第三章电子元器件基本知识

1、第三章第三章 电子器件基本知识电子器件基本知识 什么是什么是“电子元件电子元件”、“电子器件电子器件”？ 电子器件电子器件:在工厂生产加工时改变了分子结构的在工厂生产加工时改变了分子结构的成品。例如晶体管、电子管、集成电路。它本身成品。例如晶体管、电子管、集成电路。它本身能产生电子，对电压、电流有控制作用（放大、能产生电子，对电压、电流有控制作用（放大、整流、检波、振荡等），又称有源器件整流、检波、振荡等），又称有源器件 电子元件：在工厂生产加工时不改变分子成分电子元件：在工厂生产加工时不改变分子成分 的成品。如电阻器、电容器、电感器。它本身不的成品。如电阻器、电容器、电感器。它本身不产生电子

2、，它对电压、电流无控制和变换作用，产生电子，它对电压、电流无控制和变换作用，又称无源器件。又称无源器件。 内容内容 电子器件发展经历了四个阶段（代）：电电子器件发展经历了四个阶段（代）：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路。路。 介绍发展进程及应用。介绍发展进程及应用。 半导体二、三极管原理及应用半导体二、三极管原理及应用 介绍摩尔定律介绍摩尔定律 1883年，爱迪生为延长白炽灯的寿命，无意中发现了热电年，爱迪生为延长白炽灯的寿命，无意中发现了热电子发射现象子发射现象爱迪生效应。爱迪生效应。 （1903年，英国理查逊证实了电子的存在，年，英国理查逊证实了

3、电子的存在，1928年获诺贝年获诺贝尔奖。）尔奖。） 1904年，英国弗来明，发明真空二极管。年，英国弗来明，发明真空二极管。 1906年年 美国德福雷斯特，在二极管阴、阳极之间加入一美国德福雷斯特，在二极管阴、阳极之间加入一个栅极，当栅极电压有微小变化时，引起阳极较大的变化。个栅极，当栅极电压有微小变化时，引起阳极较大的变化。“以小控大以小控大”，就是放大。结构为圆筒状。作用如，就是放大。结构为圆筒状。作用如“闸闸门门”。电子管发明初期，因真空度不够高，寿命短。后来（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。从德国的哥德发明了抽高

4、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。从单一管到三极管发展到四、五、六、七、八极管。从单一管到 一、电子管（真空管）一、电子管（真空管） 爱迪生效应爱迪生效应弗莱明与真空二极管弗莱明与真空二极管这项发明称为这项发明称为“阀阀”真空二极管（实物）管内存在稀薄的管内存在稀薄的空气，工作时发空气，工作时发出蓝色辉光。出蓝色辉光。 德福雷斯特德福雷斯特德福雷斯特与德福雷斯特与肖克莱肖克莱德福雷斯特的德福雷斯特的D - 01A型直流型直流/放大放大三极管三极管 真空三极管真空三极管阳极阳极A栅极栅极G阴极阴极K灯丝灯丝F二、三极电子管工作原理二、三极电子管工作原理阳极阳极阳极

5、阳极UgIa 真空三极管应用真空三极管应用 第第一一代代电电子子计计算算机机二、半导体晶体管二、半导体晶体管 1835年，麦克思发现年，麦克思发现“不对称导电现象不对称导电现象”。 1874年，布拉温发现硫化物有单向导电现象。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（年，发明硒整流器。硒（Se）也是半导体。）也是半导体。 后来发现更多天然或人制矿物有单向导电性。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；晶体加金属丝成年前后，辉铅矿或金刚砂；晶体加金属丝成二极管，用作检波，矿石收音机二极管，用作检波，矿石收音机 1940年，人工纯锗、硅晶

6、体出现，晶体二极管应年，人工纯锗、硅晶体出现，晶体二极管应用。用。 半导体的三个物理效应，光电导效应、光生伏打半导体的三个物理效应，光电导效应、光生伏打效应、整流效应效应、整流效应 1873年，英国物理学家施密斯发现晶体硒在光照年，英国物理学家施密斯发现晶体硒在光照射下电阻变小的半导体光电现象；射下电阻变小的半导体光电现象； 1877年英国物理学家亚当斯年英国物理学家亚当斯(W.G.Adams)发现晶发现晶体硒和金属接触在光照射下产生电动势的半导体体硒和金属接触在光照射下产生电动势的半导体光生伏打效应，光生伏打效应， 1906年美国物理学家皮尔士等人发现金属与硅晶年美国物理学家皮尔士等人发现金

7、属与硅晶体接触能有整流作用的半导体整流效应。体接触能有整流作用的半导体整流效应。自由电子与空穴自由电子与空穴 Si Si Si Si价电子价电子空穴空穴自由电子自由电子 Si Si Si Sip+多余电子多余电子磷离子磷离子 Si Si Si SiB硼离子硼离子空穴空穴巴丁、肖克莱、布拉顿1945年开始，年开始，贝尔实验室，贝尔实验室，攻关小组。肖攻关小组。肖克莱（组长）、克莱（组长）、巴丁、布拉顿。巴丁、布拉顿。1947.12.23发现发现三极管放大作三极管放大作用。用。1948年专年专利，利，1956年诺年诺贝尔奖贝尔奖 巴丁、肖克莱、布拉顿巴丁、肖克莱、布拉顿沃尔特沃尔特布拉顿也是美国人

8、，布拉顿也是美国人，1902年年 2月月10日出生日出生 在中国南方美丽的城市厦门，在中国南方美丽的城市厦门，当时他父亲受聘在中国任教。布拉顿是实验专家，当时他父亲受聘在中国任教。布拉顿是实验专家，1929 年获得明尼苏达大学的博士学位后，年获得明尼苏达大学的博士学位后，第一个晶体管 Ge活动探针活动探针50m固定探针固定探针BEC点接触型晶体管点接触型晶体管 第一只晶体管示第一只晶体管示意图意图45V 1V 面结型晶体管面结型晶体管 1948年，肖克利构思出一种新型晶体管，年，肖克利构思出一种新型晶体管， 其结构像其结构像“三明治三明治”夹心面包那样，把夹心面包那样，把N型半型半导体夹在两层

9、导体夹在两层P型半导体之间。型半导体之间。1949年，肖克年，肖克莱提出了莱提出了p-n结理论（关于晶体中由于掺入杂结理论（关于晶体中由于掺入杂质的不同所形成的质的不同所形成的p型区和型区和n型区的理论），并型区的理论），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极管。结型晶体管在许多方面优于点接触晶体管管面结型晶体管面结型晶体管1959发明平面工艺。发明平面工艺。 1959发明平面工艺。美仙董公司，赫尔发明平面工艺。美仙董公司，赫尔尼。晶体片表面进行加工尼。晶体片表面进行加工集成电路集成电路工艺的前身。微小型化的

10、过程。早期电工艺的前身。微小型化的过程。早期电极几个极几个mm，后缩至，后缩至0.30.5mm，结面积，结面积0.070.2 mm2 。实际上。实际上PN结直径只要几结直径只要几十个十个m。照相，制板，光刻，印刷工艺。照相，制板，光刻，印刷工艺。1950年芯片年芯片2.5mm2/个，到个，到1963年，同面年，同面积上可制作积上可制作125个管。线宽个管。线宽20-30 m。1950S电子管与晶体管竞争。电子管小型电子管与晶体管竞争。电子管小型化，最小如铅笔粗。化，最小如铅笔粗。60年代晶体管全面年代晶体管全面取代电子管。（除微波、大功率场合）。取代电子管。（除微波、大功率场合）。二、三极管的

11、应用：二、三极管的应用： 1 二极管二极管 P正正N负：导通（开关通）负：导通（开关通） ； P负负N正：截止（开关断）正：截止（开关断） （1）整流）整流低频，检波低频，检波高频，开关作用（高频，开关作用（2）特殊二）特殊二极管：极管： 稳压二极管：；发光二极管稳压二极管：；发光二极管LED：光敏二极管：光照敏：光敏二极管：光照敏感，电阻变小，电流变大，有可见，红外光敏；激光二感，电阻变小，电流变大，有可见，红外光敏；激光二极管：发射激光。极管：发射激光。PN整流前整流前整流后整流后二极管单向导电二极管单向导电空空穴穴空空穴穴电电子子电电子子有电流有电流无电流无电流CBII 2三极管三极管

12、（1）放大：）放大：IB小变化，引起小变化，引起IC大变化。大变化。 以小控大。放大系数以小控大。放大系数 小信号放大：中频、高频、低频信号放大；小信号放大：中频、高频、低频信号放大； 大位号放大：功率放大，音响输出；大位号放大：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、）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。电视机的变频。作信号源，测试仪器用。LC振荡器，振荡器，RC振荡器。振荡器。 （3）开关作用）开关作用 三种工作状态：放大三种工作状态：放大 截止截止开关开关 NNPBECBECIBIEIC 第二代电子计算机三集成电路（三集

13、成电路（IC） 1952年，英国的达默提出集成化设想年，英国的达默提出集成化设想 1958年年9月月日日，美德克萨斯仪器公司（，美德克萨斯仪器公司（TXAS）工程师杰克工程师杰克基尔比（基尔比（Jack kilby）发明了集成电）发明了集成电路，第一个路，第一个IC是安置在是安置在0.5cm2锗晶片上的电路锗晶片上的电路相移振荡相移振荡 7/161/16英寸英寸,它包含有只晶体管、它包含有只晶体管、只电阻器和只电容器，全部元器件都做在一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块半导体锗晶体片上，元器件之间的导线是黄金膜，整个电路大小相当于半只曲别针。膜，

14、整个电路大小相当于半只曲别针。 仙董公司（硅谷）的诺伊斯也试制硅晶片集成电仙董公司（硅谷）的诺伊斯也试制硅晶片集成电路，采用平面工艺。路，采用平面工艺。 2000年，基尔比退体多年后，获诺贝尔年，基尔比退体多年后，获诺贝尔 奖奖 IC的第一个商品是助听器，的第一个商品是助听器，1963年年12月。月。 19581958年德州仪器年德州仪器(TI)(TI)公司的公司的Jack Kilby Jack Kilby 发明了第一个集成电路，但那仅是一发明了第一个集成电路，但那仅是一个用独立晶体管精密焊接而成却无法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。量产的集成电路理论模型。1959 1

15、959 年，年，当时身在仙童公司的当时身在仙童公司的Bob Noyce Bob Noyce 发明发明了第一个真正意义上的平面集成电路，了第一个真正意义上的平面集成电路，并于并于19611961年实现量产。年实现量产。 杰克杰克基尔比（基尔比（Jack kilby） 杰克杰克基尔比的基尔比的IC 第一个第一个IC 诺伊斯发明的基于硅的诺伊斯发明的基于硅的ICIntel创始人诺伊思（中）、戈登创始人诺伊思（中）、戈登摩尔（右）摩尔（右） 第一台集成电路电子计算机第一台集成电路电子计算机IBM360第一台微型计算机第一台微型计算机Altair 8800 1975年年4月，月，MITS发布第一个通用型

16、发布第一个通用型Altair 8800，售价，售价375美元，带有美元，带有1KB存储存储器。这是世界上第一台微型计算机。器。这是世界上第一台微型计算机。 个人电脑个人电脑 IBM-PC（右）主频（右）主频4.77 MHz Apple II(下）下） 主频主频1MHZ四四 大规模，超大规模集成电路大规模，超大规模集成电路 1960年代平面工艺。年代平面工艺。1970年，通用微电子年，通用微电子与通用仪器公司，开发与通用仪器公司，开发MOS集成电路。集成电路。（MOS金属，氧化物，半导体。）集成金属，氧化物，半导体。）集成度高，低功耗，制作简单，成为度高，低功耗，制作简单，成为IC发展方发展方向

17、。向。1965年年戈登戈登摩尔（摩尔（Gordon Moore）总）总结出结出“摩尔定律摩尔定律”(1965.4电子学杂志电子学杂志：“往集成往集成电路中塞进更多元件电路中塞进更多元件”），每年集成度提高一倍。，每年集成度提高一倍。1971年年11月，第一个微处理器（月，第一个微处理器（CPU）Intel 4004，含，含3300个晶体管，个晶体管，1990年。奔腾年。奔腾CPU，含，含14万以上。万以上。半导体存储器的进展：半导体存储器的进展：1965，施密特，施密特，MOS、ROM、存储器、存储器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（理论极限（理论极限256G）摩尔（摩尔（Gordon Moore）摩尔定律摩尔定律CPU的进展的进展 4004 20004004 2000个个 286 13400286 13400 386 27.5 386 27.5万万 1993 P1 3001993 P1 300万万 0.8m0.8m 1999 P3 9501999 P3 950万万 0.25m 0.25m 2002 P4 5500 2002 P4 5500万万 0.13m0.13m 2005 2005 双核双核 2.32.3亿亿 90nm90nm 2007 2007 四核四核 5.85.8亿亿 65nm 65nm 2009 Intel 2009 Intel 酷睿酷睿2 2四核四核 Q9550 8.2Q9550 8.2亿亿 2.