電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：半導(dǎo)體器件

電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件

教學(xué)目標(biāo)半導(dǎo)體器件1.理解半導(dǎo)體基本知識，掌握PN結(jié)單向?qū)щ娦浴?.掌握二極管結(jié)構(gòu)、特性、參數(shù)、分析模型及應(yīng)用。3.掌握晶體管結(jié)構(gòu)和原理，掌握特性曲線及主要參數(shù)。4.掌握發(fā)光二極管、光電二極管、光電晶體管和光電耦合等半導(dǎo)體器件特性及應(yīng)用。5.了解半導(dǎo)體器件主要應(yīng)用。電工電子技術(shù)基礎(chǔ)本章目錄第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識第二節(jié)PN結(jié)第四節(jié)特殊二極管第六節(jié)場效應(yīng)晶體管第三節(jié)二極管第五節(jié)晶體管電工電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件電工電子技術(shù)基礎(chǔ)下一頁上一頁章目錄敏而好學(xué)，不恥下問。——孔子思政引例半導(dǎo)體器件

思政引例電工電子技術(shù)基礎(chǔ)下一頁上一頁章目錄

人們經(jīng)常使用充電器給手機(jī)電池充電，在收音機(jī)、電視機(jī)和計算機(jī)等電器上都有能發(fā)出紅、綠等光線的指示燈。計算機(jī)的內(nèi)存具有記憶功能，只要不掉電，它就能記住信息而經(jīng)久不忘。海灣戰(zhàn)爭以來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭表明，現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)正由機(jī)械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)變。目前，各國軍隊武器裝備趨向智能化，如攻擊兵器具有遠(yuǎn)程打擊、精確制導(dǎo)和隱蔽突防等能力，作戰(zhàn)平臺具有信息智能傳感檢測、目標(biāo)探測及制導(dǎo)、信息攻擊能力。從半導(dǎo)體摻雜特性，到載流子在內(nèi)外電場作用下運(yùn)動，再到PN結(jié)形成過程和導(dǎo)電特性，讓學(xué)生了解事物之間是普遍聯(lián)系觀點(diǎn)。溫度對三極管靜態(tài)工作點(diǎn)影響，如同哲學(xué)上量變與質(zhì)變的辯證關(guān)系。量變引起質(zhì)變以此引申至“不以惡小而為之，不以善小而不為”人生哲理，教育學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀。半導(dǎo)體器件6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

在信息技術(shù)中，往往以電和光形態(tài)的信號為載體，各種信號產(chǎn)生和變換處理主要是由電子電路來實現(xiàn)的，半導(dǎo)體器件則是構(gòu)成電子電路核心。半導(dǎo)體器件主要由硅（Si）和鍺（Ge）等半導(dǎo)體材料制造而成。當(dāng)半導(dǎo)體受到外界光和熱激發(fā)時，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化，體現(xiàn)對光照和溫度變化敏感性，分別稱為光敏特性和熱敏特性。在純凈半導(dǎo)體中摻入微量“雜質(zhì)”元素，此雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化，稱為“摻雜”特性。下一頁上一頁章目錄半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識電工電子技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，物體分為:導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體內(nèi)部有許多脫離原子核束縛的自由電子，金屬是導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強(qiáng)。絕緣體不能通過電流，橡膠、塑料和干燥的木材為絕緣體。導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，如硅Si、鍺Ge元素和砷化鎵GaAs等化合物。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體器件主要由硅材料制造而成。硅晶體材料有兩個重要特性：1.摻雜特性

加進(jìn)少量雜質(zhì)其導(dǎo)電性能就可以大大改變，利用這個特性就可以制造出各種半導(dǎo)體器件；２.溫度（或光）敏感性

硅半導(dǎo)體器件的參數(shù)幾乎都受溫度影響，為了克服這個弱點(diǎn)，又形成了許多不同的工藝和電路結(jié)構(gòu)。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識純凈的半導(dǎo)體正離子核共價鍵中的兩個電子+4SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi共價鍵一、本征半導(dǎo)體價電子下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體受到溫度升高或光照的激發(fā)時，外層價電子會脫離原子核的束縛成為自由電子?？昭⊿iSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi正離子核自由電子產(chǎn)生自由電子同時，其原來共價鍵中出現(xiàn)的一個空位空穴下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體導(dǎo)電特性當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流:

自由電子和空穴成對產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。(1)自由電子作定向運(yùn)動

電子電流(2)空穴不斷被價電子填補(bǔ)

空穴電流自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(2)溫度升高，載流子的數(shù)目急劇增加,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也就愈強(qiáng)。溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。(1)常溫下本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性差；注意下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

本征半導(dǎo)體中摻入五價元素（如磷）后，磷原子只有四個價電子能與周圍原子中的價電子形成共價鍵，多余的一個價電子因不受共價鍵束縛而易成為自由電子。磷原子多余的外層電子SiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSi二、雜質(zhì)半導(dǎo)體1.電子型雜質(zhì)半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)Si下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識Si

本征半導(dǎo)體中摻入三價元素（如硼）后，硼原子只有三個價電子能與周圍原子中的價電子形成共價鍵，缺少一個價電子形成共價鍵而留下一個空穴。缺少價電子留下的空穴SiSiSiB－SiSiSiSiSiSiSiSi2.空穴型半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體）下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識思考：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動多子濃度差漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動一、PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)（稱為PN結(jié)）的寬度就固定下來。漂移運(yùn)動動態(tài)平衡內(nèi)電場空間電荷區(qū)/耗盡層

阻擋層下一頁上一頁章目錄6.2PN結(jié)電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——PN結(jié)下一頁上一頁章目錄節(jié)首頁電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——PN結(jié)

PN結(jié)正偏時，空間電荷區(qū)變窄，呈現(xiàn)低阻性，流過正向電流IF大(a)PN結(jié)正向偏置P區(qū)N區(qū)IF二、PN結(jié)的特性1.單向?qū)щ娦哉驅(qū)ㄏ乱豁撋弦豁摴?jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——PN結(jié)P區(qū)N區(qū)IR(b)PN結(jié)反向偏置反向截止

PN結(jié)反偏時，空間電荷區(qū)變寬，呈高阻性，流過的反向電流IR極小PN結(jié)具有單向?qū)щ娦韵乱豁撋弦豁撜履夸浌?jié)首頁電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——PN結(jié)下一頁上一頁章目錄節(jié)首頁電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——PN結(jié)2.反向擊穿特性（1）在反向電場力作用下高速運(yùn)動的電子直接撞擊出共價鍵中的電子（稱為雪崩擊穿）。（2）強(qiáng)大的電場力直接將電子拉出共價鍵（稱為齊納擊穿）。下一頁上一頁章目錄節(jié)首頁電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積可大可小，是常用的集成電路工藝PN結(jié)面積小，電容效應(yīng)小，用于高頻電路PN結(jié)面積大，電流大，用于大電流整流

PN結(jié)兩端引出引線并進(jìn)行封裝，就做成了半導(dǎo)體二極管。6.3二極管一、基本結(jié)構(gòu)下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管A-陽極K-陰極二極管的符號下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管反向特性正向特性死區(qū)正向?qū)ㄕ驂航祿舸┨匦韵乱豁撋弦豁摴?jié)首頁章目錄二、伏安結(jié)構(gòu)電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——二極管溫度升高，正向特性左移，反向特性下移下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄溫度變化時的特性曲線電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——二極管1.最大整流電流IOM（IF）2.最大反向工作電壓URM3.最高工作頻率fmax三、主要參數(shù)下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流保證二極管不被擊穿而給出的最大反向電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或2/3。因PN結(jié)電容效應(yīng)，當(dāng)工作頻率超過fmax后，二極管的單向?qū)щ娦宰儔?。五、二極管應(yīng)用

1.在電路中電壓較高時，往往忽略零點(diǎn)幾伏的二極管導(dǎo)通壓降，將其看作理想開關(guān)。

2.在電路中信號電壓較小時，零點(diǎn)幾伏二極管導(dǎo)通壓降不能忽略，正向?qū)〞r相當(dāng)于零點(diǎn)幾伏電壓源串聯(lián)。二極管電路分析中注意：正向?qū)ǚ聪蚪刂拐驅(qū)ǚ聪蚪刂瓜乱豁撋弦豁摴?jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管二極管根據(jù)其單向?qū)щ娦裕饕糜谡骱拖薹娐贰?/p>

判斷二極管導(dǎo)通還是截止方法:將二極管兩端斷開，求余下電路對二極管兩端開路電壓UKA。若UKA

>

UON硅管:0.6~0.8V鍺管:0.2~0.3V若UKA<UONUON--二極管的導(dǎo)通壓降若二極管近似為理想開關(guān)時，UON

=0二極管導(dǎo)通二極管截止下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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半導(dǎo)體器件——二極管二極管起鉗位作用下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管[例題3]

為防止信號幅度超過所允許的值，常采用二極管單向?qū)ㄐ赃M(jìn)行限幅處理。雙向限幅電路如圖，輸入為正弦波，US1>0,US2<0。試畫出輸入-輸出信號波形和電路傳輸特性。（a）雙向限幅電路圖（b）輸入信號波形圖下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管[解]當(dāng)ui

處于正半周時，D2由于加反向電壓而始終截止。在ui<US1時D1也截止，兩二極管支路斷開，uo=ui；在ui>US1時，D1導(dǎo)通，輸出被限幅在uo=US1；當(dāng)ui

處于負(fù)半周時，D1由于加反向電壓而始終截止。在ui>US2時，D2也截止，此時兩二極管支路斷開，uo=ui

；在ui<

US2時，D2導(dǎo)通，輸出限幅在uo=US2。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管

對上述輸入-輸出關(guān)系用分區(qū)域?qū)?yīng)的函數(shù)關(guān)系表示，稱為電路的電壓傳輸特性。電壓傳輸特性圖≥≤下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管

整流電路作用是把交流電變成直流電，分為半波、全波和橋式整流等。

當(dāng)輸入為正半周時二極管D導(dǎo)通，負(fù)載上得到正弦波正半周信號。當(dāng)輸入為負(fù)半周時二極管D截止，在負(fù)載上得到是一個單向脈動的電壓。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管

試求輸出電壓平均值，并選擇整流二極管。

[例題]如圖中

[解]（1）由于整流后的輸出電壓是脈動直流電壓，通常它的大小是用平均值來表示，記為UO，根據(jù)半波整流波形在一個周期內(nèi)積分的平均有在本題中因為Ui=10V，所以下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管

（2）選擇整流二極管主要是選擇其參數(shù)，由于在負(fù)半周時二極管不導(dǎo)通，這時加在二極管上的最大反向電壓為10V的電壓。在二極管導(dǎo)通期間流過二極管的電流就是流過負(fù)載電阻的電流下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——二極管

在穩(wěn)壓管剛擊穿時，如電流變化，其兩端電壓易于變化；當(dāng)電流增大到工作電流IZ后，電流有很大的變化，其兩端電壓幾乎不變，保持在穩(wěn)定電壓UZ附近。工作在反向擊穿區(qū)的二極管

穩(wěn)壓管符號中折角表示穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。它工作時是在陰極接高電壓，陽極接低電壓。一、穩(wěn)壓二極管6.4特殊二極管原理下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

特殊二極管主要參數(shù)使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)定穩(wěn)壓作用時其工作電流所要達(dá)到量值穩(wěn)壓管正常工作，兩端電壓值穩(wěn)壓管不因為過熱而損壞的最大功率損耗值（電流值），它取決于PN結(jié)面積和散熱條件。穩(wěn)定工作電流IZ穩(wěn)定電壓UZ最大耗散功率PZM（電流IZM

）IZm=PZM／UZ下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

特殊二極管電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

特殊二極管二、光電二極管

光電二極管是利用二極管光敏感性進(jìn)行光檢測，將光信號轉(zhuǎn)為電信號器件，結(jié)構(gòu)與二極管類似，但在PN結(jié)處，通過管殼上玻璃窗口能接收外部光照。這種器件PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下工作，它的反向電流隨著光照強(qiáng)度增加而上升。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

特殊二極管發(fā)光二極管符號三、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管將電信號變?yōu)楣庑盘?，光纜傳輸，光電二極管接收，復(fù)現(xiàn)電信號。

發(fā)光二極管是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柶骷怯迷刂芷诒碇蠭V、Ⅴ族元素化合物（如砷化鎵、磷化鎵等）制成。

發(fā)光二極管用作顯示器件，七段數(shù)碼管和矩陣陣列應(yīng)用，工作電壓2V左右發(fā)光，電流幾毫安到十幾毫安之間。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

特殊二極管下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

晶體管6.5晶體管下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

晶體管下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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晶體管下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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晶體管下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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晶體管下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

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晶體管下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

晶體管下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

晶體管常用雙極晶體管外形及管腳EBCECBEBCBECEBC下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

晶體管6.6場效應(yīng)晶體管二氧化硅絕緣層O半導(dǎo)體層S金屬電極層M反型區(qū)PN結(jié)P型襯底下一頁上一頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——

場效應(yīng)晶體管一、絕緣柵場效應(yīng)晶體管

MOS管是通過柵源電壓uGS控制漏源之間導(dǎo)電通道而工作。導(dǎo)電通道是依靠襯底中少數(shù)載流子將漏源兩區(qū)溝通而形成的，根據(jù)形成電子還是空穴的通道分別稱為N型和P型溝道器件。如果漏源都是N型區(qū)，形成是N型溝道。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄工作原理電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——場效應(yīng)晶體管

（2）當(dāng)uDS增大到一定數(shù)值(uDS－uGS=UT)，在漏極端開啟電場強(qiáng)度將被全部抵消,溝道出現(xiàn)“夾斷”現(xiàn)象，iD進(jìn)入臨界值

（3）當(dāng)uDS繼續(xù)增大，溝道被夾斷長度增加，但漏極電流iD基本維持不變。

（1）靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中電子被吸引到靠近柵極下方，形成N型溝道，將漏極和源極溝通。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——場效應(yīng)晶體管輸出特性：輸出回路反映漏源電壓uDS與漏極電流iD關(guān)系。特性轉(zhuǎn)移特性：描述漏極電流受柵源電壓控制的特性曲線。該特性的斜率gm稱為跨導(dǎo),量綱為mA/V或mS。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——場效應(yīng)晶體管符號

符號中柵極有兩道線隔開表示“絕緣柵”，構(gòu)成MOS管。

用靠右第二道柵極線以實線和虛線區(qū)分耗盡型和增強(qiáng)型管。增強(qiáng)型管子在做好后溝道還未形成，用虛線表示；耗盡型管子在做好后溝道已經(jīng)形成，用實線表示。下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——場效應(yīng)晶體管主要參數(shù)下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——場效應(yīng)晶體管雙極晶體管和場效晶體管的比較名稱雙極晶體管場效晶體管結(jié)構(gòu)NPN型，PNP型P溝道，N溝道耗盡型，增強(qiáng)型結(jié)型，絕緣柵電極應(yīng)用C、E一般不倒置使用D、S一般可倒置使用控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，并有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝集成度較低集成度高，適合大規(guī)模集成下一頁上一頁節(jié)首頁章目錄電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件——場效應(yīng)晶體管二、功率場效應(yīng)晶體管

與普通MOS管不同，功率場效應(yīng)晶體管自由電子沿導(dǎo)電溝道由源極到漏極的運(yùn)動是縱向進(jìn)行