第三章電子元器件基本知識(shí)

1、第三章第三章 電子器件基本知識(shí)電子器件基本知識(shí) 什么是什么是“電子元件電子元件”、“電子器件電子器件”？ 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、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），又稱有源器件整流、檢波、振蕩等），又稱有源器件 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。它本身不的成品。如電阻器、電容器、電感器。它本身不產(chǎn)生電子

2、，它對(duì)電壓、電流無(wú)控制和變換作用，產(chǎn)生電子，它對(duì)電壓、電流無(wú)控制和變換作用，又稱無(wú)源器件。又稱無(wú)源器件。 內(nèi)容內(nèi)容 電子器件發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段（代）：電電子器件發(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)模集成電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路。路。 介紹發(fā)展進(jìn)程及應(yīng)用。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)用半導(dǎo)體二、三極管原理及應(yīng)用 介紹摩爾定律介紹摩爾定律 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)象子發(fā)射現(xiàn)象愛(ài)迪生效應(yīng)。愛(ài)迪生效應(yīng)。 （1903年，英國(guó)理查遜證實(shí)了電子的存在，年，英國(guó)理查遜證實(shí)了

3、電子的存在，1928年獲諾貝年獲諾貝爾獎(jiǎng)。）爾獎(jiǎng)。） 1904年，英國(guó)弗來(lái)明，發(fā)明真空二極管。年，英國(guó)弗來(lái)明，發(fā)明真空二極管。 1906年年 美國(guó)德福雷斯特，在二極管陰、陽(yáng)極之間加入一美國(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。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】卮笠孕】卮蟆?，就是放大。結(jié)構(gòu)為圓筒狀。作用如，就是放大。結(jié)構(gòu)為圓筒狀。作用如“閘門閘門”。電子管發(fā)明初期，因真空度不夠高，壽命短。后來(lái)（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。從德國(guó)的哥德發(fā)明了抽高

4、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）一、電子管（真空管） 愛(ài)迪生效應(yīng)愛(ài)迪生效應(yīng)弗萊明與真空二極管弗萊明與真空二極管這項(xiàng)發(fā)明稱為這項(xiàng)發(fā)明稱為“閥閥”真空二極管（實(shí)物）管內(nèi)存在稀薄的管內(nèi)存在稀薄的空氣，工作時(shí)發(fā)空氣，工作時(shí)發(fā)出藍(lán)色輝光。出藍(lán)色輝光。 德福雷斯特德福雷斯特德福雷斯特與德福雷斯特與肖克萊肖克萊德福雷斯特的德福雷斯特的D - 01A型直流型直流/放大放大三極管三極管 真空三極管真空三極管陽(yáng)極陽(yáng)極A柵極柵極G陰極陰極K燈絲燈絲F二、三極電子管工作原理二、三極電子管工作原理陽(yáng)極陽(yáng)極陽(yáng)極

5、陽(yáng)極UgIa 真空三極管應(yīng)用真空三極管應(yīng)用 第第一一代代電電子子計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)二、半導(dǎo)體晶體管二、半導(dǎo)體晶體管 1835年，麥克思發(fā)現(xiàn)年，麥克思發(fā)現(xiàn)“不對(duì)稱導(dǎo)電現(xiàn)象不對(duì)稱導(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。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（年，發(fā)明硒整流器。硒（Se）也是半導(dǎo)體。）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：髞?lái)發(fā)現(xiàn)更多天然或人制礦物有單向?qū)щ娦浴?1906年前后，輝鉛礦或金剛砂；晶體加金屬絲成年前后，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)二極管，用作檢波，礦石收音機(jī) 1940年，人工純鍺、硅晶

6、體出現(xiàn)，晶體二極管應(yīng)年，人工純鍺、硅晶體出現(xiàn)，晶體二極管應(yīng)用。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)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；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)斯年英國(guó)物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G.Adams)發(fā)現(xiàn)晶發(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)，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)金屬與硅晶年美國(guó)物理學(xué)家皮爾士等人發(fā)現(xiàn)金

7、屬與硅晶體接觸能有整流作用的半導(dǎo)體整流效應(yīng)。體接觸能有整流作用的半導(dǎo)體整流效應(yīng)。自由電子與空穴自由電子與空穴 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子空穴空穴自由電子自由電子 Si Si Si Sip+多余電子多余電子磷離子磷離子 Si Si Si SiB硼離子硼離子空穴空穴巴丁、肖克萊、布拉頓1945年開(kāi)始，年開(kāi)始，貝爾實(shí)驗(yàn)室，貝爾實(shí)驗(yàn)室，攻關(guān)小組。肖攻關(guān)小組。肖克萊（組長(zhǎng)）、克萊（組長(zhǎng)）、巴丁、布拉頓。巴丁、布拉頓。1947.12.23發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)三極管放大作三極管放大作用。用。1948年專年專利，利，1956年諾年諾貝爾獎(jiǎng)貝爾獎(jiǎng) 巴丁、肖克萊、布拉頓巴丁、肖克萊、布拉頓沃爾特沃爾特布拉頓也是美國(guó)人

8、，布拉頓也是美國(guó)人，1902年年 2月月10日出生日出生 在中國(guó)南方美麗的城市廈門，在中國(guó)南方美麗的城市廈門，當(dāng)時(shí)他父親受聘在中國(guó)任教。布拉頓是實(shí)驗(yàn)專家，當(dāng)時(shí)他父親受聘在中國(guó)任教。布拉頓是實(shí)驗(yàn)專家，1929 年獲得明尼蘇達(dá)大學(xué)的博士學(xué)位后，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)探針活動(dòng)探針50m固定探針固定探針BEC點(diǎn)接觸型晶體管點(diǎn)接觸型晶體管 第一只晶體管示第一只晶體管示意圖意圖45V 1V 面結(jié)型晶體管面結(jié)型晶體管 1948年，肖克利構(gòu)思出一種新型晶體管，年，肖克利構(gòu)思出一種新型晶體管， 其結(jié)構(gòu)像其結(jié)構(gòu)像“三明治三明治”夾心面包那樣，把夾心面包那樣，把N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體夾在兩

9、層體夾在兩層P型半導(dǎo)體之間。型半導(dǎo)體之間。1949年，肖克萊年，肖克萊提出了提出了p-n結(jié)理論（關(guān)于晶體中由于摻入雜質(zhì)結(jié)理論（關(guān)于晶體中由于摻入雜質(zhì)的不同所形成的的不同所形成的p型區(qū)和型區(qū)和n型區(qū)的理論），并在型區(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)型晶體管面結(jié)型晶體管1959發(fā)明平面工藝。發(fā)明平面工藝。 1959發(fā)明平面工藝。美仙董公司，赫爾發(fā)明平面工藝。美仙董公司，赫爾尼。晶體片表面進(jìn)行加工尼。晶體片表面進(jìn)行加工集成電路集成電路工藝的前身。微小型化的

10、過(guò)程。早期電工藝的前身。微小型化的過(guò)程。早期電極幾個(gè)極幾個(gè)mm，后縮至，后縮至0.30.5mm，結(jié)面積，結(jié)面積0.070.2 mm2 。實(shí)際上。實(shí)際上PN結(jié)直徑只要幾結(jié)直徑只要幾十個(gè)十個(gè)m。照相，制板，光刻，印刷工藝。照相，制板，光刻，印刷工藝。1950年芯片年芯片2.5mm2/個(gè)，到個(gè)，到1963年，同面年，同面積上可制作積上可制作125個(gè)管。線寬個(gè)管。線寬20-30 m。1950S電子管與晶體管競(jìng)爭(zhēng)。電子管小型電子管與晶體管競(jìng)爭(zhēng)。電子管小型化，最小如鉛筆粗?；?，最小如鉛筆粗。60年代晶體管全面年代晶體管全面取代電子管。（除微波、大功率場(chǎng)合）。取代電子管。（除微波、大功率場(chǎng)合）。二、三極管的

11、應(yīng)用：二、三極管的應(yīng)用： 1 二極管二極管 P正正N負(fù)：導(dǎo)通（開(kāi)關(guān)通）負(fù)：導(dǎo)通（開(kāi)關(guān)通） ； P負(fù)負(fù)N正：截止（開(kāi)關(guān)斷）正：截止（開(kāi)關(guān)斷） （1）整流）整流低頻，檢波低頻，檢波高頻，開(kāi)關(guān)作用（高頻，開(kāi)關(guān)作用（2）特殊二）特殊二極管：極管： 穩(wěn)壓二極管：；發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管：；發(fā)光二極管LED：光敏二極管：光照敏：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。極管：發(fā)射激光。PN整流前整流前整流后整流后二極管單向?qū)щ姸O管單向?qū)щ娍湛昭ㄑ湛昭ㄑ婋娮幼与婋娮幼佑须娏饔须娏鳠o(wú)電流無(wú)電流CBII 2三極管三極管

12、（1）放大：）放大：IB小變化，引起小變化，引起IC大變化。大變化。 以小控大。放大系數(shù)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；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；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)、）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。電視機(jī)的變頻。作信號(hào)源，測(cè)試儀器用。LC振蕩器，振蕩器，RC振蕩器。振蕩器。 （3）開(kāi)關(guān)作用）開(kāi)關(guān)作用 三種工作狀態(tài)：放大三種工作狀態(tài)：放大 截止截止開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) NNPBECBECIBIEIC 第二代電子計(jì)算機(jī)三集成電路（三集

13、成電路（IC） 1952年，英國(guó)的達(dá)默提出集成化設(shè)想年，英國(guó)的達(dá)默提出集成化設(shè)想 1958年年9月月日日，美德克薩斯儀器公司（，美德克薩斯儀器公司（TXAS）工程師杰克工程師杰克基爾比（基爾比（Jack kilby）發(fā)明了集成電）發(fā)明了集成電路，第一個(gè)路，第一個(gè)IC是安置在是安置在0.5cm2鍺晶片上的電路鍺晶片上的電路相移振蕩相移振蕩 7/161/16英寸英寸,它包含有只晶體管、它包含有只晶體管、只電阻器和只電容器，全部元器件都做在一只電阻器和只電容器，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。膜，

14、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。路，采用平面工藝。 2000年，基爾比退體多年后，獲諾貝爾年，基爾比退體多年后，獲諾貝爾 獎(jiǎng)獎(jiǎng) IC的第一個(gè)商品是助聽(tīng)器，的第一個(gè)商品是助聽(tīng)器，1963年年12月。月。 19581958年德州儀器年德州儀器(TI)(TI)公司的公司的Jack Kilby Jack Kilby 發(fā)明了第一個(gè)集成電路，但那僅是一發(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。量產(chǎn)的集成電路理論模型。1959 1

15、959 年，年，當(dāng)時(shí)身在仙童公司的當(dāng)時(shí)身在仙童公司的Bob Noyce Bob Noyce 發(fā)明發(fā)明了第一個(gè)真正意義上的平面集成電路，了第一個(gè)真正意義上的平面集成電路，并于并于19611961年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 杰克杰克基爾比（基爾比（Jack kilby） 杰克杰克基爾比的基爾比的IC 第一個(gè)第一個(gè)IC 諾伊斯發(fā)明的基于硅的諾伊斯發(fā)明的基于硅的ICIntel創(chuàng)始人諾伊思（中）、戈登創(chuàng)始人諾伊思（中）、戈登摩爾（右）摩爾（右） 第一臺(tái)集成電路電子計(jì)算機(jī)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)第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)Altair 8800 1975年年4月，月，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型

16、發(fā)布第一個(gè)通用型Altair 8800，售價(jià)，售價(jià)375美元，帶有美元，帶有1KB存儲(chǔ)存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。 個(gè)人電腦個(gè)人電腦 IBM-PC（右）主頻（右）主頻4.77 MHz Apple II(下）下） 主頻主頻1MHZ四四 大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路 1960年代平面工藝。年代平面工藝。1970年，通用微電子年，通用微電子與通用儀器公司，開(kāi)發(fā)與通用儀器公司，開(kāi)發(fā)MOS集成電路。集成電路。（MOS金屬，氧化物，半導(dǎo)體。）集成金屬，氧化物，半導(dǎo)體。）集成度高，低功耗，制作簡(jiǎn)單，成為度高，低功耗，制作簡(jiǎn)單，成為IC發(fā)展方發(fā)展方向

17、。向。1965年年戈登戈登摩爾（摩爾（Gordon Moore）總）總結(jié)出結(jié)出“摩爾定律摩爾定律”(1965.4電子學(xué)雜志電子學(xué)雜志：“往集成電路往集成電路中塞進(jìn)更多元件中塞進(jìn)更多元件”），每年集成度提高一倍。，每年集成度提高一倍。1971年年11月，第一個(gè)微處理器（月，第一個(gè)微處理器（CPU）Intel 4004，含，含3300個(gè)晶體管，個(gè)晶體管，1990年。奔騰年。奔騰CPU，含，含14萬(wàn)以上。萬(wàn)以上。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的進(jìn)展：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的進(jìn)展：1965，施密特，施密特，MOS、ROM、存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器1963 INTEL公司，公司，256位位1970， 1K位位 1986，1M位，（位，（1.

18、2m）1974，4K位，（位，（10m）1989，4M位，（位，（0.8m）1976，16K位，（位，（5m） 1998，256M位，位，（0.25m）1979，64K位，（位，（3m） 2001，1G位（位（1000M） 1983，256K位，（位，（1.5m）2010 64G（理論極限（理論極限256G）摩爾（摩爾（Gordon Moore）摩爾定律摩爾定律CPU的進(jìn)展的進(jìn)展 4004 2000個(gè)個(gè) 286 13400 386 27.5萬(wàn)萬(wàn) 1993 P1 300萬(wàn)萬(wàn) 0.8m 1999 P3 950萬(wàn)萬(wàn) 0.25m 2002 P4 5500萬(wàn)萬(wàn) 0.13m 2005 雙核雙核 2.3億億 90nm 2007 四核四核 5.8億億 65nm 2009 Intel 酷睿酷睿2四核四核