管分类 1
1.2二极管 2
1.3双极性结型晶体管 8
1.4场效应晶体管 13
1.5BJT管与FET管 26
1.6晶闸管 30
1.7集成电路 31
第2章晶体管开关电路 32
2.1BJT管开关电路 33
2.2MOS管开关电路 38
第3章组合负载开关电路 45
3.1负载开关分类 46
3.2组合负载开关 48
第4章电平转换电路 78
4.1阈值电压 78
4.2电阻电平转换 79
4.3二极管电平转换 81
4.4晶体管电平转换 84
4.5MOS管电平转换 87
4.6光耦电平转换 90
4.7电平转换芯片 91
4.8高速电平转换 92
4.9电压比较器 94
第5章电源切换电路 95
5.1理想二极管电路 95
5.2两路电源切换电路 116
第6章防反接保护电路 143
6.1二极管保护 143
6.2MOS管保护 145
6.3专用芯片保护 149
第7章开关机电路 151
7.1软硬件实现一键开关机 151
7.2纯硬件实现一键开关机 156
第8章过欠压保护电路 161
8.1过压保护 162
8.2欠压保护 174
8.3过欠压保护 180
第9章晶体管应用电路 186
9.1遇水（触水）监测 186
9.2电阻式数字电子水尺 190
9.3电阻式模拟电子水尺 190
第10章低功耗设计 214
10.1低功耗防拆电路 214
10.2低功耗延时开关电路 215
10.3低功耗电源ADC采样电路 217
10.4LED驱动电路 221
10.5蜂鸣器驱动电路 223
10.6继电器驱动电路 224
10.7数传终端低功耗设计 226
10.8电子水尺低功耗设计 229
10.9小型化电子水尺低功耗设计 232
10.10NB-IoT终端低功耗设计 235
参考文献 239