第三章 電子元器件基本知識

第三章電子器件基本知識

什么是“電子元件”、“電子器件”？電子器件:在工廠生產(chǎn)加工時改變了分子結構的成品。例如晶體管、電子管、集成電路。它本身能產(chǎn)生電子，對電壓、電流有控制作用（放大、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，它對電壓、電流無控制和變換作用，又稱無源器件。

內容電子器件發(fā)展經(jīng)歷了四個階段（代）：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路。介紹發(fā)展進程及應用。半導體二、三極管原理及應用介紹摩爾定律

1883年，愛迪生為延長白熾燈的壽命，無意中發(fā)現(xiàn)了熱電子發(fā)射現(xiàn)象—愛迪生效應。（1903年，英國理查遜證實了電子的存在，1928年獲諾貝爾獎。）1904年，英國弗來明，發(fā)明真空二極管。1906年美國德福雷斯特，在二極管陰、陽極之間加入一個柵極，當柵極電壓有微小變化時，引起陽極較大的變化?！耙孕】卮蟆?，就是放大。結構為圓筒狀。作用如“閘門”。

電子管發(fā)明初期，因真空度不夠高，壽命短。后來（1910）德國的哥德發(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）

愛迪生效應弗萊明與真空二極管這項發(fā)明稱為“閥”真空二極管（實物）管內存在稀薄的空氣，工作時發(fā)出藍色輝光。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

真空三極管陽極A柵極G陰極K燈絲F二、三極電子管工作原理陽極陽極UgIa

真空三極管應用

第一代電子計算機二、半導體晶體管

1835年，麥克思發(fā)現(xiàn)“不對稱導電現(xiàn)象”。1874年，布拉溫發(fā)現(xiàn)硫化物有單向導電現(xiàn)象。1880年，發(fā)明硒整流器。硒（Se）也是半導體。后來發(fā)現(xiàn)更多天然或人制礦物有單向導電性。1906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1940年，人工純鍺、硅晶體出現(xiàn)，晶體二極管應用。半導體的三個物理效應，光電導效應、光生伏打效應、整流效應

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

半導體的導電特性：熱敏性光敏性摻雜性自由電子與空穴

Si

Si

Si

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

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷離子

Si

Si

Si

SiB–硼離子空穴巴丁、肖克萊、布拉頓1945年開始，貝爾實驗室，攻關小組。肖克萊（組長）、巴丁、布拉頓。1947.12.23發(fā)現(xiàn)三極管放大作用。1948年專利，1956年諾貝爾獎

巴丁、肖克萊、布拉頓沃爾特·布拉頓也是美國人，1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門，當時他父親受聘在中國任教。布拉頓是實驗專家，1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位后，第一個晶體管

Ge活動探針50μm固定探針BEC點接觸型晶體管第一只晶體管示意圖45V1V面結型晶體管——1948年，肖克利構思出一種新型晶體管，其結構像“三明治”夾心面包那樣，把N型半導體夾在兩層P型半導體之間。1949年，肖克萊提出了p-n結理論（關于晶體中由于摻入雜質的不同所形成的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，研制出了結型晶體三極管。結型晶體管在許多方面優(yōu)于點接觸晶體管面結型晶體管1959發(fā)明平面工藝。1959發(fā)明平面工藝。美仙董公司，赫爾尼。晶體片表面進行加工——集成電路工藝的前身。微小型化的過程。早期電極幾個mm，后縮至0.3~0.5mm，結面積0.07~0.2mm2

。實際上PN結直徑只要幾十個μm。照相，制板，光刻，印刷工藝。1950年芯片2.5mm2/個，到1963年，同面積上可制作125個管。線寬20-30μm。1950’S電子管與晶體管競爭。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、大功率場合）。二、三極管的應用：

1．

二極管單向導電性P正N負：導通（開關通）；P負N正：截止（開關斷）（1）整流—低頻，檢波—高頻，開關作用（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，紅外光敏；激光二極管：發(fā)射激光。PN陽極陰極整流前整流后i二極管單向導電空穴空穴電子電子有電流無電流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)小信號放大：中頻、高頻、低頻信號放大；大位號放大：功率放大，音響輸出；（2）振蕩：產(chǎn)生各種頻率的正弦波信號，收音機、電視機的變頻。作信號源，測試儀器用。LC振蕩器，RC振蕩器。（3）開關作用三種工作狀態(tài)：放大截止—開關NNP基極發(fā)射極集電極BECBECIBIEIC

第二代電子計算機三．集成電路（IC）

1952年，英國的達默提出集成化設想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體鍺晶體片上，元器件之間的導線是黃金膜，整個電路大小相當于半只曲別針。

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IC的第一個商品是助聽器，1963年12月。1958年德州儀器(TI)公司的JackKilby發(fā)明了第一個集成電路，但那僅是一個用獨立晶體管精密焊接而成卻無法量產(chǎn)的集成電路理論模型。1959年，當時身在仙童公司的BobNoyce發(fā)明了第一個真正意義上的平面集成電路，并于1961年實現(xiàn)量產(chǎn)。

杰克·基爾比（Jackkilby）

杰克·基爾比的IC

第一個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）

第一臺集成電路電子計算機IBM360第一臺微型計算機Altair8800

1975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。

個人電腦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，開發(fā)MOS集成電路。（MOS—金屬，氧化物，半導體。）集成度高，低功耗，制作簡單，成為IC發(fā)展方向。1965年戈登·摩爾（GordonMoore）總結出“摩爾定律”(1965.4《電子學雜志》：“往集成電路中塞進更多元件”），每年集成度提高一倍。1971年11月，第一個微處理器（CPU）Intel4004，含3300個晶體管，1990年。奔騰ⅢCPU，含14萬以上。半導體存儲器的進展：1965，施密特，MOS、ROM、存儲器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個元件的集成塊**1965年初近100個元件的集成塊（SSI小規(guī)模集成電路）**1965年底100-1000個（MSI中規(guī)模集成電路）；**1971年1000-10萬個（LSI大規(guī)模集成電路）**1978年10萬-100萬個（VSLI超大規(guī)模集成電路）90年代1億個以上（ULSI極大規(guī)模集成電路）；**20世紀末突破10億個（GLSI巨大規(guī)模集成電路）。摩爾（GordonMoore）摩爾定律CPU的進展

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