电功能材料

电

发布时间 : 2024-05-13 10:29

阅读 :

不要再从丝绸和橡胶再说了

电线

双绞线：由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。这两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，以减少电磁干扰和提高信号传输质量。

电线：

BNC 信号线

一、发现“电”可沿金属线传输（1800年前）

公元前500年，希腊泰勒斯发现摩擦生电。

1729年，英国人格雷发现“电”可以沿金属线传输，人类有了“导体”的概念。

1740年，法国的德札古利埃规定了导体与绝缘的定义。

1744年，德国人温克勒用电线把放电火花传输到远距离，宣告了电线的诞生。

1752年，美国人富兰克林发明了避雷针，并用电线接地，这是电线的首次实用化。

1799年，意大利人伏特发明电池，获得了持续电流。

二、“电报机”的发明推动了电报电缆的研发、应用（1875年前）

十九世纪初，丹麦的奥斯特、英国的法拉第、德国的欧姆、美国的亨利等大批欧美物理学家不断发现和创立了现代电学、电磁学的许多基础理论，为今后的电力、信息传输打开了闸门。

1833年，高斯和韦伯制成了第一部电磁指针电报机，用于1公里长的线路上，用了6年。

1835年，美国莫尔斯发明了有线电报机，促进了通信电缆的发展。

1839年，库克、惠斯登在伦敦建成了第一条21公里长的电报线路。1841年纽约港敷设了橡皮绝缘的海底电报电缆。

1851年，英国敷设了穿越英吉利海峡的海底电缆。此后，欧美各国竞相发展；二三十年间，电报电缆几乎遍连各国的主要大城市。至1920年，英国建成了连接英联邦各国、环绕世界的电报电缆网，引发了美、日等国敷设海底电报电缆的高潮。

1871年，英国大东公司在中国上海与日本长崎之间敷设了橡皮绝缘海底电报电缆。

三、线缆产品在三大领域遍地开花（1980年前）

（一）电磁线

1、1875年，美国人亨利取得了第一个绝缘漆和纤维专利。美国GE公司在1902年制成醋酸纤维漆包线；1909年制成油性漆包线；1925年制成聚乙烯醇缩甲醛线；1938年发明了缩醛漆包线；1954年发明了聚酯漆包线。

2、日本在1939年开发了玻璃漆包线；1954年制成了硅酮漆包线。德国在1940年制成了聚氨酯漆包线。

3、美国道奇公司在1951年发明了自粘性漆包线；1963年制成了复合漆包线。

4、美国杜邦公司在1957年发明了丙烯酸漆包线；1961年制成聚酯亚胺漆包线和聚酰亚胺漆包线；1964年制成聚酰胺-酰亚胺漆包线。

5、上海电缆研究所在1966年制成聚酰亚胺漆包线；1970年制成聚酰胺-酰亚胺漆包线。

（二）通信电缆

1、1876年，美国贝尔发明有线电话机，美国制造市内通信电缆。1878年，美国在纽约与波士顿之间开通了第一条长途话缆线路。

1889年美国WE公司开始大批量生产纸带绕包绝缘铅包市内通信电缆。

1891年英法海峡敷设最早的海底话缆。

1898年英国在伦敦与伯明翰之间敷设了一条长达46公里的19个四线组成的长途通信电缆；用至1938年又改为载波通信。

2、1921年，美国与古巴间敷设了第一条同轴海底话缆。

1932年，英国与比利时之间敷设了第一条载波传输的海底同轴电缆。

1936年，德国制造宽带同轴电缆用以传输电视。

1939年，德国、美国开发了聚乙烯料，应用于各种通信电缆。

1944年，美国与法国间敷设了距离最长的（100海里）海底电缆。

1949年，美国制成公用天线电视电缆（CATV）。

1950年，美国制成全塑（PE）皱纹铝带综合护层电话电缆。

3、1956年，英、美、加三国合作敷设了第一条跨越大西洋的对称式电话电缆，全长4300公里；1959年，美、法、加三国合作敷设了第二条大西洋海底通信电缆（同轴式）……。至1976年，共敷设6条跨越大西洋的海底通信电缆。此后，在大西洋及各个海域陆续又敷设了大量的海底通信电缆，使世界各地区、各国之间信息传输全部畅通。

4、1976年10月，中日之间的海缆系统开通，有480话路。

（三）电力系统用线缆

1、1879年，美国爱迪生发明了白炽电灯，制成黄蔴沥青绝缘电力电缆，敷设于纽约。同年，瑞士博雷尔发明压铅机，可制造铅包电缆。

1887年，美国布鲁克斯用低粘度绝缘油浸渍纸作为电力电缆的绝缘。

1888年，英国费伦蒂制成10KV油浸纸绝缘电缆（二芯，同芯式）。

1890年，美国制成三芯油浸纸绝缘电力电缆。

1893年，英国BICC公司开始生产纸力缆。

1910年，德国在柏林敷设30KV三芯电缆，1911年敷设60KV单芯电缆。

日本于1911年生产10KV纸力缆。

电流的流动

真空管

真空管 （英语：Vacuum Tube）是一种在电路中控制电子流动的电子元件。参与工作的电极被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃），因而得名 ^[1]^ 。在中国大陆，真空管则会被称为“电子管”。电子工业早期年代，在香港和广东省，真空管会被称作“胆”。一般来说真空管内都是真空。但随着发展也不一定：有充气震荡管、充气稳压管及水银整流管。

在二十世纪中期前，因半导体尚未普及，基本上当时所有的电子器材都使用真空管，形成了当时对真空管的需求。但在半导体技术的发展普及和平民化下，真空管因成本高、不耐用、体积大、效能低等原因，最后被半导体取代了。但是可以在音响扩大机、微波炉及人造卫星的高频发射机看见真空管的身影；许多音响特别使用真空管是因为其特殊音质，在音响界、老旧的真空管常与最新的数位IC共存。另外，像是电视机与电脑阴极射线管显示器内的阴极射线管以及X光机的X射线管等则是属于特殊的真空管。

对于大功率放大（如百万瓦电台）及卫星（微波大功率）而言，大功率真空管及行波管仍是唯一的选择。对于高频电焊机及X射线机，它仍是主流器件。

历史

1715571239288
常用的6922双三极真空管

真空管的历史可溯自改良灯泡的商人托马斯·爱迪生。1880年某日，他好奇地在灯泡中多放了一个电极，且洒了点箔片，结果发现了奇特的现象：第三极通正电时，箔片毫无反应；但通负电时，箔片随即翻腾漂浮。当时爱迪生不知道此现象的起由，但由于他不经意的发现，这个现象后来被称为爱迪生效应。一直到1901年，欧文·理查森提出定律，说明电子的激发态引起箔片漂浮，后更以此拿到1928年的诺贝尔物理奖。接着约翰·弗莱明在1904年发展出二极管，李·德佛瑞斯特更在1907年作出第一个三极管 “三极管 (真空管)”)。

结构

真空管具有发射电子的阴极（K）和工作时通常加上高压的阳极或称屏极（P）。灯丝(F)是一种极细的金属丝，而电流通过其中，使金属丝产生光和热，而去激发阴极来放射电子。栅极（G）它一定置于阴极与屏极之间。栅极加电压是抑制电子通过栅极的量，所以能够在阴极和阳极之间对电流起到控制作用。

三极真空管之主要结构
真空管之底座结构

为保持管内的真空状态，真空管中设有一物件，称为除气剂。一般由钡、铝、镁等活泼金属合金制成。在抽出管中空气后，将管中各元件及除气剂加热至红热，这样就可以吸收管内电极所含之气体 ^[2]^ 。利用一围绕管子之高频电磁场而使除气剂迅速升华，除气剂就吸收管子中的气体。在反应过后，玻璃管内壁积存银色的除气剂披覆层。若把管体的玻璃管打破或漏气时，玻璃管内壁积存银色的除气剂便会退色，同时也表示该真空管不能被使用。

玻璃管内壁除气剂退色之过程
除气环

运作原理

多极的真空管（如：三、四、五…极管）由二极管演变而来，它们的基本结构和原理是相同的。

二极管

真空二极管运作原理

如图中所示，

将加热电压加于真空二极管的灯丝之上，将阴极加热至红热，从而使阴极的电子被激发（因此灯丝和阴极发出红光）。
相较于阳极，阴极有更多的电子处于较高能量的激发态。因此，电子更容易被从阴极发射。
当阴极接在电源的负极，阳极接在电源的正极时，两极间的电势差形成电场，使得阴极的电子跳跃至阳极。与之相反，若电势差的方向逆转，电子无法轻易地离开阳极跳跃至阴极。
移动的电子形成电流。因为电子只能从阴极移至阳极，所以工作中的真空二极管具有单向导电性。

三极管

三极管运作原理

在真空二极管的基础上，三极管在阴极和阳极之间添加了一个栅极。通过在栅极和阳极间加上栅极电压，可以使栅极带上负电荷。由于电荷同性相斥，通过改变栅极的电场强度，就可以改变电子通过栅极的流量，从而起到放大作用。

抽真空

管内有空气之示意图

电子在于其放射过程中，因会与空气中之组成分子相撞而产生阻力，因此电子经由如空气之类的介质来移动的话，将会比在真空状态来的困难，所以若想轻松的达成电子放射之移动过程，需将产生电子放射及电子收集之各项元件，也就是灯丝、阴极、栅极、屏极等封装于玻璃管内，且将其内部成为真空状态，才能使电子之放射动作达成最高效率。若然真空度不足，会因为被阴极射出的电子击打管中的空气，令空气的原子被激发至激态发出红光，并严重影响真空管之工作表现 ^[2]^ 。另一方面电子打到玻璃也会产生蓝光并产生二次电子反射噪音。

分类

直热式及旁热式构造比较

依加热方式

真空管可被分为2大类别，分别是直热式和旁热式。直热式真空管是较早诞生的。它有一个致命的缺点，就是阴极容易受到灯丝的温度而改变特性。当灯丝电压变动时，或以交流电供应灯丝时，阴极呈现在不稳定的状态下。旁热式真空管作工相对较稳定。由于金属套筒的体积与储热量远远大于传统的灯丝，因此即使灯丝暂时的温度变动，甚至暂时几秒钟的停止加热，金属板的温度变化改变有限，这也就是为什么某些扩大机关机之后，它还能唱十多秒的主要原因，是因为灯丝未冷却且电源供应部分有大容量电容器内部余电未放完 ^[3]^ 。

依容器结构分类

大部分市售的真空管，其管壁为玻璃制。而军用等特殊型式则为金属制及为超高频而制的瓷质金属壳的大空电子管。
按玻璃形态可分为S管（大茄子）、ST管、G形管（大葫芦）、GT管（直棒子）、自锁管、MT管（花生管）、米型管、灯塔管、橡实管等。

同外型的玻璃真空管
铁壳军规6Ж4真空管

依结构及用途区分

五极管
复合管

真空管可被分为二极管、三极管、四极管、束射四极管、五极管及复合管等很多种类别。依用途区分及常见的型号：

整流用二极管：12F、81、35W4、25M-K15、5MK9
整流用双二极管：80、5Z3、5AR4、5U4、6X4、5Y3、83、82
水银蒸汽整流管。
冷阴极充气稳压管: WY-1
检波用二极管：6AL5、EAA91、6H6
调谐指示管：6E1、6E2、6E5、1E2、EM80、EM81
电视显像管
静电显示管
盖革计数管
光电管
星光倍加显像管
摄像管
磁控管（微波炉及雷达用）
行波管（雷达及卫星用）21111
电压放大用三极管：6C4
双二极三极检波放大管：6AV6、6SQ7
电压放大用双三极管：12AX7、12AU7、12AT7、12BH7A、6DJ8、6SN7
功率放大用三极管：45、WE300B、2A3、211、845、8045G
功率放大用双三极管：6336A、6080
功率放大用集射四极管：UY-807、KT88、6L6、6V6
遥截止电压放大用五极管：6BA6、6BD6、6267、6SK7
锐截止电压放大用五极管：6AU6、6SJ7、6AK5
双二极五极检波放大管：6B8
功率放大用五极管：47、6F6、6CA7、6BQ5、6550、6AR5、42、30A5、50C5
变频用七极管：6SA7、6BE6
六极变频管：6L7
变频用三极六极管：6U1
八极变频管：AK2
九极比例检波管：6BE9
发射用三极管：3-500Z、3-1000Z
发射用四极管：4CX250B
发射用五极管：6146B、S2001A
旁热式双三极小信号管：6922、ECC88、6DJ8
直热式三极功率管

我手上这个是™的灯泡 H4 12V 60/55W P43t 汽车卤钨灯远光灯汽车照明灯泡

晶体管

晶体管 （英语：transistor），早期音译为 穿细丝体 ，是一种类似于阀门的固体半导体器件，可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。在1947年，由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利所发明。当时巴丁、布拉顿主要发明半导体三极管；肖克利则是发明PN二极管，他们因为半导体及晶体管效应的研究获得1956年诺贝尔物理奖 ^[1]^ 。

晶体管由半导体材料组成，至少有三个对外端点称之为极。以双极性接面晶体管为例，有基极(B)、集电极(C)、发射极(E)，其中基极(B)是控制极，另外两个端点之间的伏安特性关系是受到控制极的非线性电阻关系。晶体管受控极输入的电流或电压，改变输出端的阻抗，从而控制通过输出端的电流，因此晶体管可以作为电流开关，而因为晶体管输出信号的功率可以大于输入信号的功率，因此晶体管可以作为电子放大器。

历史

第一个晶体管的复制品.

1925年，加拿大物理学家尤利乌斯·爱德利林费尔德申请场效应晶体管（FET）的专利
1926年，尤利乌斯·爱德利林费尔德也在美国申请专利，但是他没有发布过相关的文章，而且当时还没有制作高品质半导体的相关技术。
1934年，德国发明家奥斯卡海尔申请类似装置的专利。
1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。

运用及分类

NPN型晶体管示意图

晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）

晶体管一般都有三个极，其中一极兼任输入及输出端子，(B)基极不能做输出，(C)集电极不能做输入之外，其余两个极组成输入及输出对。
晶体管之所以有如此多用途在于其信号放大能力，当微细信号加于其中的一对极时便能控制在另一对极较大的信号，这特性叫增益。

当晶体管于线性工作时，输出的信号与输入的讯息成比例，这时晶体管就成了一放大器。这是在模拟电路中的常用方式，例如电子放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路；

当晶体管的输出不是完全关闭就是完全导通时，这时晶体管便是被用作开关使用。这种方式主要用于数字电路，例如数字电路包括逻辑门、随机存取内存（RAM）和微处理器。另外在开关电源中，晶体管也是以这种方式工作。

而以何种形式工作，主要取决于晶体管的特性及外部电路的设计。

双极性晶体管的三个极，发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector） ^[2]^ ^:31^ ; 射极到基极的微小电流，会使得发射极到集电极之间的阻抗改变，从而改变流经的电流 ^[2]^ ^:31^ ；

场效应晶体管的三个极，源极（Source）、闸（栅）极（Gate）和漏极（Drain） ^[2]^ ^:41^ 。
在栅极与源极之间施加电压能够改变源极与漏极之间的阻抗，从而控制源极和漏极之间的电流。

晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称共集放大、CC组态、发射极随隅器） ^[2]^ ^:37-39^ 。

晶体管在应用上有许多要注意的最大额定值，例如最大电压、最大电流、最大功率。若在超额的状态下使用，会破坏晶体管内部的结构。每种型号的晶体管还有像是直流放大率h FE 、NF噪讯比等特性，可以借由晶体管规格表得知。

重要性

阿威罗大学葡式碎石路上的晶体管符号

晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，可能是二十世纪最重要的发明 ^[3]^ ，它让收音机、计算器、电脑、以及相关电子产品变得更小、更便宜。

在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等发明相提并论。晶体管是所有现代电器的关键主动（active）器件。晶体管在当今社会如此重要，主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。1947年贝尔实验室发明晶体管已被列在IEEE里程碑列表中 ^[4]^ 。

虽然数以百万计的单体晶体管还在使用 ^[5]^ ，绝大多数的晶体管是和二极管，电阻器，电容器一起被装配在微芯片（芯片）上制造完整的电路。可能是模拟的、数字的，或是混合的芯片上。设计和开发复杂芯片的成本是相当高的，但是若分摊到百万个生产单位上，对每个芯片价格的影响就不大。一个逻辑门包含20个晶体管，而2012年一个高级的微处理器使用的晶体管数量达14亿个。

晶体管的成本，灵活性和可靠性使得其成为非机械任务的通用器件，例如数字计算。晶体管电路在控制电器和机械的应用上，也正在取代电机设备，因为它通常是更便宜而有效，使用电子控制时，可以使用标准集成电路并编写计算机程序来完成一个机械控制同样的任务。

因为晶体管和后来的电子计算机的低成本，开始了数字化信息的浪潮。由于计算机提供快速的查找、分类和处理数字信息的能力，在信息数字化方面投入了越来越多的精力。今天的许多媒体是通过电子形式发布的，最终通过计算机转化和呈现为模拟形式。受到数字化革命影响的领域包括电视，广播 “广播 (大众媒体)”)和报纸。

和真空管的比较

在晶体管发展之前，真空管是电子设备中主要的功率器件。

优点

晶体管因为有以下的优点，因此可以在大多数应用中代替真空管：

没有因加热阴极而产生的能量耗损，应用真空管时产生的橙光是因为加热造成，有点类似传统的灯泡。
体积小、重量低，因此有助于电子设备的小型化。
工作电压低，只要用电池就可以供应。
在供电后即可使用，不需加热阴极需要的预热期。
可透过半导体技术大量的生产。
放大倍数大 ^[6]^ 。

限制

相较于真空管，晶体管也有以下的限制：

硅晶体管会老化及失效 ^[7]^ 。
高功率、高频率的应用中（例如电视广播），因真空管中的真空有助提升电子迁移率，效果会比晶体管要好。
固体电子器件在应用时比较容易出现静电放电现象。

类型

	PNP		P-沟道
	NPN		N-沟道
BJT		JFET

BJT及JFET符号

				P-沟道
				N-沟道
JFET	MOSFET enh	MOSFET dep

JFET 及 MOSFET符号

晶体管可以依以下的方式分类：

半导体材料（最早使用的分类）：类金属锗（1947）及硅（1954）— 非晶、多晶及单晶形式）、化合物半导体有砷化镓（1966）及碳化硅（1997）、硅锗合金（1989），2004年开始研究的碳的同素异形体石墨烯等。
结构：BJT、JFET、IGFET (MOSFET)、IGBT等。
电极性（正电及负电，类似化学极性）：n–p–n及p–n–p（BJT），N沟道及P沟道（FET）
最大功率额定：可分为低功率、中功率及高功率。
最大工作频率：低频、中频、高频、无线电频率（RF）、微波频率：晶体管的最大等效频率是用

$f_{\mathrm {T} }$ 表示，是过渡频率的缩写，过渡频率是增益为1时的频率。
应用：开关、泛用、音频、高压等。
封装：插入式金属封装或塑胶封装、表面黏着技术、球栅阵列封装、功率晶体等。
增益系数：h fe 、β F ^[8]^ 或g m （跨导）等。

现在也已发明许多新类型的晶体管。已有在低温下操作的单电子晶体管（single electron transistor SET） ^[9]^ ，以及单原子晶体管（single atom transistor SAT） ^[10]^ ，其中，原子是个别地植入。

双极性晶体管（BJT）

主条目：双极性晶体管

双极性晶体管同时利用半导体中的多数载流子及少数载流子导通，因此得名。双极性晶体管是第一个量产的晶体管，是由二种不同接面的二极管组成，其结构可分为二层N型半导体中间夹一层P型半导体的NPN晶体管，以及二层P型半导体中间夹一层N型半导体的PNP晶体管 ^[2]^ ^:32^ 。因此会有二个PN结，分别是基极-发射结及基极-集电结，中间隔着一层的半导体，即为基极。

双极性晶体管和场效应晶体管不同，双极性晶体管是低输入阻抗的器件。当基集电极电压（ Vbe ）提高时，集电极发射极电流（ Ice ）会依肖克基模型及艾伯斯-莫尔模型，以指数形式增加。因此双极性晶体管的跨导比FET要高。

双极性晶体管也可以设计为受到光照射时导通，因为基极吸收光子会产生光电流，其效应类似基极电流，集电极电流一般是光电流的β倍，这类的晶体管一般会在封装上有一透明窗，称为光晶体管。

场效应晶体管（FET）

主条目：场效应管、金属氧化物半导体场效应管和结型场效应管

电脑仿真展现场效应晶体管的开通。左图为Id-Vg,右图为空间电子密度分布。随着电压增加，导电沟道形成（右图），电流增加（左图），场效应晶体管开通

场效应晶体管利用电子（N沟道FET）或是空穴（P沟道FET）导通电流。场效应晶体管都有栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）三个极，若不是结型场效应晶体管，还会有一极，称为体（body）。大部分的场效应晶体管中，体（body）会和源极相连。

在场效应晶体管中，源漏极电流会流过连接源极和漏极之间的沟道，导通程度会依栅极和源极之间的电压产生的电场而定，因此可以利用闸源极电压控制源漏极电流，做为一个简单的开关。当闸源极电压*Vgs变大时，若Vgs小于临界电压VT时，源漏极电流Ids会指数方式增加，若Vgs*大于临界电压VT时，源漏极电流和闸源极电压会有以下的平方关系

$I_{ds}\propto (V_{gs}-V_{T})^{2}$ ，其中*VT*是临界电压 ^[11]^ 。不过在一些现代的器件中，观察不到上述的平方特性，像是65奈米及以下沟道长度的器件 ^[12]^ 。

场效应晶体管可以分为两种：分别是结型场效应管（JFET）及绝缘栅极场效应管（IGFET），后者最常见的是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），其名称上反映了其原始以金属（栅极）、氧化物（绝缘层）及半导体组成的架构。结型场效应晶体管在源漏极之间形成了PN二极管。因此N沟道的JFET类似真空管的三极管 “三极管 (真空管)”)，两者也都是运作在耗尽区，都有高输入阻抗，也都用输入电压来控制电流。

作业

电从太阳能板产生，产生移动的是电流，先有电流还是先有电压，是个鸡生蛋的问题。电流流过的地方是功率半导体，就讲这个

肖特基二极管晶闸管也叫可控硅功率MOSFET IGBT 绝缘栅双极晶体管

讲双相可控硅吧热水器电饭锅里有这个三端双向可控硅开关是一种三端五层半导体器件，其正向和反向特性与 SCR 的正向特性相同。发热丝、发热管的控温，或者AC电机、水泵的控速

转载请注明来源，欢迎对文章中的引用来源进行考证，欢迎指出任何有错误或不够清晰的表达。可以在下面评论区评论，也可以邮件至 3400639399@qq.com