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纳米与电子

物理与光电·能源学部

真空电子管（电子管）

Vacuumtube

晶体管（微电子器件）

Transistor

纳电子器件

Nanoelectroniccomponents

目录

电子器件的总介绍

Electroniccomponents

电子元器件的作用

function

三代电子器件

Electronicdevice

真空电子管

晶体管（微电子器件）

纳电子器件

逐渐被取代

升级

PART01

真空电子管

Vacuumtube

1904-现在

Vacuumtube

真空电子管

弗莱明·约翰·安布罗斯（FlemingJohnAmbrose，1849—1945），英国电气工程师、物理学家。

弗莱明于1904年研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊“灯泡”，他把它叫做“热离子阀”，这就是世界上第一只电子管，也是人们后来所说的“真空二极管”。电子管的尺寸介于几到几百厘米间。

真空电子管

Vacuumtube

民用

电子管音频功放

50年前，电子管逐渐被淘汰，但是随着制约电子管放大器的输出变压器技术的进步，电子管放大器能“中和”CD唱机生硬的“数码声”，电子管放大器的地位在提高。

优缺点

缺点：体积大、功率大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源

优点:1、电子管负载能力强2、线性性能优于晶体管3、工作频率高4、高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好

为什么音响中电子管更受喜欢？

音色即声音的特点，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的声音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。而在泛音当中，唯有二次、三次谐波产生的泛音强度相对最大，直接影响到听觉感受。人耳对于偶次谐波是欢迎的，基音的偶次谐波越多，表现出的听觉感受就越“柔和、温暖、醇厚”，就是人们常说的“讨好耳朵”或者“听感好”；而对于奇次谐波来说，人耳则很排斥，基音的奇次谐波成分越多，表现的听觉感受越“刺耳、生硬”，即我们常说的不耐听。电子管所具有的特性，恰恰能迎合人耳的喜好，对声音进行许多修饰。因此，我们会更喜欢电子管音频放大器的声音，这就是俗称的“胆味”。

另外还有其他原因

Why？

PART02

晶体管

Transistor

1947-现在

沃尔特·布拉顿

约翰·巴丁

威廉·肖克莱



晶体管

Transistor

1947年第一个可正常工作的晶体管被这三位科学家发明，1956年三人共同获得诺贝尔物理学奖。

当时的晶体管很大，甚至可以直接用手组装。

摩尔定律

纵坐标为取对数后的数值

微电子器件的摩尔定律为由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

嵌入式处理器

摩尔定律指导下的细微化

集成电路的芯片.mm

纳米场效应晶体管.nm

印制电路板.cm

集成电路中的晶体管.μm

Moresmall

越来越难的升级

7nm将是晶体管的物理极限。

早在00年代，集成电路上晶体管的线宽最小尺寸就进入50纳米的范围，很明显单纯依靠缩小尺寸的做法正走到尾声。不过，通过其他一些技术，芯片的发展仍然符合摩尔定律的预测。在90纳米时代，应变硅技术问世。在45纳米时代，一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代，三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。

不过，这些新技术也已走到末路。用于芯片制造的光刻技术正面临压力。目前，14纳米芯片在制造时使用的是193纳米波长光。光的波长较长导致制造工艺更复杂，成本更高。波长13.5纳米的远紫外光被认为是未来的希望，但适用于芯片制造的远紫外光技术目前仍需要攻克工程难题。

Hard！

晶体管的尺寸早已进入纳米级

为什么7纳米是晶体管物理极限

7nm

为什么

是

物理极限

Maybe

缩短晶体管栅极的长度可以使CPU集成更多的晶体管或者有效减少晶体管的面积和功耗，并削减CPU的硅片成本。正是因此，CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管栅极宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。不过这种做法也会使电子移动的距离缩短，容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动，也就是漏电。而且随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电子，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

为了解决漏电问题，Intel、IBM等公司可谓八仙过海，各显神通。比如Intel在其制造工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路以解决漏电问题；IBM开发出SOI技术——在在源极和漏极埋下一层强电介质膜来解决漏电问题；此外，还有鳍式场效电晶体技术——