第三章 电子元器件基本知识

第三章电子器件基本知识

什么是“电子元件”、“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、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的成品。如电阻器、电容器、电感器。它本身不产生电子，它对电压、电流无控制和变换作用，又称无源器件。

内容电子器件发展经历了四个阶段（代）：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路。介绍发展进程及应用。半导体二、三极管原理及应用介绍摩尔定律

1883年，爱迪生为延长白炽灯的寿命，无意中发现了热电子发射现象—爱迪生效应。（1903年，英国理查逊证实了电子的存在，1928年获诺贝尔奖。）1904年，英国弗来明，发明真空二极管。1906年美国德福雷斯特，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。“以小控大”，就是放大。结构为圆筒状。作用如“闸门”。

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）

爱迪生效应弗莱明与真空二极管这项发明称为“阀”真空二极管（实物）管内存在稀薄的空气，工作时发出蓝色辉光。德福雷斯特德福雷斯特与肖克莱德福雷斯特的D-01A型直流/放大三极管

真空三极管阳极A栅极G阴极K灯丝F二、三极电子管工作原理阳极阳极UgIa

真空三极管应用

第一代电子计算机二、半导体晶体管

1835年，麦克思发现“不对称导电现象”。1874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（Se）也是半导体。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；晶体加金属丝成二极管，用作检波，矿石收音机1940年，人工纯锗、硅晶体出现，晶体二极管应用。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

1873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；1877年英国物理学家亚当斯(W.G.Adams)发现晶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，1906年美国物理学家皮尔士等人发现金属与硅晶体接触能有整流作用的半导体整流效应。

半导体的导电特性：热敏性光敏性掺杂性自由电子与空穴

Si

Si

Si

Si价电子空穴自由电子N型半导体和P型半导体:掺入五价元素P:自由电子数目大量增加，自由电子导电成为主要导电方式，称为N型半导体掺入三价元素B:空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷离子

Si

Si

Si

SiB–硼离子空穴巴丁、肖克莱、布拉顿1945年开始，贝尔实验室，攻关小组。肖克莱（组长）、巴丁、布拉顿。1947.12.23发现三极管放大作用。1948年专利，1956年诺贝尔奖

巴丁、肖克莱、布拉顿沃尔特·布拉顿也是美国人，1902年2月10日出生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，1929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50μm固定探针BEC点接触型晶体管第一只晶体管示意图45V1V面结型晶体管——1948年，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。1949年，肖克莱提出了p-n结理论（关于晶体中由于掺入杂质的不同所形成的p型区和n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极管。结型晶体管在许多方面优于点接触晶体管面结型晶体管1959发明平面工艺。1959发明平面工艺。美仙董公司，赫尔尼。晶体片表面进行加工——集成电路工艺的前身。微小型化的过程。早期电极几个mm，后缩至0.3~0.5mm，结面积0.07~0.2mm2

。实际上PN结直径只要几十个μm。照相，制板，光刻，印刷工艺。1950年芯片2.5mm2/个，到1963年，同面积上可制作125个管。线宽20-30μm。1950’S电子管与晶体管竞争。电子管小型化，最小如铅笔粗。60年代晶体管全面取代电子管。（除微波、大功率场合）。二、三极管的应用：

1．

二极管单向导电性P正N负：导通（开关通）；P负N正：截止（开关断）（1）整流—低频，检波—高频，开关作用（2）特殊二极管：稳压二极管：；发光二极管LED：光敏二极管：光照敏感，电阻变小，电流变大，有可见，红外光敏；激光二极管：发射激光。PN阳极阴极整流前整流后i二极管单向导电空穴空穴电子电子有电流无电流2．三极管（1）放大：IB小变化，引起IC大变化。以小控大。放大系数小信号放大：中频、高频、低频信号放大；大位号放大：功率放大，音响输出；（2）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。LC振荡器，RC振荡器。（3）开关作用三种工作状态：放大截止—开关NNP基极发射极集电极BECBECIBIEIC

第二代电子计算机三．集成电路（IC）

1952年，英国的达默提出集成化设想1958年9月１２日，美德克萨斯仪器公司（TXAS）工程师杰克·基尔比（Jackkilby）发明了集成电路，第一个IC是安置在0.5cm2锗晶片上的电路—相移振荡7/16ⅹ1/16英寸,它包含有１只晶体管、４只电阻器和３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膜，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路，采用平面工艺。2000年，基尔比退体多年后，获诺贝尔奖IC的第一个商品是助听器，1963年12月。1958年德州仪器(TI)公司的JackKilby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量产的集成电路理论模型。1959年，当时身在仙童公司的BobNoyce发明了第一个真正意义上的平面集成电路，并于1961年实现量产。

杰克·基尔比（Jackkilby）

杰克·基尔比的IC

第一个IC

诺伊斯发明的基于硅的ICIntel创始人诺伊思（中）、戈登·摩尔（右）

第一台集成电路电子计算机IBM360第一台微型计算机Altair8800

1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。

个人电脑IBM-PC（右）主频4.77MHz

AppleII(下）主频1MHZ四大规模，超大规模集成电路

1960年代平面工艺。1970年，通用微电子与通用仪器公司，开发MOS集成电路。（MOS—金属，氧化物，半导体。）集成度高，低功耗，制作简单，成为IC发展方向。1965年戈登·摩尔（GordonMoore）总结出“摩尔定律”(1965.4《电子学杂志》：“往集成电路中塞进更多元件”），每年集成度提高一倍。1971年11月，第一个微处理器（CPU）Intel4004，含3300个晶体管，1990年。奔腾ⅢCPU，含14万以上。半导体存储器的进展：1965，施密特，MOS、ROM、存储器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（理论极限256G）1962年12个元件的集成块**1965年初近100个元件的集成块（SSI小规模集成电路）**1965年底100-1000个（MSI中规模集成电路）；**1971年1000-10万个（LSI大规模集成电路）**1978年10万-100万个（VSLI超大规模集成电路）90年代1亿个以上（ULSI极大规模集成电路）；**20世纪末突破10亿个（GLSI巨大规模集成电路）。摩尔（GordonMoore）摩尔定律CPU的进展

40042000个2861340038627.5万1993P1300万0.8μm1999P3950万0.25μm2002P45500万0.13μm2005双核2.3亿90nm2007四核5.8亿65nm2009Intel酷睿