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作者：孙玥著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2014-01-01

书籍编号：30467686

ISBN：9787121222740

正文语种：中文

字数：108878

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：通信电子技术

作者：孙玥

ISBN：9787121222740

版权所有 · 侵权必究

职业教育　继往开来（序）

自我国经济在21世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务和能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作，在职业教育新的教学模式下，将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。

近期由电子工业出版社组织策划和编辑出版的“全国高职高专院校规划教材•精品与示范系列”，具有以下几个突出特点，特向全国的职业教育院校进行推荐。

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职业教育要不断进行改革，创新型教材建设是一项长期而艰巨的任务。为了使职业教育能够更好地为区域经济和企业服务，殷切希望高职高专院校的各位职教专家和老师提出建议和撰写精品教材（联系邮箱:chenjd@phei.com.cn，电话:010-88254585），共同为我国的职业教育发展尽自己的责任与义务！

中国电子教育学会

前　言

根据高等职业教育的人才培养目标要求，在教学实施过程中，不仅要求学生掌握一定的基础理论知识，而且强调学生的实践能力及分析问题与解决问题能力的培养，以提高学生的综合职业能力。本书结合通信行业职业岗位技能需求，在国家示范专业课程建设成果基础上进行编写，以通信技术中所涉及的电子技术为主线，涵盖低频模拟电子技术、数字逻辑电路和高频电子线路的内容，将基本理论与通信信号的处理过程相结合，在保证科学性的前提下，简化烦琐的理论推导，突出知识点的应用性，着重于工程思维培养，力求重点突出，简明扼要，理论与实践紧密融合。

本书将理论知识的讲授、课堂思考、练习及技能训练结合在一起，对每章、每个知识点都安排有电路的测试、分析或设计训练，以重点培养学生的岗位工作技能。全书内容丰富实用，引入计算机仿真技术，使学生加深感性认知，从而更好地掌握知识与技能。每章都配有知识梳理与总结、习题等，可以边讲边练。通过不同的学习方式，可使学生逐步提高获取知识的能力，掌握分析解决具体问题的思维及工作方法。

本书共分为10章，内容包括:半导体器件的性能分析，低频基本单元电路，数字逻辑电路基础，组合逻辑电路的分析与设计，时序逻辑电路的分析与设计，A/D与D/A转换，高频放大电路性能分析，正弦波振荡器的分析与设计，调制与解调的实现，频率合成与变换技术。章节的设计是根据信号在通信过程中的分析处理过程来安排的，每章中的案例分析任务主要以仿真实现为基本手段，各院校既可以根据具体教学情况选择适当的任务来完成，也可以自行加入相应的其他实验训练，以培养和提高学生的实践应用能力。

本书由南京信息职业技术学院通信学院孙玥主编，王蕾、闫之烨、邵连参与书稿的编写和整理工作。本书由杜庆波教授进行主审，并提出了许多宝贵意见和建议，在此谨表示衷心感谢。

由于编者水平有限，书中错漏及不妥之处在所难免，恳请读者给予批评、指正。

为了方便教师教学，本书配套有免费电子教学课件、习题参考答案，请有此需要的教师登录华信教育资源网（http∶//www.hxedu.com.cn）免费注册后再进行下载，有问题时请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail∶hxedu@phei.com.cn）。

编　者

绪　论

所谓“电子技术”，是指“含有电子的、数据的、磁性的，光学的、电磁的，或者类似性能的相关技术”。电子技术可以分为模拟电子技术、数字电子技术两大部分。模拟电子技术是整个电子技术的基础，在信号放大、功率放大、整流稳压、模拟量反馈、混频、调制解调电路领域具有无法替代的作用。例如，高保真（Hi-Fi）的音箱系统、移动通信领域的高频发射机等。

与模拟电路相比，数字电路具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、程序软件控制等一系列优点。从目前的发展趋势来看，除一些特殊领域外，以前一些模拟电路的应用场合大有逐步被数字电路所取代的趋势，如数字滤波器等。

《通信电子技术》课程是通信工程及相近专业的主干专业基础课程，在内容上将模拟、数字电路和高频电子线路的内容整合，形成通信专业类所需要的知识体系，起着联系基础课程与专业课程的桥梁作用；它强调理论联系实际，注重工程概念，对学生解决实际问题的能力和实践动手能力的培养具有重要作用。通过该课程的学习，可使学生系统地掌握各种功能单元电路的工作原理和分析设计技术，建立起通信与信号处理理论的工程实现的基本框架，为后续课程学习打下必备的基础。

本课程的主要内容是以信号的处理形式（模拟信号、数字信号）将课程的主要内容串起来，从系统的观点把握各功能电路所处的位置和作用，讲解模拟通信功能电路的基本原理及其实现的方法。本课程以通信系统为主线贯串各功能电路，加强了内容的系统性。

对于各个功能电路来说，虽然历经了电子管、晶体管、场效应管、集成电路、大规模集成电路等不同的实现形式，但是各个功能电路的输入信号与输出信号的频谱变换关系是没有变化的，也就是基本原理不变。本课程以功能电路的“功能”为基点，从功能电路的输入和输出信号的频谱关系为出发点，分析各个功能电路的输入频谱与输出频谱变换关系的特征，以使学生从理论上搞清组成各个功能电路的基本原理和实现电路的基本方法。

1．电子技术的发展和应用

当代是包括计算机在内的电子学繁荣昌盛的时代，其背景与电子电路元器件由电子管——晶体管——集成电路的不断发展有着密切的关系。

1）电子管时代

近几十年来，电子技术的发展十分迅速。1904年开始生产出电子管，至此电子技术进入第一个发展时代，称为电子管时代。

二极管：1904年，英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发，发明了二极管。

三极管：1907年，美国的福雷斯特发明了三极管。当时，真空技术尚不成熟，三极管的制造水平也不高。但在反复改进的过程中，人们懂得了三极管具有放大作用，终于拉开了电子学的帷幕。

四极管：1915年，英国的朗德在三极管的控制栅极与阳极之间又加了一个电极，称为帘栅极，其作用是解决三极管中流向阳极的电子流中有一部分会流到控制栅极上去的问题。

五极管：1927年，德国的约布斯特在四极管的阳极与帘栅极之间又加了一个电极，发明了五极管。新加的电极被称为抑制栅。

此外，1934年，美国的汤绿森通过对电子管进行小型化改进，发明了适用于超短波的橡实管。管壳不用玻璃而采用金属的ST管发明于1937年，经小型化后的MT管发明于1939年。

由于电子管本身的体积大，使得电子设备的体积庞大、耗电多、寿命短，迫使人们去研究新的电子器件。1948年研制出了半导体器件，使电子技术进入了晶体管时代，这样仅十多年的时间就使电子设备的小型化有了很大的进展。与电子管相比，晶体管具有体积小、质量轻、耗电省等优点，因而在许多应用领域里，晶体管迅速取代了电子管。

2）晶体管时代

晶体管是美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉特于1948年发明的。这种晶体管的结构是使两根金属丝与低掺杂锗半导体表面接触，因此称之为接触型晶体管。

1949年，开发出了结型晶体管，在实用化方面前进了一大步。

1956年，开发出了制造P型和N型半导体的扩散法。该方法是在高温下将杂质原子渗透到半导体表层的一种方法。

1960年，开发出了外延生长法并制成了外延平面型晶体管。外延生长法是把硅晶体放在氢气和卤化物气体中来制造半导体的一种方法。

有了半导体技术的这些发展，随之就诞生了集成电路。

3）集成电路

1958年，美国提出了用半导体制造全部电路元器件，实现集成电路化的方案。

1961年，得克萨斯仪器公司开始批量生产集成电路。

1962年，第一块集成电路问世，标志着电子技术进入集成电路阶段。所谓集成电路是把半导体管和电阻、电容及它们之间的连线制作在一小块硅基片上，构成特定功能的电子线路。由于集成电路的体积更小、质量更轻、耗电更省、可靠性更高，并且还具有成本低、电性能优良等一系列优点，所以集成电路的发展十分迅速，从小规模历经中规模、大规模而发展到超大规模。

集成电路并不是用一个一个电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体里的一个器件。它易于小型化和减少引线端，因此具有可靠性高的优点。

集成电路的集成度在逐年增加。元件数在100个以下的小规模集成电路，元件数为100～1000个的中规模集成电路，元件数为1000～100000个的大规模集成电路，以及元件数在100000个以上的超大规模集成电路都已依次开发出来，并在各种装置中获得了广泛应用。

电子技术最早应用于通信、广播，随着科学技术的不断发展，电子技术的应用日益广泛，它已渗透到国民经济的各个部门，国防和科学技术的各个领域及人类社会生活的各个方面，如计算机、自动化设备、电子医疗器械、新型武器、人造卫星和宇宙飞船等，以及人们日常生活中必不可少的家用电器。

可以预见，伴随着电子科学技术的发展，尤其是超大规模集成电路的发展与应用，必将大大加速各种电子设备和系统小型化的过程，从而给应用电子技术的各个领域带来更深远的影响。

2．通信技术的发展

1）有线通信的历史

有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。

英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队通报法国军队的动向。瑞典、德国、俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说它们都曾投入了庞大的预算。将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。

（1）电报机的发明

1832年，俄国外交家西林所发明了电磁式电报机，德国的简梅林发明了电化学式电报机，库克和惠斯通（英国）发明了5针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的，有音响式、印刷式、指针式、钟铃式等。其中，库克和惠斯通发明的5针式电报机最为有名。1837年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20千米的5根电线而投入实际使用。

（2）莫尔斯电报机

1837年，莫尔斯电报机在美国研制成功，发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点、画来编码的信号。

（3）电话和交换机

1876年2月14日，美国的两位发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达，因而贝尔得到了专利权。

1878年，贝尔成立了电话公司，制造电话机，全力发展电话事业。

从发展电话业务开始，交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机，即话务员收到通话请求，很快把传票交给另一位话务员。

其后，经过反复改进，开发出了框图式交换机，进而又开发出了自动交换方式（1879年）。

1891年，史端乔式自动交换机研制成功。至此，自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续，又经过了几个阶段才发展为现在的电子交换机。

（4）海底通信电缆

陆上通信网日渐完备，人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。海底电缆有很多问题需要解决，如电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都与陆上电缆不同。

1845年，英吉利海峡海底电报公司成立，开始了从英国到加拿大并跨过多佛尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。1851年，最早的加来-多佛尔海底电缆敷设完毕，成功地实现了通信。以此为契机，欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。现在，世界上的大海里遍布着电缆，供通信使用。

2）无线通信的历史

世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上，这种方便是电波带给我们的。

最早的电波实验是德国的赫兹在1888年进行的。通过实验，赫兹弄清了电波和光一样，具有直线传播、反射和折射现象。频率的单位赫兹就来自于他的名字。

（1）马可尼的无线电装置

意大利人马可尼在1895年研制出了最早的无线电装置，利用这一装置在相隔大约3千米的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。

（2）高频波的产生

要想实现无线通信，首先要产生稳定的高频电磁波。

达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号，但其频率还不到50kHz，电流也只有2～3A，比较小。1903年，荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了1MHz的高频波，彼得森又对其进行了改进，制成了输出功率达到1kW的装置。其后，德国设计出了机械式高频发生装置，美国的斯特拉和费森登、德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法……很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。

（3）无线电话

如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言，就需要有运载信号的载波。载波必须是高频波。1906年，美国通用电气（GE）公司的亚历山德森制成了80kHz的高频信号发生装置，首次成功地进行了无线电话的实验。

用无线电话传送语音，并且收听它，需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置，并于1913年试验成功。

达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置，以电解检波器为接收装置的受话器方式。要想使产生的电波稳定，接收到的噪声小，还得等待电子管的出现。

（4）二极管和三极管

1903年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分熏黑了，这种现象被称为爱迪生效应。

1904年，弗莱明从爱迪生效应得到启发，造出二极管，用它来进行检波。

1907年，美国的D.福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间加了一个叫做栅极的电极，由此发明了三极管。这种三极管既可以用于放大信号电压，也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号，可以说是一个划时代的电路元件。

3．通信系统的定义及分类

1）通信及通信系统的定义

发送者将信息传给信息接收者的过程称为通信。

能实现信息传递的系统称为通信系统。

信息可以是语音、文字、符号、图像或数据等。例如，广播是传输声音的系统，电视是传输图像信息与声音信息的系统，它们都是通信系统。

2）通信系统的分类

（1）按信息的物理特征分类

根据信息的不同物理特征，通信系统可分为传真通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。

（2）按基带信号的物理特征分类

根据基带信号的不同，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。

（3）按传输媒介分类

根据传输媒介的不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。

（4）按信号复用方式分类

复用方式主要有四种，即空分复用（SDMA）、频分复用（FDMA）、时分复用（TDMA）和码分复用（CDMA）。

（5）按终端设备来分类

根据终端设备，通信系统可分为电话（包括手机）通信、电报通信、电传通信、传真通信和计算机通信等。

（6）按通信方式来分类

根据通信的方式，通信系统可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。

4．通信系统的组成

一个完整的通信系统应包括输入变换装置、发送设备、传输信道、接收设备和输出变换装置五部分，如图0-1所示。

1）输入变换装置

输入变换装置是将要传送的信息变成电信号的装置，如话筒、摄像机、各种传感装置。

2）发送设备

发送设备用于将基带信号变换成适合于信道传输的信号。不同的信道具有不同的传输特性。由于要传送的消息种类很多，它们的相应基带信号的特性各异，往往不适合直接在信道中传输，所以需要利用发送设备对基带信号进行变换，以得到适合于信道传输的信号。

图0-1　通信系统的组成

3）传输信道

传输信道是传送信息的通道，又称为传输媒介，如电缆、光缆或无线电波。不同的信道有不同的传输特性。

4）接收设备

接收设备用于对信道传送过来的信号进行处理，以恢复出与发送端基带信号相一致的信号。当然，由于在信道传输中和恢复过程中会产生一定的干扰和失真，所以接收设备恢复的信号也会有一定的失真。应尽量减小这种失真。

5）输出变换装置

输出变换装置是将接收设备输出的电信号变换成原来形式的消息的装置，如还原声音的扬声器，恢复图像的显像管等。

5．噪声与干扰

电子线路处理的信号，多数是微弱的小信号，因而很容易受到内部和外界一些不需要的电压、电流及电磁骚动的影响，这些影响称为干扰（或噪声）。当干扰（或噪声）的大小可以与有用信号相比较时，有用信号将被它们所“淹没”。为此，研究干扰问题是电子技术的一个重要课题。

一般来讲，除了有用信号之外的任何电压或电流都叫干扰（或噪声），但习惯上把外部来的称为干扰，把内部固有的称为噪声。

1）外部干扰

外部干扰分为自然干扰和人为干扰。自然干扰是大气中的各种扰动。人为干扰是各种电器设备和电子设备产生的干扰。

2）消除外部干扰的方法

（1）电源干扰的抑制方法

供电电源因滤波不良所产生的100Hz纹波干扰是主要的电源干扰，电源内阻产生的寄生耦合干扰也是主要的电源干扰。对于高增益的小信号放大器，寄生耦合有时可能造成放大器自激振荡。解决100Hz电源干扰和寄生耦合的方法是对每个电路的供电电源单独进行一次RC滤波，这种电路叫做RC去耦电路，如果电路的工作频率较高，而供电电流又比较大，则可以用电感代替电阻，构成LC去耦电路，其中电感L称为扼流圈。因为大容量的电解电容都存在串联寄生电感，在高频时寄生电感的感抗会很大，使电容失去滤波的作用，所以电路中都并联一个小容量的电容，这样就可消去寄生电感的影响。

工厂里的大型用电设备产生的电火花干扰能沿着电力线进入电子设备。除此之外，电力线还起着天线的作用，即接收天空中的杂散电磁波，并将其传送到电子设备中形成干扰。这些干扰的特点是：突发性强，干扰往往以脉冲电压形式出现；频率高，通常为几百千赫兹至几兆赫兹；干扰会同时出现在电力线的两根导线上，其大小和相位相同，这种性质的干扰称为共模干扰。

消除电网共模干扰的方法是在交流市电的输入端插入一个滤波器，如某电视机的交流电源滤波器，在每根电源线与地之间均构成一个π型滤波器，电容C的容量在几千皮法到0.01μF之间选取，电感L绕制在高频磁芯上，约10圈左右，电感导线直径要根据设备的交流输入功率来选择。

（2）电路接地不当的干扰及消除

电路中的接地不当会形成严重的干扰，消除这些干扰的方法是正确接地，即在电路中要采用一点接地、数字电路的地线和模拟电路的地线要完全分开，有条件时在多层印制板中要分别安排数字地层和模拟地层。

（3）空间电磁耦合干扰

空间电磁耦合对电路的影响分为静电耦合干扰和交变磁场耦合干扰，防止这两种干扰的基本方法是接地、滤波、隔离、电磁屏蔽。

微弱信号的传输导线易受到干扰，因此通常采用屏蔽线作为引线。使用屏蔽线时，切忌将网状金属层当成导线使用，即不能将金属网两端都接地，只能取一端接地。

3）噪声

内部噪声分为人为噪声和固有噪声两类。

固有噪声是一种起伏型噪声，它存在于所有的电子线路中，其主要来源是电阻热噪声和半导体器件的噪声。

（1）电阻热噪声

当温度大于300K时，做随机运动的自由电子穿越电阻的运动过程，会在电阻两端产生随机的起伏噪声电压。

（2）半导体器件的噪声

① 散粒噪声：散粒噪声是晶体管的主要噪声源。散粒噪声这个词是沿用的电子管噪声中的词。在二极管和三极管中都存在散粒噪声。

晶体三极管是由两个PN结构成的，当晶体三极管处于放大状态时，发射结为正向偏置，发射结所产生的散粒噪声较大；集电结为反向偏置，集电结所产生的散粒噪声可忽略不计。

② 分配噪声：晶体管发射区注入基区的多数载流子大部分到达集电极，成为集电极电流，而小部分在基区内被复合，形成基极电流，这两部分电流的分配比例是随机的，因而造成通过集电结的电流在静态值上下起伏变化，引起噪声，这种噪声就称为分配噪声。

③ 闪烁噪声：又称为低频噪声，一般认为这种噪声是由于晶体管清洁处理不好或有缺陷造成的。其特点是频谱集中在低频（约1kHz以下），在高频工作时通常可不考虑它的影响。

4）信噪比和噪声系数

信噪比：

噪声系数：描述放大系统的固有噪声的大小。噪声系数（NF）定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。NF反映出放大系统内部噪声的大小。噪声系数可由下式表示：

5）降低噪声系数的措施

通过以上分析，我们对电路产生噪声的原因及影响噪声系数大小的主要原因有了基本了解。现将对降低噪声系数的有关措施归纳如下：

（1）选用低噪声元器件；

（2）选择合适的直流工作点；

（3）选择合适的信号源内阻；

（4）选择合适的工作带宽。

第1章　半导体器件的性能分析

教学导航

在各种电子设备中，其主要组成部分是电子线路。而电子线路中最重要的核心组成部分是半导体器件，如半导体二极管（简称二极管）、半导体三极管（简称三极管）、场效应管（FET）和集成电路（IC）。半导体器件是信息化时代的重要基础，由于它具有体积小、质量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到了广泛的应用。

1.1　半导体材料与PN结

1.1.1　半导体材料的认知

所谓半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。半导体的理论表明，在半导体中存在两种带电粒子：一种是带负电的自由电子（简称电子），另一种是带正电的空穴。它们在外电场的作用下做定向运动，即都能运载电荷形成电流，因此通常称为载流子。金属导体内的载流子只有一种，就是自由电子，由于其数目很多，远远超过半导体中载流子的数量，所以金属导体的导体性能比半导体好。

半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂弹特性，这些特性被广泛应用于很多领域，如热敏电阻传感器、光电二极管、太阳能电池等。常用的半导体材料有元素半导体，如硅（Si）和锗（Ge）；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等，以及掺杂或制成其他化合物半导体的材料。

1．本征半导体

纯净晶体结构的半导体被称为本征半导体。它们都是4价元素，原子结构的最外层轨道上有4个价电子。目前最常用的本征半导体材料是硅和锗，而硅的应用更为广泛。

当本征半导体的温度升高或受到光线照射时，其共价键中的一些价电子就会从外界获得能量，少量价电子会因为获得能量、摆脱共价键的约束而成为自由电子，同时在共价键上留下空位，这些空位为空穴，带正电，这一现象称为本征激发。显然，自由电子和空穴是成对出现的，因此称它们为电子-空穴对。由于自由电子和空穴都可以参与导电形成电流，所以称其为载流子。

在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时，价电子也按一定的方向依次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。由于本征激发产生的电子-空穴对的数目很少，载流子浓度很低，所以本征半导体的导电能力很弱。

2．杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。

1）N（Nega

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