第三章 電子元器件基本知識(shí)

第三章電子器件基本知識(shí)

什么是“電子元件”、“電子器件”？電子器件:在工廠生產(chǎn)加工時(shí)改變了分子結(jié)構(gòu)的成品。例如晶體管、電子管、集成電路。它本身能產(chǎn)生電子，對(duì)電壓、電流有控制作用（放大、整流、檢波、振蕩等），又稱(chēng)有源器件電子元件：在工廠生產(chǎn)加工時(shí)不改變分子成分的成品。如電阻器、電容器、電感器。它本身不產(chǎn)生電子，它對(duì)電壓、電流無(wú)控制和變換作用，又稱(chēng)無(wú)源器件。

內(nèi)容電子器件發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段（代）：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路。介紹發(fā)展進(jìn)程及應(yīng)用。半導(dǎo)體二、三極管原理及應(yīng)用介紹摩爾定律

1883年，愛(ài)迪生為延長(zhǎng)白熾燈的壽命，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了熱電子發(fā)射現(xiàn)象—愛(ài)迪生效應(yīng)。（1903年，英國(guó)理查遜證實(shí)了電子的存在，1928年獲諾貝爾獎(jiǎng)。）1904年，英國(guó)弗來(lái)明，發(fā)明真空二極管。1906年美國(guó)德福雷斯特，在二極管陰、陽(yáng)極之間加入一個(gè)柵極，當(dāng)柵極電壓有微小變化時(shí)，引起陽(yáng)極較大的變化?！耙孕】卮蟆保褪欠糯?。結(jié)構(gòu)為圓筒狀。作用如“閘門(mén)”。

電子管發(fā)明初期，因真空度不夠高，壽命短。后來(lái)（1910）德國(guó)的哥德發(fā)明了抽高真空的分子泵，提高了真空度。從三極管發(fā)展到四、五、六、七、八極管。從單一管到一、電子管（真空管）

愛(ài)迪生效應(yīng)弗萊明與真空二極管這項(xiàng)發(fā)明稱(chēng)為“閥”真空二極管（實(shí)物）管內(nèi)存在稀薄的空氣，工作時(shí)發(fā)出藍(lán)色輝光。德福雷斯特德福雷斯特與肖克萊德福雷斯特的D-01A型直流/放大三極管

真空三極管陽(yáng)極A柵極G陰極K燈絲F二、三極電子管工作原理陽(yáng)極陽(yáng)極UgIa

真空三極管應(yīng)用

第一代電子計(jì)算機(jī)二、半導(dǎo)體晶體管

1835年，麥克思發(fā)現(xiàn)“不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電現(xiàn)象”。1874年，布拉溫發(fā)現(xiàn)硫化物有單向?qū)щ姮F(xiàn)象。1880年，發(fā)明硒整流器。硒（Se）也是半導(dǎo)體。后來(lái)發(fā)現(xiàn)更多天然或人制礦物有單向?qū)щ娦浴?906年前后，輝鉛礦或金剛砂；晶體加金屬絲成二極管，用作檢波，礦石收音機(jī)1940年，人工純鍺、硅晶體出現(xiàn)，晶體二極管應(yīng)用。半導(dǎo)體的三個(gè)物理效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏打效應(yīng)、整流效應(yīng)

1873年，英國(guó)物理學(xué)家施密斯發(fā)現(xiàn)晶體硒在光照射下電阻變小的半導(dǎo)體光電現(xiàn)象；1877年英國(guó)物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G.Adams)發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)，1906年美國(guó)物理學(xué)家皮爾士等人發(fā)現(xiàn)金屬與硅晶體接觸能有整流作用的半導(dǎo)體整流效應(yīng)。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：熱敏性光敏性摻雜性自由電子與空穴

Si

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Si價(jià)電子空穴自由電子N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體:摻入五價(jià)元素P:自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為N型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素B:空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。

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Sip+多余電子磷離子

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SiB–硼離子空穴巴丁、肖克萊、布拉頓1945年開(kāi)始，貝爾實(shí)驗(yàn)室，攻關(guān)小組。肖克萊（組長(zhǎng)）、巴丁、布拉頓。1947.12.23發(fā)現(xiàn)三極管放大作用。1948年專(zhuān)利，1956年諾貝爾獎(jiǎng)

巴丁、肖克萊、布拉頓沃爾特·布拉頓也是美國(guó)人，1902年2月10日出生在中國(guó)南方美麗的城市廈門(mén)，當(dāng)時(shí)他父親受聘在中國(guó)任教。布拉頓是實(shí)驗(yàn)專(zhuān)家，1929年獲得明尼蘇達(dá)大學(xué)的博士學(xué)位后，第一個(gè)晶體管

Ge活動(dòng)探針50μm固定探針BEC點(diǎn)接觸型晶體管第一只晶體管示意圖45V1V面結(jié)型晶體管——1948年，肖克利構(gòu)思出一種新型晶體管，其結(jié)構(gòu)像“三明治”夾心面包那樣，把N型半導(dǎo)體夾在兩層P型半導(dǎo)體之間。1949年，肖克萊提出了p-n結(jié)理論（關(guān)于晶體中由于摻入雜質(zhì)的不同所形成的p型區(qū)和n型區(qū)的理論），并在第二年使之變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，研制出了結(jié)型晶體三極管。結(jié)型晶體管在許多方面優(yōu)于點(diǎn)接觸晶體管面結(jié)型晶體管1959發(fā)明平面工藝。1959發(fā)明平面工藝。美仙董公司，赫爾尼。晶體片表面進(jìn)行加工——集成電路工藝的前身。微小型化的過(guò)程。早期電極幾個(gè)mm，后縮至0.3~0.5mm，結(jié)面積0.07~0.2mm2

。實(shí)際上PN結(jié)直徑只要幾十個(gè)μm。照相，制板，光刻，印刷工藝。1950年芯片2.5mm2/個(gè)，到1963年，同面積上可制作125個(gè)管。線寬20-30μm。1950’S電子管與晶體管競(jìng)爭(zhēng)。電子管小型化，最小如鉛筆粗。60年代晶體管全面取代電子管。（除微波、大功率場(chǎng)合）。二、三極管的應(yīng)用：

1．

二極管單向?qū)щ娦訮正N負(fù)：導(dǎo)通（開(kāi)關(guān)通）；P負(fù)N正：截止（開(kāi)關(guān)斷）（1）整流—低頻，檢波—高頻，開(kāi)關(guān)作用（2）特殊二極管：穩(wěn)壓二極管：；發(fā)光二極管LED：光敏二極管：光照敏感，電阻變小，電流變大，有可見(jiàn)，紅外光敏；激光二極管：發(fā)射激光。PN陽(yáng)極陰極整流前整流后i二極管單向?qū)щ娍昭昭娮与娮佑须娏鳠o(wú)電流2．三極管（1）放大：IB小變化，引起IC大變化。以小控大。放大系數(shù)小信號(hào)放大：中頻、高頻、低頻信號(hào)放大；大位號(hào)放大：功率放大，音響輸出；（2）振蕩：產(chǎn)生各種頻率的正弦波信號(hào)，收音機(jī)、電視機(jī)的變頻。作信號(hào)源，測(cè)試儀器用。LC振蕩器，RC振蕩器。（3）開(kāi)關(guān)作用三種工作狀態(tài)：放大截止—開(kāi)關(guān)NNP基極發(fā)射極集電極BECBECIBIEIC

第二代電子計(jì)算機(jī)三．集成電路（IC）

1952年，英國(guó)的達(dá)默提出集成化設(shè)想1958年9月１２日，美德克薩斯儀器公司（TXAS）工程師杰克·基爾比（Jackkilby）發(fā)明了集成電路，第一個(gè)IC是安置在0.5cm2鍺晶片上的電路—相移振蕩7/16ⅹ1/16英寸,它包含有１只晶體管、４只電阻器和３只電容器，全部元器件都做在一塊半導(dǎo)體鍺晶體片上，元器件之間的導(dǎo)線是黃金膜，整個(gè)電路大小相當(dāng)于半只曲別針。

仙董公司（硅谷）的諾伊斯也試制硅晶片集成電路，采用平面工藝。2000年，基爾比退體多年后，獲諾貝爾獎(jiǎng)IC的第一個(gè)商品是助聽(tīng)器，1963年12月。1958年德州儀器(TI)公司的JackKilby發(fā)明了第一個(gè)集成電路，但那僅是一個(gè)用獨(dú)立晶體管精密焊接而成卻無(wú)法量產(chǎn)的集成電路理論模型。1959年，當(dāng)時(shí)身在仙童公司的BobNoyce發(fā)明了第一個(gè)真正意義上的平面集成電路，并于1961年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

杰克·基爾比（Jackkilby）

杰克·基爾比的IC

第一個(gè)IC

諾伊斯發(fā)明的基于硅的ICIntel創(chuàng)始人諾伊思（中）、戈登·摩爾（右）

第一臺(tái)集成電路電子計(jì)算機(jī)IBM360第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)Altair8800

1975年4月，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型Altair8800，售價(jià)375美元，帶有1KB存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。

個(gè)人電腦IBM-PC（右）主頻4.77MHz

AppleII(下）主頻1MHZ四大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路

1960年代平面工藝。1970年，通用微電子與通用儀器公司，開(kāi)發(fā)MOS集成電路。（MOS—金屬，氧化物，半導(dǎo)體。）集成度高，低功耗，制作簡(jiǎn)單，成為IC發(fā)展方向。1965年戈登·摩爾（GordonMoore）總結(jié)出“摩爾定律”(1965.4《電子學(xué)雜志》：“往集成電路中塞進(jìn)更多元件”），每年集成度提高一倍。1971年11月，第一個(gè)微處理器（CPU）Intel4004，含3300個(gè)晶體管，1990年。奔騰ⅢCPU，含14萬(wàn)以上。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的進(jìn)展：1965，施密特，MOS、ROM、存儲(chǔ)器1963 INTEL公司，256位1970，1K位1986，1M位，（1.2μm）1974，4K位，（10μm）1989，4M位，（0.8μm）1976，16K位，（5μm）1998，256M位，（0.25μm）1979，64K位，（3μm）2001，1G位（1000M）1983，256K位，（1.5μm）201064G（理論極限256G）1962年12個(gè)元件的集成塊**1965年初近100個(gè)元件的集成塊（SSI小規(guī)模集成電路）**1965年底100-1000個(gè)（MSI中規(guī)模集成電路）；**1971年1000-10萬(wàn)個(gè)（LSI大規(guī)模集成電路）**1978年10萬(wàn)-100萬(wàn)個(gè)（VSLI超大規(guī)模集成電路）90年代1億個(gè)以上（ULSI極大規(guī)模集成電路）；**20世紀(jì)末突破10億個(gè)（GLSI巨大規(guī)模集成電路）。摩爾（GordonMoore）摩爾定律CPU的進(jìn)展

40042000個(gè)2861340038627.5萬(wàn)1993P1300萬(wàn)0.8μm1999P3950萬(wàn)0.25μm2002P45500萬(wàn)0.13μm2005雙核2.3億90nm2007四核5.8億65nm2009Intel酷睿