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文档简介

2023/2/11模拟电子技术基础教师:罗广孝2023/2/12ApplicationsMobile

InternetNetworkServicesHomei.LINKMemoryStick2023/2/132023/2/142023/2/152023/2/16电子历史

---放映室

晶体管:

前世……

今生……

来世……2023/2/171879年10月21日,故事从这儿开始……1879年10月19日,美国著名发明家爱迪生成功地使第一盏由竹篾烧成的碳丝制成的白炽灯发光,长达45小时。2023/2/18

为了延长白炽灯的寿命,爱迪生继续进行研究。他在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片,金属片没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝受热后,会产生一股趋向附近的金属片的电流。当时,爱迪生本人并没有意识到这种现象有多少技术潜力,而转入其他项目的研究。后人认识到爱迪生发现的是一种"热电子发射现象",有重要的实际应用价值,把它称为"爱迪生效应"。最早预见到爱迪生效应具有实用价值的,是英国物理学家、工程师弗莱明。弗莱明于1870年大学毕业,1877年到剑桥大学工作,协助麦克斯韦进行电学实验。19世纪80年代,弗莱明在爱迪生设在伦敦的事务所当顾问。90年代,他又与意大利发明家马可尼一起工作。弗莱明与上述两位发明大师共事的经历,促使他把两位大发明家的成果相结合,他的目标是为无线电报接收机寻求更理想的检波器。在研制新颖检波器时,弗莱明发现,如果把产生爱迪生效应的灯泡的“板极”(金属片)接电源正极,则在电场的作用下,灯丝发射出的电子就会流向板极,从而使灯丝和板极之间的电路导通。如果板极与电源负极相连,灯丝就不发射电子,这样,灯丝与板极之间就没有电流。根据这一发现,1904年弗莱明首先研制出了在无线电报接收机中用做检波器的真空二极管,并获得了专利。他一直生活到20世纪40年代,亲眼目睹了他的发明结出的硕果。1906年,美国发明家德·福雷斯特对二极管加以改进,首先研制出真空三极管。

2023/2/19

德·福雷斯特排除干扰继续从事研究,希望能找到一种加快电报信号传送速度的方法。一次,他把一个三极管与电话送话器等连接在一起,再接到耳机上去。当把一块手表放在电话送话器前面时,居然出现了一件意想不到的事:手表的"嘀嗒"声被放大了。德·福雷斯特和他的助手找到了一种可以控制三极管放大作用的方法:减弱所需放大的电流,而把几个三极管连接起来使用,使一个三极管的输出,成为下一个三极管的输入,这样就能使放大效果大大增强。德·福雷斯特在三极管放大的原理上,取得了突破性的进展,使得制造功率放大器的设想有了成功的可能。1912年,德·福雷斯特等发明了再生电路,利用正反馈技术,使音频信号放大到可以接收的程度。从此,三极管才开始用于无线电话机。

1912年,美国通用电气公司的化学家兰茂尔(他在1932年荣获诺贝尔奖)和美国电话电报公司的阿诺德,在各自的公司,分别研制出高真空的电子三极管,使三极管的放大倍数大幅度提高,工作性能更加稳定。从此,三极电子管进入了实用阶段。2023/2/110

电子管也称为真空管(Vacuumtube),它是在一个抽成真空的玻璃泡中封有一些电极而制成的。图1是各种真空管的照片,真空管是第一代电子器件。1904年,世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的诞生,标志着世界从此进入了电子时代。2023/2/1112023/2/112

半导体器件是二十世纪五十年代发展起来的,特别是1948年晶体管(“Transistor”isshortfor“TransferResistor”)的发明,对电子技术的发展起到了决定性的作用。下图是各种半导体二极管和三极管的照片。图各种半导体二极管的照片图各种半导体三极管的照片2023/2/1131954年10月18日,美国德州仪器推出世界上第一个口袋型商业晶体管收音机:四个晶体管超外差;22.5伏电源;体积:

76x128x32MM2023/2/1142023/2/115

随后在半导体器件的基础上发展起来的集成电路,使电子技术进入了一个新的里程碑。集成电路的不断发展,从小规模集成电路到中规模、大规模集成电路,以及发展到超大规模集成电路。可以把过去一台仪器所包括的电子电路集成到一块芯片之中。下图是各种集成电路的照片。图各种集成电路的照片2023/2/116那些人……

那些事……2023/2/117

1946年1月,Bell实验室正式成立半导体研究小组,

W.Schokley肖克莱,J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉顿。Bardeen提出了表面态理论,Schokley给出了实现放大器的基本设想,Brattain设计了实验。1947年12月23日,第一次观测到了具有放大作用的晶体管1.晶体管的发明2023/2/118肖克莱(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉顿(WalterBrattain)2023/2/119晶体管的发明

二战结束时,诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发明作好了理论及实践上的准备。1946年1月,依据战略发展思想,Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组,开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中,肖克莱根据肖特基的整流理论,预言通过“场效应”原理,可以实现放大器,然而实验结果与理论预言相差很多。经过周密的分析,巴丁提出表面态理论,开辟了新的研究思路,兼之对电子运动规律的不断探索,经过多次实验,于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论,并于1952年制备出结型锗晶体管,从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。2023/2/120

肖克莱在回顾晶体管发明过程的文章中谈到对晶体管发明究竟是由实际追求具体器件导致的结果还是基础研究的副产品这个问题,不能简单地用“是”还是“不是”来回答。在晶体管发明的实际过程中,需求牵引与科学推动是交织融合在一起的。Bell实验室在组织该课题时是基于提高检波器稳定性这一背景需求的,但在选择研究目标是并不完全从追求解决实际技术出发,而是决定对固体物理学进行系统研究。当然也考虑到这一领域的突破将会对通讯技术的发展起到重要作用。晶体管的发明2023/2/121

基础研究成果一旦与某种社会需求相结合,就能实现“基础创新”,为技术发展提供理论基础和实践方向,成为整个创新流的源泉。例如晶体管发明作为“基础创新”的成果,导致一系列平面工艺的创新与实现,继而发明了集成电路,形成今天信息技术和产业赖以发展的强大基石。当今社会经济发展形态表明:知识经济初露端倪。可以说谁拥有了“基础创新”,谁就掌握了主动权。这也可以说是发展中国家实行超越战略、赶超世界先进水平的“捷径”。晶体管的发明2023/2/122

1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山(MountainView)贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克莱(WilliamShockley,1910—1989)、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁(JohnBardeen,1908—1991)和美国纽约州缪勒海尔(MurrayHill)贝尔电话实验室的布拉顿(WalterBrattain,1902—1987),以表彰他们在1947年12月23日发明第一个对半导体的研究和PNP点接触式Ge晶体管效应的发现。2023/2/123世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管蒸金箔塑料楔金属基极锗发射极集电极0.005cm的间距2023/2/1242.集成电路的发明

1952年5月,英国科学家G.W.A.Dummer达默第一次提出了集成电路的设想。1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路,并于1959年公布了该结果2023/2/1251958年第一块集成电路:TI公司的Kilby,12个器件,Ge晶片获得2000年Nobel物理奖2023/2/1261958年发明第一块简单IC的美国TI公司JackS.Kilby杰克·基尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特·克勒默和俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的泽罗斯·阿尔费罗夫一起获得2000年Nobel物理奖,以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献,特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管。

赫伯特·克勒默杰克·基尔比泽罗斯·阿尔费罗夫2023/2/127青年基尔比第一块集成电路集成电路草图1958年9月12日,TI公司的JackS.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小(不足1/2英寸见方)的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件(两个晶体管、两个电容和八个电阻)。Kilby本人也因此与赫伯特·克勒默和俄罗斯的泽罗斯·阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖。Ge衬底上的混合集成电路,美国专利号31387432023/2/1281959年美国仙童/飞兆公司(Fairchilds

)的R.Noicy诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术,从而推动了IC制造业的大发展。1959年仙童公司制造的IC年轻时代的诺伊斯2023/2/129第一章绪论

电子技术基础包括模拟部分和数字部分

模拟部分研究对象(器件、电路与系统)

半导体器件:二极管D,三极管(晶体管)T,场效应管分立元件电路:共射极、共基极、共集电极放大电路,差放,功放,电源集成电路:集成运放,集成功放信号:产生,放大,反馈,运算,比较仿真工具:PSPICE(veryinteresting)

爱模电,爱SPICE!2023/2/1301.1电子系统与信号电子系统:由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。基本电路:指的是基本单元电子电路,如基本放大电路、滤波电路、取样-保持电路、模数转换电路、信号运算处理电路、数摸转换电路等。特定功能:指的是实现信号的传输或信号的处理等特定功能。

信号的分类:模拟信号:幅值和时间都连续变化的信号(气温、气压、风速)数字信号:幅值和时间都是离散的信号2023/2/131电信号源的电路表达形式电压源等效电路电流源等效电路2023/2/132信号:信息的载体微音器输出的某一段信号的波形数字信号波形2023/2/133电信号的时域与频域表示A.正弦信号时域2023/2/134电信号的时域与频域表示B.方波信号

满足狄利克雷条件,展开成傅里叶级数(高数)——直流分量其中——基波分量——三次谐波分量方波的时域表示2023/2/135信号的频谱B.方波信号频谱:将一个信号分解为正弦信号的集合,得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布,称为该信号的频谱。幅度谱相位谱2023/2/136Digitalsignal-带宽梯形波频率100MHz幅度为5V占空比50%上升/下降时间为1ns梯形波频谱

2023/2/137Digitalsignal-9次谐波频谱成分digitalsignalVS10PULSE(0501N1N4N10N)R101E6.TRAN0.0001N10N.FOUR100MEGV(1).PROBE.ENDFOURIERCOMPONENTSOFTRANSIENTRESPONSEV(1)DCCOMPONENT=2.500006E+00HARMONICFREQUENCYFOURIERNORMALIZEDPHASENORMALIZEDNO(HZ)COMPONENTCOMPONENT(DEG)PHASE(DEG)11.000E+083.131E+001.000E+00-1.800E+010.000E+0022.000E+081.149E-053.669E-065.321E+018.921E+0133.000E+089.108E-012.909E-01-5.400E+013.949E-0644.000E+089.224E-062.946E-061.624E+018.824E+0155.000E+084.053E-011.294E-01-9.000E+012.384E-056

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