《电子元器件基本知识精选》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子元器件基本知识精选（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 电子元器件基本知识2011/10电子元件发展经历了四个阶段（代）：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路。简单介绍发展进程及应用。一、 电子管（真空管）1883年，爱迪生为延长白炽灯的寿命，在灯泡内封入一段铜丝，欲阻止碳丝的蒸发，未成功。但无意中发现了热电子发射现象和二极管的单向导电现象，注册一个专利，人称为爱迪生效应。爱迪生唯一一项科学发现。但他未认识到重要性。时无线电尚未发明。1903年，英国理查逊证实了电子的存在，1928年获诺贝尔奖。1904年，英国弗来明，发明真空二极管。1906年美国德福雷斯特在阴、阳极之间加入一个栅极，当栅极电压有微小变化时，引起阳极电流较大的变化。“以
2、小控大”，就是放大。结构为圆筒状。作用如“闸门”。是一种电压控制器件，栅极电压控制阳极电流。初期，他交不起15美元的专利费，到企业来赞助，被人当成骗子告上法庭，说他推销积压产品。他说，历史必将证明，我发明了空中王国的王冠，法院判决：电子管是一个毫无价值的玻璃管。后无罪释放。美国誉为“无线电之父”。电子管专利卖了39万美元，一生300项发明，包括有声电影。电子管发明初期，因真空度不够高，寿命短。后来（1910）德国的哥德发明了抽高真空的分子泵，提高了真空度。从三极管发展到四、五、六、七、八极管。从单一管到复合管，双二极、双三极、三-七极，二-五极管。在一个玻壳内装两个电子管。电子管的弱点：体积大
3、、重量大、耗电大，发热多，寿命短，几千小时1-2万小时。B29轰炸机上仪器装1千只电子管、1万多个无线电元件。1946年，第一台电子计算机用18000个电子管、70000个电阻、18000个电容、耗电150KW、30T重，功能每秒5000次加法、50次乘法。国产南京管（大），北京管（小，花生管）。5060年代，厦门是前线，功率管受管制。家中已有的电子管要到公安局登记，贴条子，才准予使用，中学做实验先到公安局登记，买新管凭公安局证明。1950S1960S逐渐被晶体管替代。但在高频、大功率场合仍有应用。近年又“复活”，在高级音响中，被认为音质优于晶体管。爱迪生效应阳极A栅极G阴极K灯丝F爱迪生效应
4、三极电子管结构、符号二、三极电子管工作原理阳极阳极UgIa二、半导体晶体管半导体材料单向导电现象的发现。1835年，麦克思发现“不对称导电现象”。1874年，布拉温发现硫化物有单向导电现象。1880年，发明硒整流器。硒（Se）也是半导体。后来发现更多天然或人制矿物有单向导电性。1906年前后，辉铅矿或金刚砂；晶体加金属丝成二极管，用作检波，接触点常调整，找“灵敏点”。性能不如真空二极管，业余爱好者用于矿石收音机无电源收音机，做检波器。1940年，人工纯锗、硅晶体出现，晶体二极管应用。依靠提纯技术的发展。真空二极管加第三极（栅极），有放大作用，半导体怎么加第三极？1945年开始，贝尔实验室，攻关
5、小组。肖克莱（固体物理学家、组长）、巴丁（固体物理学家）、布拉顿（实验物理学家）。各有所长。1947.12.23发现三极管放大作用（图），I1小变化引起I2大变化。1948年获专利。先秘而不宣。1948年初，在一次学术会议上，柏杜大学的布雷和本泽报告其晶体管放大实验，两根探针距离不够近，未成功。赶紧发表成果，申请专利。肖克莱未直接参与第一只晶体管的研制，专利属巴丁、布拉顿，肖克莱极为不满。后三人关系恶化，散伙。1948年，肖克莱构思出一种新型晶体管， 其结构像“三明治”夹心面包那样，把N型半导体夹在两层P型半导体之间。1949年，肖克莱提出了p-n结理论（关于晶体中由于掺入杂质的不同所形成的p
6、型区和n型区的理论），并在第二年使之变为现实，研制出了结型晶体三极管。结型晶体管在许多方面优于点接触晶体管，很快就得到了广。后又发明场效应晶体管。三人获1956年诺贝尔奖。1953年，晶体管助听器。1954年出现4个锗晶体管的收音机。1952年，区域提纯法，进一步提纯半导体、单晶体。点接触型。面接触型。第1只晶体管示意图增益KV=100Ge活动探针50m固定探针BEC1959发明平面工艺。美仙董公司，赫尔尼。晶体片表面进行加工集成电路工艺的前身。微小型化的过程。早期电极几个mm，后缩至0.30.5mm，结面积0.070.2 mm2 。实际上PN结直径只要几十个m。照相，制板，光刻，印刷工艺。1
7、950年芯片2.5mm2/个，到1963年，同面积上可制作125个管。线宽20-30 m。1950S电子管与晶体管竞争。电子管小型化，最小如铅笔粗。60年代晶体管全面取代电子管。（除微波、大功率场合）。苏前期忽视半导体，当锗发展为硅，又忽视硅。造成其电子、半导体、计算机技术长期落后，产品“傻、大、粗、笨。”中国起步晚十年左右。50年电子管。60年半导体。50年电子管计算机。70年大上半导体、全面开花，到处拉单晶，后又下马。晶体管的命名，transfer+resister，转换电阻，缩写为transister。电阻变换作用，低电阻输入，高电阻输出。半导体的特点是对温度敏感，性能影响大。锗半导体极
8、限工作温度75OC，锗半导体极限工作温度160OC。 半导体的导电特性：热敏性 光敏性 掺杂性。二极管、三极管的应用：本征半导体的导电机理: 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。 Si Si Si Si价电子空穴自由电子 Si Si Si Sip+多余电子磷离子纯净的半导体硅材料，掺入少量5价磷元素，自由电子数目大量增加，导电性大增，称为
9、N型半导体；掺入3价的鹏元素，产生大量的带正电的空穴，导电性大增，称为P型半导体。1 二极管 Si Si Si SiB硼离子空穴（1）整流低频，检波高频，开关作用导电开关接通，不导电开关断电。特性，单向导电性。整流前整流后i（2）特殊二极管：稳压二极管：有稳定电压的作用；发光二极管LED：作指示灯，未来的照明光源；光敏二极管：光照敏感，电阻变小，电流变大，有可见，红外光敏，用作遥控、检测信号；激光二极管：发射激光，CD、VCD、DVD、CDROM读写激光头。2三极管（1）放大：IB小变化，引起IC大变化。放大作用、控制作用。电流控制器件。基极电流控制集电极电流。i以小控大。放大系数小信号放大：
10、中频、高频、低频信号放大；大信号放大：功率放大，音响输出；（2）振荡：产生各种频率的正弦波信号，收音机、电视机的变频。作信号源，测试仪器用。LC振荡器，RC振荡器。（3）开关作用 三种工作状态：放大 截止开关断开，饱和开关接通（4）分类：低频三极管。高频三极管，开关三极管；小功率三极管，大功率三极管。晶闸管，又称可控硅，用于交、直流电压调节。三集成电路（IC）50年后期。晶体管虽小，但数量多，体积、重量也显大了，计算机上百万个晶体管，体积仍很大。接线多，可靠性下降。管芯有效面积仅几十m2，但芯片面积0.5mm2，芯片只占0.03mm，其余为引线、支架、管壳、低座。1960年的一台通用计算机，用
11、了10万只二极管和2.5万只晶体管。1952年，英国的达默提出集成化即无接线固体器件的设想，当时技术条件限制，做不到。1958年9月，美德克萨斯仪器公司（TXAS）工程师杰克基尔比（Jack kilby）在他人去度假时留守车间时，发明了集成电路，第一个IC是安置在0.5cm2锗晶片上的电路相移振荡器。面积7/161/16英寸2个晶体管及2个电容、8个电阻（另一说：只晶体管、只电阻器和只电容器，全部元器件都做在一块半导体锗晶体片上，元器件之间的导线是黄金膜）。是一个用独立晶体管精密焊接而成却无法量产的集成电路理论模型。诺伊斯的集成电路基尔比的集成电路几乎同时，仙董公司（硅谷）的诺伊斯也试制硅晶片
12、集成电路，采用平面工艺，利用被蚀刻成规则图案的氧化硅薄膜、铝薄膜，作为绝缘材料和导线把所有电子元器件全部制作在一块单晶硅片上。可以大规模生产。专利之争。第一只集成电路发明专利权判给基尔比，集成电路内部制造工艺专利归诺伊斯。2000年，基尔比退体多年后，获诺贝尔奖，诺伊斯1990年去世。事实上，以后的IC都是用硅平面工艺制成的。1961年仙童公司首先推出几十个元器件的平面型集成电路。基尔比的专利虽然申请在前，却被批准在后(1964年6月23日)，而诺伊斯的申请却在1961年4月26日就被批准了。这引起了一场发明权的诉讼，最后法院判两个专利都有效，因而使集成电路成为一项同时发明，基尔比和诺伊斯共享
13、了“集成电路之父”的荣誉。集成电路制造的可能性。二、三极管均有PN结；电阻杂质半导体具有一定电阻；电容利用PN结的电容效应，但容量有限；这样晶体管、电阻、电容都用同一种半导体材料制成。1963年12月IC的第一个商品是助听器。 1961年，第一台用IC的实验性计算机，587块IC，285克，体积小于100cm3，功率16W。 诺伊斯与摩尔等与1969年创立Intel公司，integrate electronics，集成电子设备公司。四 大规模，超大规模集成电路 1960年代平面工艺。1970年，通用微电子与通用仪器公司，开发MOS集成电路。（MOS金属，氧化物，半导体。）集成度高，低功耗，制作
14、简单，成为IC发展方向。1965年 摩尔（Gordon Moore）发表了一篇不起眼的文章往集成电路里塞进更多元件，总结出“摩尔定律”：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。他是根据器件的复杂性（电路密度提高而价格降低）和时间之间的线性关系作出这一推断的，他的原话是这样说的：最低元件价格下的复杂性每年大约增加一倍。在1965-1975年期间平均是17个月；在1975-1985年期间是22个月，在1985-1995年期间延长到了平均32个月，在1995-2003年期间又缩短到22-24个月。18个月是市场媒体的夸张。每18个月2年集成度提高一倍。 1971年11月，第一个微处理器（CP
15、U）Intel 4004，含3300个晶体管，1990年。奔腾CPU，含14万以上。半导体晶体管可以继续发展，直到其尺寸的极限到纳米之间，那可能是年的事情。摩尔定律是融科学、技术、经济学、社会学为一体的多学科、开放性的规律，反映市场的需求，也是厂商的响应，时间一到，它就得翻番。一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。其制约的因素一是技术，二是经济。从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。从经济的角度看，正如上述摩尔第二定律所述，目前是20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。由于花不起这笔钱，迫使越来越多的公司退出了芯片行业。看来摩尔定律要再维
