电子技术发展hhj

信息的传递韩会景青岛大学师范学院2012.10.25初中物理教师培训专题

提纲一、电子技术发展二、电子技术基础简介三、收音机原理简介

电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管→半导体管→集成电路1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较一、电子技术发展1、1883年-1904年，电子管的问世阶段；（一)不可少的一步——电子管的问世1883年爱迪生白炽照明灯1884年弗莱明20世纪初有线电报高频无线电波高频整流器1904年弗莱明真空中加热的电丝板极第一只电子管二极管电子管收音机德福雷斯特一个栅板第一只真空三极管推动了无线电电子学的蓬勃发展年产10亿只无线电电子管

电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外，也广泛渗透到家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户。就连飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展，也有电子管的一臂之力。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m*2，重30t，耗电150kW。电子管的缺点十分笨重，能耗大、寿命短、噪声大，制造工艺也十分复杂

第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴露无遗。在雷达工作频段上使用的普通的电子管，效果极不稳定。移动式的军用器械和设备上使用的电子管更加笨拙，易出故障。因此，电子管本身固有的弱点和迫切的战时需要，都促使许多科研单位和广大科学家，集中精力，迅速研制成功能取代电子管的固体元器件。

早在30年代，模仿制造真空三极管的方法来制造固体三极管，这些尝试毫无例外都失败了。

在1948年6月30日，贝尔实验室首次在纽约向公众展示了晶体管（肖克利、巴丁和布拉顿）。1956年获最高科学奖——诺贝尔物理学奖。

当时的点接触晶体管同矿石检波器一样，利用触须接点，很不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难。晶体管之父----williamshockle(二)、晶体管-----三条腿的魔术师

1948年11月，肖克利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。由于当时技术条件的限制，研究和实验都十分困难。直到1950年，人们才成功地制造出第一个PN结型晶体管。

（二）晶体管-----三条腿的魔术师晶体管的出现是电子技术发展史上的一座里程碑！同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：①晶体管的构件是没有消耗的，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍,

②晶体管消耗电能极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一。③晶体管不需预热，一开机就工作

④晶体管结实可靠，比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。

另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。

自从1904年弗莱明发明真空二极管，1906年德福雷斯特发明真空三极管以来，电子学作为一门新兴学科迅速发展起来。但是电子学真正突飞猛进的进步，还应该是从晶体管发明以后开始的。尤其是PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命。晶体管的问世被誉为本世纪最伟大的发明之一，它解决了电子管存在的大部分问题。

可是单个晶体管的出现，仍然不能满足电子技术飞速发展的需要。随着电子技术应用的不断推广和电子产品发展的日趋复杂，电子设备中应用的电子器件越来越多。

比如二次世界大战末出现的B29轰炸机上装有1千个电子管和1万多个无线电元件。1960年上市的通用型号计算机有10万个二极管和2.5万个晶体管。

一个晶体管只能取代一个电子管，极为复杂的电子设备中就可能要用上百万个晶体管。一个晶体管有3条腿，复杂一些的设备就可能有数百万个焊接点，稍一不慎，就极有可能出现故障。

为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，人们迫切需要在电子技术领域来一次新的突破。

1957年苏联成功地发射了第一颗人造卫星。这一震惊世界的消息引起了美国朝野的极大震动，它严重挫伤了美国人的自尊心和优越感，发达的空间技术是建立在先进的电子技术基础上的。（三）电子线路的集大成者----集成电路

为夺得空间科技的领先地位，美国政府于1958年成立了国家航空和宇航局，负责军事和宇航研究，为实现电子设备的小型化和轻量化，投入了天文数字的经费。

就是在这种激烈的军备竞赛的刺激下，在已有的晶体管技术的基础上，一种新兴技术诞生了，那就是今天大放异彩的集成电路。

有了集成电路，计算机、电视机等与人类社会生活密切相关的设备不仅体积小了，功能也越来越齐全了，给现代人的工作、学习和娱乐带来了极大便利。

那么，什么是集成电路呢？集成电路是在一块几平方毫米的极其微小的半导体晶片上，将成千上万的晶体管、电阻、电容、包括连接线做在一起。真正是立锥之地布千军。它是材料、元件、晶体管三位一体的有机结合。

本质上，集成电路是最先进的晶体管——外延平面晶体制造工艺的延续。集成电路设想的提出，同晶体管密切相关。

1952年，英国皇家雷达研究所的一位著名科学家达默，在一次会议上曾指出：“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件。”

后来，一个叫基尔比的美国人步达默的后尘，走上了研究固体组件这条崎岖的小路。基尔比毕业于伊利诺斯大学电机工程系。

1952年一个偶然机会，基尔比参加了贝尔实验室的晶体管讲座。富于创造性的基尔比一下子就被晶体管这个小东西迷住了。当时，他在一家公司负责一项助听器研究计划。

记不清多少次苦苦思索，多少回实验，多少次挫折，经过长时间的孤军奋战，到1959年，一块集成电路板终于在基尔比的手中诞生了。

在晶体管技术基础上迅速发展起来的集成电路，带来了微电子技术的突飞猛进。微电子技术的不断进步，极大降低了晶体管的成本，在1960年，生产1只晶体管要花10美元，而今天，1只嵌入集成电路里的晶体管的成本还不到1美分。

这使晶体管的应用更为广泛了。不仅如此，微电子技术通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，将从根本上改变人类的生活。它正在冲击着人类生活的许多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、战争与和平。电子技术的发展可分为四个阶段：第一阶段，电子产品以电子管为核心。第二阶段，四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，在很大范围内取代了电子管。第三阶段，五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路第四阶段，大规模集成电路和超大规模集成电路的出现。半导体元器件的发展1947年贝尔实验室制成第一只晶体管1958年集成电路1969年大规模集成电路1975年超大规模集成电路1993年特大规模集成电路（ULSI）:集成1000万个晶体管

66MHz奔腾处理器推出,采用0.6μｍ工艺；1994年巨大规模集成电路（GSI）:集成1亿个晶体管的1GBDRAM1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺；1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，0.25μｍ-0.18μm工艺；2000年:奔腾4，1.5GHz，0.18μｍ工艺;1GbRAM；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μｍ工艺。2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺。2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工艺。2009年：intel酷睿i推出，32纳米工艺，下一代22纳米工艺正在研发。2012年：22纳米工艺的CPU已商品化。纳米工艺有没有极限呢？摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。戈登·摩尔（GordonMoore），英特尔（Intel）创始人。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。是饱和还是继续？二、电子技术基础简介1.关于物质的导电性2.二极管的单向导电性3.三极管的放大作用4.放大与反馈电路5.直流电源6.数字与编码电子信息系统的组成模拟电子电路数字电子电路（系统）传感器接收器隔离、滤波、放大运算、转换、比较功放模拟-数字混合电子电路模拟电子系统执行机构1.关于物质的导电性物质的导电性取决于物质的原子结构：

1）导体：一般为低价元素，如铜、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，易挣脱束缚而成为自由电子。加外电场，定向运动，形成电流。

2）绝缘体：高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶、塑料），最外层电子受原子核束缚力很强，不易挣脱。导电性极差。

3）半导体：外层电子受核的束缚力居中，导电性亦居中，但具有独特的性质。半导体材料的制备----可控思想原材料（si）本征半导体半导体提纯掺杂（纯度>99.99999%）百万分之一比例

四价硅中掺入五价磷—形成N型半导体四价硅中掺入三价硼----P型半导体PNPN结图PN结的形成一、PN结的形成2.二极管的单向导电性

PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN（动画1-3）3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.1.6PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。耗尽层图1.1.7PN结加反相电压时截止反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，

随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS

当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。

（动画1-4）

（动画1-5）综上所述：可见，PN结具有单向导电性。二极管将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？3.三极管的电流放大作用晶体管的放大原理

扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散电流分配：

IE＝IB＋IC

IE－扩散运动形成的电流

IB－复合运动形成的电流

IC－漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数在忽略穿透电流的情况下：可以认为：

输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7

V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区

半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B4

放大与反馈电路一、放大的概念放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电阻容耦合放大电路

放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。反馈的基本概念5.直流电源简介直流电源的组成及各部分的作用改变电压值通常为降压交流变脉动的直流减小脉动1)负载变化输出电压基本不变；2)电网电压变化输出电压基本不变。

直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。半波整流全波整流1单相半波整流电路u2的正半周，D导通，A→D→RL→B，uO=u2

。u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2；uO=0。1.1单相桥式整流电路u2的正半周

A→D1→RL→D3→B，uO=u2u2的负半周

B→D2→RL→D4→A，uO=-u2四只管子如何接？

集成的桥式整流电路称为整流堆。2电容滤波电路充电放电速度与正弦波下降速度相似按指数规律下降滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。

C越大，RL越大，τ越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。3.稳压管稳压电路讨论：稳压管稳压电路的设计依次选择稳压管、UI、R、C、U2、二极管1.输出电压、负载电流→稳压管2.输出电压→UI3.输出电压、负载电流、稳压管电流、UI→R4.UI

、R→滤波电路的等效负载电阻→C5.UI→U26.U2、R中电流→整流二极管

已知输出电压为6V，负载电流为0～30mA。试求图示电路的参数。同相比例运算电路3.1具有放大环节的串联型稳压电路3.2集成稳压器（三端稳压器）输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流：1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）、0.1A（W78L00）1.

W7800系列

（1）简介（2）基本应用消除高频噪声使Co不通过稳压器放电抵销长线电感效应，消除自激振荡

将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。

6.数字与编码1模拟信号与数字信号模拟信号是指时间上和幅度上均为连续取值的物理量。在自然环境下，大多数物理信号都是模拟量。如温度是一个模拟量，某一天的温度在不同时间的变化情况就是一条光滑、连续的曲线：数字信号是指时间上和幅度上均为离散取值的物理量。可以把模拟信号变成数字信号，其方法是对模拟信号进行采样，并用数字代码表示后的信号即为数字信号。用逻辑1和0表示的数字信号波形如下图所示：数字电路的特点数字电路的结构是以二值数字逻辑为基础的，其中的工作信号是离散的数字信号。电路中的电子器件工作于开关状态。数字系统一般容易设计。信息的处理、存储和传输能力更强。数字系统的精确度及精度容易保存一致。数字电路抗干扰能力强。数字电路容易制造在IC芯片上。认识二进制数认识八进制数例：对八进制数，从08数到308解：所求的八进制数的序列如下所示（注意，没有使用下标8）。0，1，2，3，4，5，6，7，10，11，12，13，14，15，16，17，20，21，22，23，24，25，26，27，30认识十六进制数十六进制数的基数R是16，它有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共十六个有效数码。例：对十六进制数，从016数到3016

解：所求的十六进制数的序列如下所示（注意，没有使用下标16）。

0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，1A，1B，1C，1D，1E，1F，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，2A，2B，2C，2D，2E，2F，30二进制编码位权0123456789十进制数842100000001001000110100010101100111100010018421码242100000001001000110100101111001101111011112421码00110100010101100111100