目录3-6 摘要6-8 ABSTRACT8-11 第一章 绪论11-24 § 引言11 § 激光器及激光晶体11-14 激光器的工作物质11-13 掺Yb~(3+)激光晶体的发展历史及现状13-14 § 非线性光学晶体14-16 二阶非线性光学晶体15 拉曼激光晶体15-16 § 钨酸盐激光晶体16-20 钨酸盐晶体的分类、结构与形貌16-18 本论文所涉及的几种钨酸盐激光晶体的研究历史及现状18-20 § 本论文研究的主要内容20-21 参考文献21-24 第二章 晶体的生长24-31 § 引言24 § 生长方法及装置24-25 § 单晶的生长25-28 多晶料的合成25-26 单晶的生长26-27 晶体的退火27-28 § 影响晶体生长的几个因素28-30 § 小结30 参考文献30-31 第三章 晶体的结构、元素与缺陷表征31-41 § 引言31 § 晶体的结构分析31-33 X射线粉末衍射31-33 锥光干涉图33 § 晶体的元素分析33-35 § 晶体的缺陷研究35-40 § 小结40 参考文献40-41 第四章 晶体的基本物理性质41-60 § 引言41 § 晶体的密度41-43 § 晶体的硬度43-44 硬度及其测试方法43-44 晶体硬度的测量44 § 晶体的折射率44-46 § 晶体的热学性质46-58 晶体的熔点、熔化热和熔化熵测量46-48 晶体的比热48-49 晶体的热膨胀49-53 晶体的密度随温度的变化曲线53-54 晶体的热扩散系数和热导率54-57 几种常见钨酸盐晶体热学性质的比较57-58 § 小结58-59 参考文献59-60 第五章 晶体的光学性质和激光性能60-76 § 引言60 § Yb:NaY(WO_4)_2和Yb:NaGd(WO_4)_2晶体光学性质和激光性质的研究60-66 Yb:NaY(WO_4)_2和Yb:NaGd(WO_4)_2晶体的吸收谱60-61 Yb:NaY(WO_4)_2和Yb:NaGd(WO_4)_2晶体的荧光谱61-63 Yb：NaY(WO_4)_2晶体和Yb：NaGd(WO_4)_2晶体的激光性质63-66 § SrWO_4晶体光学性质和激光性质的研究66-73 SrWO_4晶体的光学性质66-71 SrWO_4晶体的拉曼激光性质71-73 § 小结73-74 参考文献74-76 第六章 结论及有待进一步开展的工作76-80 § 主要结论76-79 § 本论文的主要创新点79 § 有待进一步开展的工作79-80 攻读学位期间发表的学术论文80-81 致谢81-82 学位论文评阅及答辩情况表82
导读：由于直接实验测试的难度，晶界 (GBs) 是否预熔是一个长期存在的问题。本文采用聚焦光束以局部加热块状硬球胶体晶体中的单个晶界 ，通过视频显微镜观察单粒子分辨率下的熔化动力学。我们发现所有的GB，包括高能GB，都可以通过异质成核机制过热和熔化。基于GBs的经典成核理论，我们测量了临界核的孵育时间和接触角，以计算所有相关的动力学因素以及能垒，弱过热条件下固-液界面的形核率和扩散系数。还测量了具有各种取向差的 GB 的过热极限，以进一步 探索 不稳定机制。在传统的均匀加热下，预熔仅发生在三结点处，而 GB 保持其原始结构直至熔点。三结点处的预熔化区域通过均匀液体层的侵入进一步阻止了高能GBs过热。总的来说，我们的实验证实了 GB 过热的存在。
胶体是可视化这一熔化过程的杰出模型系统，因为每个胶体粒子的动力学可以直接由光学视频显微镜跟踪，在缺陷处，尤其是在GB处，熔化开始于“预熔化”。 然而，由于缺乏对不同取向的GBs的系统研究，以及准确确定大熔点的挑战，使得揭示GBs熔化的本质仍然很困难。此外，除了有利于润湿的衬底或表面的影响外，晶体内原有的缺陷也会相互影响，导致复杂的熔化过程。因此，有必要提取单个GB的熔化行为。
重庆大学物理学院软凝聚态物理与智能材料重点实验室Ziren Wang教授团队，在本研究中，为了尽量减少各种缺陷之间产生的干扰，聚焦一束光局部加热NIPA胶体晶体中的单个GB以及其他类型的单个缺陷， 并通过视频显微镜研究相应的熔化过程。这种局部加热技术最初是用来研究均匀熔化的。与此同时，我们通过监测林德曼参数的突然斜率变化，并将均匀成核的临界半径外推到无穷大来精确定位熔点(图1c)。我们发现所有的GB都可以被过热和熔化，并经历成核机制。相关研究成果以题“ Superheating of grain boundaries within bulk colloidal crystals ”发表在国际著名期刊 Nature Communications 上。
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图1:光学加热和熔点的测定。
图 2：三结处的预熔。a典型预熔三结在熔点处的真实图像。l 0是预熔袋的内切圆中心与晶-晶-液三联结的距离。b预熔袋d的尺寸随着T接近T m而增加。c两个紧密的三联结有助于润湿中间的 GB 并导致伪“预熔”。d一旦T > T m，GBs 通过侵入融化成液体层。e熔融 GBs 的平衡宽度w是取向错误的函数θ在T m + (2) C 时。在每个θ下任意选择倾斜角。f , g在连接到三重结的低角度 GB 的情况下的熔化行为。值得注意的是，均匀加热和局部加热方法都产生相同的 a - g，这意味着我们系统中的玻璃壁对三结的熔化行为影响很小。由于液体区域的横截面沿z方向是均匀的，我们将物平面固定在玻璃通道的中间范围内。误差线对应于标准偏差。比例尺：5 μm。
图 3：GB 的过热。
图 4：单个位错上的成核。
总的来说，本文报道了一个真实空间的研究，在大块胶体晶体中GB熔化的视频显微镜。在单个超热GB上观察到的成核现象是一个定性现象，这意味着没有预熔化的GB和GB润湿是一个相变，而不是一个平衡现象。虽然在较小的晶粒尺寸(S104)下，由于相邻的预熔三联结，GBs可能出现伪“预熔”，这为体系设置了约束，并为多晶材料的性能提供了许多其他含义。与此同时，MD模拟也揭示了在本体熔化温度以下存在大量结构无序的例子。在不同的条件下，GB的熔化情况不同，如GB的双晶化和粒子相互作用。因此，分离势可以是排斥的、吸引的或两者的结合。在这里，我们的实验验证了gb的过热存在。
在芯片的生产过程中，光刻机是关键设备，而光刻则是必不可少的核心环节。光刻技术的精度水平决定了芯片的性能强弱，也代表了半导体产业的完善程度。我们国内一直希望在这方面取得领先的地位，但是结果却不尽人意。 其实光刻机之所以这么难造，就是因为光刻技术实在是太复杂了，不仅需要顶尖的光源条件，还对精度有着近乎苛刻的要求。目前，全球光刻技术市场基本上被美日两国垄断了，而我们国内正在努力攻克其中的技术难点。 那么光刻到底是一项怎样的工作呢？为什么能难倒这么多国家？大家都知道，芯片的衬底是半导体晶圆，而光刻就是在晶圆上制备芯片的第一步。在光刻过程中，有一项非常重要的材料，名为光掩膜，没有它也就无法将集成电路刻画在晶圆上。 而且光掩膜也有高中低端的层次之分，通过高端光掩膜生产出的芯片更加先进，而低端的就只能用于生产普通芯片了。显然，高端光掩膜也是各个国家青睐的对象，但是这种材料的制备难度非常高，如果精度达不到要求，那么想要突破绝非易事！ 就目前的情况来看，国内在光掩膜市场还对国外进口存在一定的依赖，但是随着中科院的突破，这种依赖正在慢慢减轻，以后将会彻底消失。那么如今国内的光刻技术到底达到了何种水平呢？ 在讨论这个问题之前，我们先来看看中科院传出的消息，它被很多人过分甚至是错误解读了。今年7月份，中科院发表了一篇论文，研究内容是5nm光刻制备技术，而大部分人都以为这标志着中科院突破到了最先进的5nm极紫外光刻技术。 但是事实却并非如此，据后来该论文的通讯作者刘前在接受媒体采访时表示，中科院研究的5nm光刻制备技术针对的是光掩膜的生产，而不是光刻机用到的极紫外光。也就是说，中科院发表论文不等同于国产光刻机技术达到了5nm水平。 对此，很多国人都在想，难道国产5nm光刻技术不存在？从某种意义上来说，现在这个问题的答案是肯定的，国产5nm确实还遥遥无期。此外，中科院紧急辟谣：5nm光刻技术根本不现实，国产水平只有180nm！ 从5nm一下子掉到180nm，这个落差让很多人都接受不了。但需要知道的是，180nm才是国产光刻机技术的真实水平，就算不愿意承认，也必须得面对。如果连自身的不足之处都无法面对，那么何谈攻克技术难题？何谈突破？ 毫无疑问，180nm还处于比较落后的状态，这也是国产芯片迟迟无法崛起的主要原因。光刻技术作为光刻机的核心动力，我们国内肯定不会轻易放弃，现在是180nm不代表以后也是180nm，现在无法突破到5nm也不代表以后突破不了！ 所以说，我们应该对国产技术和半导体芯片充满信心，只有相信自己，才能不断地自我突破。而且最近一段时间，国内传来了很多好消息，光刻技术也不急于一时。 举个简单的例子，华为旗下的海思半导体正在转型为IDM模式的企业，不仅要掌握芯片设计技术，还准备进军芯片制造市场，成为像三星那样的巨头。此外，华为也宣布了全面布局光刻机的决定，有了它的加入，国产光刻技术将迎来更大的希望！ 一项技术就算再难也有一定的限度，但是科研人员的智慧是无限的，所以在国内这么多科研工作者的共同努力下，再难的技术都会被攻克，光刻和光刻机也不例外。相信以后国内一定能实现技术崛起的目标，取得领先的地位！ 对此，你们怎么看呢？欢迎留言和分享。
台积电开启晶圆代工时代，成为集成电路中最为重要的一个环节。 1987 年，台积电的成立开启了 晶圆代工时代，尤其在得到了英特尔的认证以后，晶圆代工被更多的半导体厂商所接受。晶圆代工 打破了 IDM 单一模式，成就了晶圆代工+IC 设计模式。目前，半导体行业垂直分工成为了主流， 新进入者大多数拥抱 fabless 模式，部分 IDM 厂商也在逐渐走向 fabless 或者 fablite 模式。
全球晶圆代工市场一直呈现快速增长，未来有望持续 。晶圆代工+IC 设计成为行业趋势以后，受益 互联网、移动互联网时代产品的强劲需求，整个行业一直保持快速增长，以台积电为例，其营业收 入从 1991 年的 亿美元增长到 2019 年的 346 亿美元，1991-2019 年，CAGR 为 21%。2019 年全球晶圆代工市场达到了 627 亿美元，占全球半导体市场约 15%。未来进入物联网时代，在 5G、 人工智能、大数据强劲需求下，晶圆代工行业有望保持持续快速增长。
晶圆代工行业现状：行业呈现寡头集中。 晶圆代工是制造业的颠覆，呈现资金壁垒高、技术难度大、 技术迭代快等特点，也因此导致了行业呈现寡头集中，其中台积电是晶圆代工行业绝对的领导者， 营收占比超过 50%，CR5 约为 90%。
晶圆代工行业资金壁垒高。 晶圆代工厂的资本性支出巨大，并且随着制程的提升，代工厂的资本支 出中枢不断提升。台积电资本支出从 11 年的 443 亿元增长到 19 年的 1094 亿元，CAGR 为 12%。 中芯国际资本性支出从 11 年的 30 亿元增长到了 19 年的 131 亿元，CAGR 为 20%，并且随着 14 nm 及 N+1 制程的推进，公司将显著增加 2020 年资本性支出，计划为 455 亿元。巨额投资将众多 追赶者挡在门外，新进入者难度极大。
随着制程提升，晶圆代工难度显著提升。 随着代工制程的提升，晶体管工艺、光刻、沉积、刻蚀、 检测、封装等技术需要全面创新，以此来支撑芯片性能天花板获得突破。
晶体管工艺持续创新。 传统的晶体管工艺为 bulk Si，也称为体硅平面结构（Planar FET）。 随着 MOS 管的尺寸不断的变小，即沟道的不断变小，会出现各种问题，如栅极漏电、泄漏功 率大等诸多问题，原先的结构开始力不从心，因此改进型的 SOI MOS 出现，与传统 MOS 结 构主要区别在于：SOI 器件具有掩埋氧化层，通常为 SiO2，其将基体与衬底隔离。由于氧化 层的存在，消除了远离栅极的泄漏路径，这可以降低功耗。随着制程持续提升，常规的二氧 化硅氧化层厚度变得极薄，例如在 65nm 工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小仅有 5 个氧 原子的厚度了。二氧化硅层很难再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工 作。因此在 28nm 工艺中，高介电常数（K）的介电材料被引入代替了二氧化硅氧化层（又称 HKMG 技术）。随着设备尺寸的缩小，在较低的技术节点，例如 22nm 的，短沟道效应开始 变得更明显，降低了器件的性能。为了克服这个问题，FinFET 就此横空出世。FinFET 结构 结构提供了改进的电气控制的通道传导，能降低漏电流并克服一些短沟道效应。目前先进制 程都是采用 FinFET 结构。
制程提升，需要更精细的芯片，光刻机性能持续提升。 负责“雕刻”电路图案的核心制造设备是光刻机，它是芯片制造阶段最核心的设备之一，光刻机的精度决定了制程的精度。第四 代深紫外光刻机分为步进扫描投影光刻机和浸没式步进扫描投影光刻机，其中前者能实现最 小 130-65nm 工艺节点芯片的生产，后者能实现最小 45-22nm 工艺节点芯片的生产。通过多 次曝光刻蚀，浸没式步进扫描投影光刻机能实现 22/16/14/10nm 芯片制作。到了 7/5nm 工艺， DUV 光刻机已经较难实现生产，需要更为先进的 EUV 光刻机。EUV 生产难度极大，零部件 高达 10 万多个，全球仅 ASML 一家具备生产能力。目前 EUV 光刻机产量有限而且价格昂 贵，2019 年全年，ASML EUV 销量仅为 26 台，单台 EUV 售价高达 亿美元。
晶圆代工技术迭代快，利于头部代工厂。 芯片制程进入 90nm 节点以后，技术迭代变快，新的制程 几乎每两到三年就会出现。先进制程不但需要持续的研发投入，也需要持续的巨额资本性支出，而 且新投入的设备折旧很快，以台积电为例，新设备折旧年限为 5 年，5 年以后设备折旧完成，生产 成本会大幅度下降，头部厂商完成折旧以后会迅速降低代工价格，后进入者难以盈利。
摩尔定律延续，技术难度与资本投入显著提升
追寻摩尔定律能让消费者享受更便宜的 算 力，晶圆代工是推动摩尔定律最重要的环节。 1965 年， 英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔提出，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，这也是全球电子产品整体性能不断进化的核 心驱动力，以上定律就是著名的摩尔定律。换而言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔 18- 24 个月翻一倍以上。推动摩尔定律的核心内容是发展更先进的制程，而晶圆代工是其中最重要的 环节。
摩尔定律仍在延续。 市场上一直有关于摩尔定律失效的顾虑，但是随着 45nm、28nm、10nm 持续 的推出，摩尔定律仍然保持着延续。台积电在 2018 年推出 7nm 先进工艺，2020 年开始量产 5nm， 并持续推进 3nm 的研究，预计 2022 年量产 3nm 工艺。IMEC 更是规划到了 1nm 的节点。此外， 美国国防高级研究计划局进一步提出了先进封装、存算一体、软件定义硬件处理器三个未来发展研 究与发展方向，以此来超越摩尔定律。在现在的时间点上来看，摩尔定律仍然在维持，但进一步提 升推动摩尔定律难度会显著提升。
先进制程资本性投入进一步飙升 。根据 IBS 的统计，先进制程资本性支出会显著提升。以 5nm 节 点为例，其投资成本高达数百亿美金，是 14nm 的两倍，是 28nm 的四倍。为了建设 5nm 产线， 2020 年，台积电计划全年资本性将达到 150-160 亿美元。先进制程不仅需要巨额的建设成本，而 且也提高了设计企业的门槛，根据 IBS 的预测，3nm 设计成本将会高达 5-15 亿美元。
3nm 及以下制程需要采用全新的晶体管工艺。 FinFET 已经历 16nm/14nm 和 10nm/7nm 两个工艺 世代，随着深宽比不断拉高，FinFET 逼近物理极限，为了制造出密度更高的芯片，环绕式栅极晶 体管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成为新的技术选择。不同于 FinFET，GAAFET 的沟道被 栅极四面包围，沟道电流比三面包裹的 FinFET 更加顺畅，能进一步改善对电流的控制，从而优化 栅极长度的微缩。三星、台积电、英特尔均引入 GAA 技术的研究，其中三星已经先一步将 GAA 用 于 3nm 芯片。如果制程到了 2nm 甚至 1nm 时，GAA 结构也许也会失效，需要更为先进的 2 维 、 甚至 3 维立体结构，目前微电子研究中心（Imec）正在开发面向 2nm 的 forksheet FET 结构。
3nm 及以下制程，光刻机也需要升级。 面向 3nm 及更先进的工艺，芯片制造商或将需要一种称为 高数值孔径 EUV（high-NA EUV）的光刻新技术。根据 ASML 年报，公司正在研发的下一代极紫 外光刻机将采用 high-NA 技术，有更高的数值孔径、分辨率和覆盖能力，较当前的 EUV 光刻机将 提高 70%。ASML 预测高数值孔径 EUV 将在 2022 年以后量产。
除上面提到巨额资本与技术难题以外，先进制程对沉积与刻蚀、检测、封装等环节也均有更高的要 求。正是因为面临巨大的资本和技术挑战，目前全球仅有台积电、三星、intel 在进一步追求摩尔定 律，中芯国际在持续追赶，而像联电、格罗方德等晶圆代工厂商已经放弃了 10nm 及以下制程工艺 的研发，全面转向特色工艺的研究与开发。先进制程的进一步推荐节奏将会放缓，为中芯国际追赶 创造了机会。
先进制程占比持续提升，成熟工艺市场不断增长
高性能芯片需求旺盛，先进制程占比有望持续提升。 移动终端产品、高性能计算、 汽车 电子和通信 及物联网应用对算力的要求不断提升，要求更为先进的芯片，同时随着数据处理量的增加，存储芯 片的制程也在不断升级，先进制程的芯片占比有望持续提升。根据 ASML2018 年底的预测，到 2025 年，12 寸晶圆的先进制程占比有望达到 2/3。2019 年中，台积电 16nm 以上和以下制程分别占比 50%，根据公司预计，到 2020 年，16nm 及以下制程有望达到 55%。
CPU、逻辑 IC、存储器等一般采用先进制程（12 英寸），而功率分立器件、MEMS、模拟、CIS、 射频、电源芯片等产品（从 6μm 到 40nm 不等）则更多的采用成熟工艺（8 寸片）。 汽车 、移动 终端及可穿戴设备中超过 70%的芯片是在不大于 8 英寸的晶圆上制作完成。相比 12 寸晶圆产线，8 寸晶圆制造厂具备达到成本效益生产量要求较低的优势，因此 8 寸晶圆和 12 寸晶圆能够实现优 势互补、长期共存。
受益于物联网、 汽车 电子的快速发展，MCU、电源管理 IC、MOSFET、ToF、传感器 IC、射频芯 片等需求持续快速增长。 社会 已经从移动互联网时代进入了物联网时代，移动互联网时代联网设备 主要是以手机为主，联网设备数量级在 40 亿左右，物联网时代，设备联网数量将会成倍增加，高 通预计到 2020 年联网 设备数量有望达到 250 亿以上。飙升的物联网设备需要需要大量的成熟工艺 制程的芯片。以电源管理芯片为例，根据台积电年报数据，公司高压及电源管理晶片出货量从 2014 年的 1800 万片（8 寸）增长到 2019 年的 2900 万片，CAGR 为 10%。根据 IHS 的预测，成熟晶 圆代工市场规模有望从 2020 年的 372 亿美元增长到 2025 年的 415 亿美元。
特色工艺前景依旧广阔，主要代工厂积极布局特色工艺。 巨大的物联网市场前景，吸引了众多 IC 设计公司开发新产品。晶圆代工企业也瞄准了物联网的巨大商机，频频推出新技术，配合设计公司 更快、更好地推出新一代芯片，助力物联网产业高速发展。台积电和三星不仅在先进工艺方面领先布局，在特色工艺方面也深入布局，例如台积电在图像传感器领域、三星在存储芯片领域都深入布 局。联电、格罗方德、中芯国际、华虹半导体等代工厂也全面布局各自的特色工艺，在射频、 汽车 电子、IOT 等领域，形成了各自的特色。
5G 时代终端应用数据量爆炸式提升增加了对半导体芯片的需求，晶圆代工赛道持续繁荣。 随着对 于 5G 通信网络的建设不断推进，不仅带动数据量的爆炸式提升，要求芯片对数据的采集、处理、 存 储 效率更高，而且也催生了诸多 4G 时代难以实现的终端应用，如物联网、车联网等，增加了终 端对芯片的需求范围。对于芯片需求的增长将使得下游的晶圆代工赛道收益，未来市场前景极其广 阔。根据 IHS 预测，晶圆代工市场规模有望从 2020 年的 584 亿美元，增长到 2025 年的 857 亿美 元，CAGR 为 8%。
推动手机芯片需求量上涨
5G 手机渗透率快速提升。手机已经进入存量时代，主要以换机为主。2019 年全球智能手机出货量 为 亿部，2020 年受疫情影响，IDC 等预测手机总体出货量为 亿台，后续随着疫情的恢 复以及 5G 产业链的成熟，5G 手机有望快速渗透并带动整个手机出货。根据 IDC 等机构预测，5G 手机出货量有望从 2020 年的 增长到 2024 年的 亿台，CAGR 为 59%。
5G 手机 SOC、存储和图像传感器全面升级，晶圆代工行业充分受益。 消费者对手机的要求越来越 高，需要更清晰的拍照功能、更好的 游戏 体验、多任务处理等等，因此手机 SOC 性能、存储性能、 图像传感器性能全面提升。目前旗舰机的芯片都已经达到了 7nm 制程，随着台积电下半年 5 nm 产 能的释放，手机 SOC 有望进入 5nm 时代。照片精度的提高，王者荣耀、吃鸡等大型手游和 VLOG 视频等内容的盛行，对手机闪存容量和速度也提出了更高的要求，LPDDR5 在 2020 年初已经正式 亮相小米 10 系列和三星 S20 系列，相较于上一代的 LPDDR4，新的 LPDDR5 标准将其 I/O 速 度从 3200MT/s 提升到 6400MT/s，理论上每秒可以传输 的数据。相机创新是消费者更 换新机的主要动力之一，近些年来相机创新一直在快速迭代，一方面，多摄弥补了单一相机功能不 足的缺点，另一方面，主摄像素提升带给消费者更多的高清瞬间，这两个方向的创新对晶圆及代工 的需求都显著提升。5G 时代，手机芯片晶圆代工市场将会迎来量价齐升。
5G 手机信号频段增加，射频前端芯片市场有望持续快速增长。射频前端担任信号的收发工作，包 括低噪放大器、功率放大器、滤波器、双工器、开关等。相较于 4G 频段，5G 的频段增加了中高 频的 Sub-6 频段，以及未来的更高频的毫米波频段。根据 yole 预测，射频前端市场有望从 2018 年 的 149 亿美元，增长到 2023 年的 313 亿美元，CAGR 为 16%。
云计算前景广阔，服务器有望迎来快速增长
2020 年是国内 5G 大规模落地元年，有望带来更多数据流量需求 。据中国信通院在 2019 年 12 月 份发布的报告，2020 年中国 5G 用户将从去年的 446 万增长到 1 亿人，到 2024 年我国 5G 用户 渗透率将达到 45%，人数将超过 亿人，全球将达到 12 亿人，5G 用户数的高增长带来流量的 更高增长。
5G 时代来临，云计算产业前景广阔。 进入 5G 时代，IoT 设备数量将快速增加，同时应用的在线 使用需求和访问流量将快速爆发，这将进一步推动云计算产业规模的增长。根据前瞻产业研究院的 报告，2018 年中国云计算产业规模达到了 963 亿元，到 2024 年有望增长到 4445 亿元，CAGR 为 29%，产业前景广阔。
边缘计算是云计算的重要补充，迎来新一轮发展高潮。 根据赛迪顾问的数据，2018 年全球边缘计 算市场规模达到 亿美元，同比增长率 ，预计未来年均复合增长率将超过 50%。而中国 边缘计算市场规模在 2018 年达到了 亿元，并且 2018-2021 将保持 61%的年复合增长率，到 2021 年达到 亿元。
服务器大成长周期确定性强。 服务器短期拐点已现，受益在线办公和在线教育需求旺盛，2020 年 服务器需求有望维持快速增长。长期来看，受益于 5G、云计算、边缘计算强劲需求，服务器销量 有望保持持续高增长。根据 IDC 预测，2024 年全球服务器销量有望达到 1938 万台，19-24 年， CAGR 为 13%。
服务器半导体需求持续有望迎来快速增长，晶圆代工充分受益。 随着服务器数量和性能的提升，服 务器逻辑芯片、存储芯片对晶圆的需求有望快速增长，根据 Sumco 的预测，服务器对 12 寸晶圆 需求有望从 2019 年的 80 万片/月，增长到 2024 年的 158 万片/月，19-24 年 CAGR 为 8%。晶圆 代工市场有望充分受益服务器芯片量价齐升。
三大趋势推动 汽车 半导体价值量提升
传统内燃机主要价值量主要集中在其动力系统。 而随着人们对于 汽车 出行便捷性、信息化的要求逐 渐提高， 汽车 逐步走向电动化、智能化、网联化，这将促使微处理器、存储器、功率器件、传感器、 车载摄像头、雷达等更为广泛的用于 汽车 发动机控制、底盘控制、电池控制、车身控制、导航及车 载 娱乐 系统中， 汽车 半导体产品的用量显著增加。
车用半导体有望迎来加速增长。 根据 IHS 的报告，车用半导体销售额 2019 年为 410 亿美元，13- 19 年 CAGR 为 8%。随着 汽车 加速电动化、智能化、网联化，车用芯片市场规模有望迎来加速， 根据 Gartner 的数据，全球 汽车 半导体市场 2019 年销售规模达 亿美元，预计 2022 年有望 达到 651 亿美元，占全球半导体市场规模的比例有望达到 12%，并成为半导体下游应用领域中增 速最快的部分。
自动驾驶芯片要求高，有望进一步拉动先进制程需求。 自动驾驶是通过雷达、摄像头等将采集车辆 周边的信息，然后通过自动驾驶芯片处理数据并给出反馈，以此降低交通事故的发生率、提高城市 中的运载效率并降低驾驶员的驾驶强度。自动驾驶要求多传感器之间能够及时、高效地传递信息， 并同时完成路线规划和决策，因此需要完成大量的数据运算和处理工作。随着自动驾驶级别的上升， 对于芯片算力的要求也越高，产生的半导体需求和价值量也随之水涨船高。英伟达自动驾驶芯片随 着自动驾驶级别的提升，芯片制程也显著提升，最早 Drive PX 采用的是 20nm 工艺，而最新 2019 年发布的 Drive AGX Orin 将会采用三星 8nm 工艺。根据英飞凌的预测，自动驾驶给 汽车 所需要的 半导体价值带来相当可观的增量，一辆车如果实现 Level2 自动驾驶，半导体价值增量就将达到 160 美元，若自动驾驶级别达到 level4&5，增量将会达到 970 美元。
快速增长，芯片类型多
随着行业标准完善、技术不断进步、政策的扶持，全球物联网市场有望迎来爆发性增长。GSMA 预 测，中国 IOT 设备联网数将会从 2019 年的 36 亿台， 增到 到 2025 年的 80 亿台，19-25 年 CAGR 为 。根据全球第二大市场研究机构 MarketsandMarkets 的报告，2018 年全球 IoT 市场规模 为 795 亿美元，预计到 2023 年将增长到 2196 亿美元，18-23 年 CAGR 为 。
物联网的发展需要大量芯片支撑，半导体市场规模有望迎来进一步增长 。物联网感知层的核心部件 是传感器系统，产品需要从现实世界中采集图像、温度、声音等多种信息，以实现对于所处场景的 智能分析。感知需要向设备中植入大量的 MEMS 芯片，例如麦克风、陀螺仪、加速度计等；设备 互通互联需要大量的通信芯片，包括蓝牙、WIFI、蜂窝网等；物联网时代终端数量和数据传输通道 数量大幅增加，安全性成为最重要的需求之一，为了避免产品受到恶意攻击，需要各种类型的安全 芯片作支持；同时，身份识别能够保障信息不被盗用，催生了对于虹膜识别和指纹识别芯片的需求； 作为物联网终端的总控制点，MCU 芯片更是至关重要，根据 IC Insights 的预测，2018 年 MCU 市 场规模增长 11%，预计未来四年内 CAGR 达 ，到 2022 年将超过 240 亿美元。
国内 IC 设计企业快速增长，代工需求进一步放量
国内集成电路需求旺盛，有望持续维持快速增长。 国内集成电路市场需求旺盛，从 2013 年的 820 亿美元快速增长到 2018 年的 1550 亿美元，CAGR 为 ，IC insight 预测，到 2023 年，中国 集成电路市场需求有望达到 2290 亿美元，CAGR 为 8%。但是同时，国内集成电路自给率也严重 不足，2018 年仅为 15%，IC insight 在 2019 年预测，到 2023 年，国内集成电路自给率为 20%。
需求驱动，国内 IC 设计快速成长。 在市场巨大的需求驱动下，国内 IC 设计企业数量快速增加，尤 其近几年，在国内政策的鼓励下，以及中美贸易摩擦大的背景下，IC 设计企业数量加速增加，2019 年底，国内 IC 设计企业数量已经达到了 1780 家，2010-2019 年，CAGR 为 13%。根据中芯国际 的数据，国内 IC 设计公司营收 2020 年有望达到 480 亿美元，2011-2020 年 CAGR 为 24%，远 高于同期国际 4%的复合增长率。
国内已逐步形成头部 IC 设计企业。 根据中国半导体行业协会的统计，2019 年营收前十的入围门槛 从 30 亿元大幅上升到 48 亿元，这十大企业的增速也同样十分惊人，达到 47%。国内 IC 企业逐步 做大做强，部分领域已经形成了一些头部企业：手机 SoC 芯片领域有华为海思、中兴微电子深度 布局；图像传感领域韦尔豪威大放异彩；汇顶 科技 于 2019 年引爆了光学屏下指纹市场；卓胜微、 澜起 科技 分别在射频开关和内存接口领域取得全球领先。IC 设计企业快速成长有望保持对晶圆代 工的强劲需求。
晶圆代工自给率不足。 中国是全球最大的半导体需求市场，根据中芯国际的预测，2020 年中国对 半导体产品的需求为 2130 亿美元，占全球总市场份额为 49%，但是与之相比的是晶圆代工市场份 额严重不足，根据拓墣研究的数据，2020Q2，中芯国际和华虹半导体份额加起来才 6%，晶圆代 工自给率严重不足，尤其考虑到中国 IC 设计企业数量快速增长，未来的需求有望持续增长，而且， 美国对华为等企业的禁令，更是让我们意识到了提升本土晶圆代工技术和产能的重要性。
政策与融资支持，中国晶圆代工企业迎来良机（略）
晶圆代工需求不断增长，但国内自给严重不足，受益需求与国内政策双重驱动，国内晶圆代工迎来 良机。建议关注：国内晶圆代工龙头，突破先进制程瓶颈的中芯国际-U、特色化晶 圆代工与功率半导体 IDM 双翼发展的华润微华润微、坚持特色工艺，盈利能力强的华虹半导体华虹半导体。
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（报告观点属于原作者，仅供参考。作者：东方证券，蒯剑、马天翼）
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2019年5月，美国商务部将华为列入实体清单，禁止美国企业向华为出口技术和零部件；2020年5月，美国进一步升级对华为贸易禁令，要求凡使用了美国技术或设计的半导体芯片出口华为时，必须得到美国政府的许可证，进一步切断华为通过第三方获取芯片或代工生产的渠道。
此前，高通、英特尔和博通等美国公司都向华为提供芯片，用于华为智能手机和其他电信设备，华为手机使用谷歌的安卓操作系统。华为自研的麒麟高端手机芯片，也依赖台积电代工。随着美国芯片禁令实施，华为手机业务遭遇重创，消费者业务收入大幅下滑，海外市场拓展也受到影响。
美国凭借芯片技术优势对中国企业“卡脖子”，使半导体产业陡然成为中美 科技 竞争的风暴眼。“缺芯”之痛，突显了中国半导体产业的技术短板。它如一记振聋发聩的警钟，惊醒国人看清国际 科技 竞争的残酷现实。
半导体产业是 科技 创新的龙头和先导，在信息 科技 和高端制造中占据核心地位。攻克半导体核心技术难题，解决高端芯片受制于人的现状，成为中国高 科技 发展和产业升级的当务之急。
全球半导体版图
半导体产业很典型地体现了供应链的全球化，各国在半导体产业链上分工协作，相互依赖。美国、韩国、日本、中国、欧洲等国家或地区发挥各自优势，共同组成了紧密协作的全球半导体产业链。
根据美国半导体行业协会发布的最新数据，美国的半导体企业销售额占据全球的47%，排名第二的是韩国，占比为19%，日本和欧盟半导体企业销售额占比均为10%，并列第三。中国台湾和中国大陆半导体企业销售额占比分别为6%和5%。
具体来看，美国牢牢控制半导体产业链的头部，包括最前端EDA/IP、芯片设计和关键设备等。具体而言，在全球产业链总增加值中，美国在EDA/IP上，占据74%份额；在逻辑芯片设计上，占据67%；在存储芯片设计上，占据29%；在半导体制造设备上，占据41%。
日本在芯片设计、半导体制造设备、半导体材料等重要环节掌握核心技术；韩国在存储芯片设计、半导体材料上发挥关键作用；欧洲在芯片设计、半导体制造设备和半导体材料上贡献突出；中国则在晶圆制造上发挥重要作用。
中国大陆在全球晶圆制造（后道封装、测试）增加值占比高达38%；中国台湾在全球半导体材料、晶圆制造（前道制造、后道封装、测试）增加值占比分别达到22%和47%。
以上国家和地区构成了全球半导体产业供应链的主体。
芯片是人类智慧的结晶，芯片制造是全球顶尖的高端制造产业之一，是典型的资本密集和技术密集行业。制造的过程之复杂、技术之尖端、对制造设备的苛刻要求，决定了芯片产业链的复杂性。半导体制造中的大部分设备，包含了数百家不同供应商提供的模块、激光、机电组件、控制芯片、光学、电源等，均需依托高度专业化的复杂供应链。每一个单一制造链条都可能汇集了成千上万的产品，凝聚着数十万人多年研发的积累。
芯片技术也涉及广泛的学科，需要长时期的基础研究和应用技术创新的成果累积。举例来说，一项半导体新技术方法从发布论文，到规模化量产，至少需要10-15年的时间。作为全球最先进的半导体光刻技术基础的极紫外线EUV应用，从早期的概念演示到如今的商业化花费了将近40年的时间，而EUV生产所需要的光刻机设备的10万个零部件来自全球5000多家供应商。
芯片制造的复杂性，创造了一个由无数细分专业方向组成的全球化产业链。在半导体市场中，专业的世界级公司通过几十年有针对性的研发，在自己擅长的领域建立了牢固的市场地位。比如，荷兰ASML垄断着世界光刻机的生产；美国高通、英特尔、韩国三星、中国台湾的台积电等也都形成了各自的技术优势。目前全世界最先进制程的高端芯片几乎都由台积电和三星生产。
中美芯片供应链各有软肋
“缺芯”，不仅困扰着中国企业。
自去年下半年以来，受新冠疫情及美国贸易禁令干扰，芯片产能及供应不足，全球信息产业和智能制造都遭遇了严重的“芯片荒”。
随着新一轮新冠疫情在东南亚蔓延， 汽车 行业芯片短缺进一步加剧，全球三家最大的 汽车 制造商装配线均出现中断。丰田称 9 月全球减产 40%。美国车企也不能幸免，福特 汽车 旗下一家工厂暂停组装 F-150 皮卡，通用 汽车 北美地区生产线停工时间也被迫延长。
蔓延全球的芯片荒，迫使各国对全球半导体供应链的安全性、可靠性进行重新审视和评估。中美两个大国在半导体供应链上各有优势，也各有软肋。
中国芯片产业起步较晚，但近年来加速追赶。根据中国半导体行业协会统计，2020年中国集成电路产业销售额为8848亿元，同比增长17%，5年增长了超过一倍。其中，设计业销售额为亿元，同比增长；制造业销售额为亿元，同比增长；封装测试业销售额亿元，同比增长。中国2020年出口集成电路2598亿块，出口金额1166亿美元，同比增长。
中国芯片核心技术与美国有较大差距，主要突破在芯片设计领域，芯片设计水平位列全球第二。在制造的封测环节也不是我们的短板。中国芯片制造的短板主要在三方面：核心原材料不能自己自足、芯片制造工艺与国际领先水平有较大差距、关键制造设备依赖进口。
由于不能独立完成先进制程芯片的生产制造，大量高端芯片依赖进口。2020年中国进口芯片5435亿块，进口金额亿美元。
美国是世界芯片头号强国，拥有世界领先的半导体公司，但其核心能力是主导芯片产业链的前端，包括设计、制造设备的关键技术等，但上游资源和制造能力也依赖国外。美国在全球半导体制造市场的市占率急速下降，从 1990 年 37% 滑落至目前 12%左右。
波士顿咨询公司和美国半导体行业协会在今年4月联合发布的《在不确定的时代加强全球半导体产业链》的报告显示，若按设备制造/组装所在地统计，2019年中国大陆半导体企业销售额占比高达35%；美国则排名第二，销售额占比为19%。
世界芯片的主要制造产能集中在亚洲， 2020 年中国台湾半导体产能全球占比为 22%，其次是韩国 21%，日本和中国大陆皆为 15%。这意味着美国在芯片的制造和生产环节，也存在很大的脆弱性。这也是伴随东南亚疫情爆发导致芯片产业链产能受限，美国同样遭遇“芯片荒”的原因。
对半导体产业链脆弱性的担忧，推动美国加大对半导体产业的投资和政策扶持。今年5月美国参议院通过一项两党一致同意的芯片投资法案，批准了520亿美元的紧急拨款，用以支持美国半导体芯片的生产和研发，以提升美国国内半导体产业链的韧性和竞争力。今年2月24日，美国总统拜登签署一项行政命令，推动美国加强与日本、韩国及中国台湾等盟国/地区合作，加速建立不依赖中国大陆的半导体供应链。
除了产能问题，美国在全球半导体竞争中的另一个软肋就是对中国市场的依赖。中国是全球最大的半导体需求市场，每年中国半导体的进口额都超过3000亿美元，大多数美国半导体龙头企业至少有25%的销售额来自中国市场。可以说，中国是美国及全球主要半导体供应商的最大金主。如果失去中国这个最富活力、最具成长性的市场，那么依赖高资本投入的美国各主要芯片供应商的研发成本将难以支撑，影响其研发投入及未来竞争力。
这从另一方面说，恰是中国的优势，中国庞大的市场需求和发展空间，足以支撑芯片产业链的高强度资本投入与技术研发，并推动技术和产品迭代。
“中国芯”提速
随着中国推进《中国制造2025》，芯片制造一直是中国 科技 发展的优先事项。如今，美国在芯片供应和制造上进行霸凌式断供，使中国构建自主可控、安全高效的半导体产业链的目标更加紧迫。
客观上，半导体产业链需要各国协作，这从成本和技术进步角度，对各国都是互利共赢。但美国的断供行为改变了传统的商业与贸易逻辑。在大国竞争的背景下，对具有战略意义的半导体和芯片产业链，安全、可靠成为主导的逻辑。
中国要成为制造强国，实现在全球产业链、价值链的跃升，摆脱关键技术受制于人的困境，芯片制造这道坎儿就必须跨过。
随着越来越多的中国高 科技 企业被列入美国实体清单，迫使半导体产业链中的许多中国企业不得不“抱团取暖”，携手合作，努力寻求供应链的“本土化”。“中国芯”突围，成为中国 科技 界、产业界不得不面对的一场“新的长征”。中国半导体产业进入攻坚期，也由此迎来发展的重大战略机遇期。
在国家“十四五”规划和2035远景目标纲要中，把 科技 自立自强作为创新驱动的战略优先目标，致力打造“自主可控、安全高效”的产业链、供应链；国家将集中资金和优势 科技 力量，打好关键核心技术攻坚战，在卡脖子领域实现更多“由零到一”的突破。国家明确提出到2025年实现芯片自给率70%的目标。
2020年8月，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，瞄准国产芯片受制于人的短板，在投融资、人才和市场落地等方面进一步加大政策支持，助力打通和拓展企业融资渠道，加快促进集成电路全产业链联动，做大做强人才培养体系等。
全国多地制定半导体产业发展规划和扶持政策，积极打造半导体产业链。长三角地区是我国半导体产业重点聚集区，深圳市则是珠三角地区集成电路产业的龙头，京津冀及中西部地区的半导体产业也正在加快布局。
作为中国创新基地，上海市政府6月21日发布《战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》，其中集成电路产业列为第一位的发展项目，提出产业规模年均增速达到20%左右，力争在制造领域有两家企业营收进入世界前列，并在芯片设计、制造设备和材料领域培育一批上市企业。
上海市的规划中，对芯片制造也制定出具体目标和实施路径：加快研制具有国际一流水平的刻蚀机、清洗机、离子注入机、量测设备等高端产品；开展核心装备关键零部件研发；提升12英寸硅片、先进光刻胶研发和产业化能力。到2025年，基本建成具有全球影响力的集成电路产业创新高地，先进制造工艺进一步提升，芯片设计能力国际领先，核心装备和关键材料国产化水平进一步提高，基本形成自主可控的产业体系。
上海联合中科院和产业龙头企业，投资5000亿元，打造世界级芯片产业基地：东方芯港。目前东方芯港项目已引进40余家行业标杆企业，初步形成了覆盖芯片设计、特色工艺制造、新型存储、第三代半导体、封装测试以及装备、材料等环节的集成电路全产业链生态体系。
在国家政策指引和强劲市场的驱动下，国家、企业、科研机构、大学、 社会 资金等集体发力，中国芯片行业正展现出空前的发展动能和势头。
在外部倒逼和内部技术提升的共同作用下，中国芯片产业第一次迎来资金、技术、人才、设备、材料、工艺、设计、软件等各发展要素和环节的整体爆发。国产芯片也在加速试错、改造、提升，正在经历从“不可用”到“基本可用”、再到“好用”的转变。
中国终将重构全球半导体格局
中国芯片制造重大技术突破接踵而至：
中微半导体公司成功研制了5纳米等离子蚀刻机。经过三年的发展，中微公司5纳米蚀刻机的制造技术更加成熟。该设备已交付台积电投入使用。
上海微电子已经成功研发出我国首款28纳米光刻机设备，预计将在2021年交付使用，实现了光刻机技术从无到有的突破。
中芯国际成功推出N+1芯片工艺技术，依托该工艺，中芯国际芯片制程不断向新的高度突破，同时成熟的28纳米制程扩大产能。
7月29日，南大光电承担的国家 科技 重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”之光刻胶项目通过了专家组验收。
8月2日青岛芯恩公司宣布8寸晶圆投片成功，良率达90%以上，12寸晶圆厂也将于8月15日开始投片。
2017年，合肥晶合集成电路12寸晶圆制造基地建成投产，至2021年合肥集成电路企业数量已发展到近280家。
中国半导体行业集中蓄势发力，在关键技术和设备等瓶颈领域，从无到有，由易入难，积小成而大成，关键技术和工艺水平正在取得整体跃迁。
小成靠朋友，大成靠对手。某种意义上，我们应该感谢美国的遏制与封锁，逼迫我们在芯片和半导体行业加速摆脱对外部的依赖。
回望新中国 科技 发展史，凡是西方封锁和控制的领域，也是中国技术发展最快的领域：远的如两弹一星、核潜艇，近的如北斗导航系统以及登月、空间站、火星探测等航天工程。在外部压力的逼迫下，中国 科技 与研发潜能将前所未有地爆发。
实际上，中国的整体 科技 实力与美国的差距正在迅速缩小。在一些尖端领域，比如高温超导、纳米材料、超级计算机、航天技术、量子通讯、5G技术、人工智能、古生物考古、生命科学等领域已经居于世界前沿水平。
英国世界大学新闻网站8月29日刊发分析文章，梳理了中国 科技 水平的颠覆性变化：
在创新领域，中国在全球研发支出排名第二，全球创新指数在中等收入国家中排名第一，正在从创新落伍者转变为创新领导者。
人才方面，拥有庞大的高端理工人才库，中国已是知识资本的重要创造者，美中 科技 关系从高度不对称转变为在能力和实力上更加对等。
技术转让方面，中国从单纯的学习者和技术接收者，转变为技术转让的来源和跨境技术标准的塑造者。
人才回流，中国正在扭转人才流失问题，积极从世界各地招募科学和工程人才。
这些变化表明，中国 科技 整体实力已经从追赶转变为能够与国际前沿竞争，由全球 科技 中的边缘角色转变为具有重要影响力的国家之一。
中国的基础研究水平也在突飞猛进。据《日经新闻》8月10日报道，在统计2017年至2019年间全球被引用次数排名前10%的论文时，中国首次超过美国，位居榜首位置。报道还着重指出中国在人工智能领域相关论文总数占据，美国为，显示中国在人工智能领域的研究成果正在超越美国。
另有日本学者在研究2021QS世界大学排名后，发现世界排名前20的理工类大学中，中国有7所上榜，清华大学居于第一位，而美国有5所。如果进一步细分到“机械工程”、“电气与电子工程”，中国大学在排名前20中的数量更是全面碾压美国。
芯片技术反映了一个国家整体 科技 水平和综合研发实力，中国的基础研究、应用研究、人才实力具备了突破芯片核心技术的基础和能力。
正如世界光刻机龙头企业——荷兰ASML总裁温尼克今年4月接受采访时所说：美国不能无限打压中国，对中国实施出口管制，将逼迫中国寻求 科技 自主，现在不把光刻机卖给中国，估计3年后中国就会自己掌握这个技术。“一旦中国被逼急了，不出15年他们就会什么都能自己做。”
温尼克的忧虑，正在一步步变成现实。全球半导体产业正进入重大变革期，中国在芯片制造领域的发愤图强，正在改写世界半导体产业的竞争格局。
中国的市场优势加上国家政策优势、资金优势以及基础研究的深入，打破美国在芯片制造领域的技术垄断和封锁，这一天不会太遥远。
玻璃漆板半导体的应用前景是非常好的，玻璃基板半导体是一种环保材质，未来会有广泛应用的，希望这个回答可以帮助到你
简述晶体缺陷对材料力学性能的影响晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。点缺陷：是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原子空位是指未被原子所占有的晶格结点。间隙原子是处在晶格间隙中的多余原子。点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。使材料的强度、硬度和电阻率增加。所以金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。属于这类缺陷主要是位错。什么是位错呢？ 位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。通常是指晶界和亚晶界。 缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，表面化学活性，化学能等等。总之影响非常大，但是如果合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能，比如人工在半导体材料中进行掺杂，形成空穴，可以极大地提高半导体材料的性能。
晶格缺陷和表面羟基都有利于光催化反应的进行。缺陷密度越大、表面羟基含量越高，催化剂的活性也越高。晶体缺陷是指晶体内部结构完整性受到破坏的所在位置。按其延展程度可分成点缺陷、线缺陷和面缺陷。在理想完整的晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。
晶体的缺陷种类很多，常见的有：1、空位；2、填隙；3、晶格形变（各种位错）
一、晶体三极管的命名方法及型号字母意义 晶体三极管的命名方法见图5-18，型号字母意义见表5-6 二、晶体三极管的种类 晶体三极管主要有NPN 型和PNP型两大类,一般我们可以从晶体管上标出的型号来识别。详见表5－6。晶体三极管的种类划分如下。 ①按设计结构分为 : 点接触型、面接触型。 ②按工作频率分为 : 高频管、低频管、开关管。 ③按功率大小分为 : 大功率、中功率、小功率。 ④从封装形式分为 : 金属封装、塑料封装。 三、三极管的主要参数 一般情况晶体管的参数可分为直流参数、交流参数、极限参数三大类。 ①直流参数 : 集电极 -基极反向电流 ICBO。此值越小说明晶体管温度稳定性越好。一般小功率管约10μA左右,硅晶体管更小。 集电极－发射极反向电流ICEO, 也称穿透电流。此值越小说明晶体管稳定性越好。过大说明这个晶体管不宜使用。 ②极限参数:晶体管的极限参数有: 集电极最大允许电流ICM；集电极最大允许耗散功率ICM；集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO 。 ③晶体管的电流放大系数:晶体管的直流放大系数和交流放大系数近似相等,在实际使用时一般不再区分,都用β表示,也可用hFE表示。 为了能直观地表明三极管的放大倍数 , 常在三极管的外壳上标注不同的色标。锗、硅开关管 , 高、低频小功率管 , 硅低频大功率管所用的色标标志如表 2-9-6 所示。β范围 0～15 15～25 25～40 40～55 55～80 80～120 120～180 180～270 270～400 400～ 色标 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 表5-7 部分三极管β值色标表示 ④特性频率fT：晶体三极管的β值随工作频率的升高而下降,三极管的特性频率f是当β下降到 1 时的频率值。也就是说 , 在这个频率下的三极管,己失去放大能力,因为晶体管的工作频率必须小于晶体管特性频率的一半以下。四、常用晶体三极管的外形识别 ①小功率晶体三极管外形电极识别:对于小功率晶体三极管来说,有金属外壳和塑料外壳封装两种,如图5-25 所示。②大功率晶体三极管外形电极识别:对于大功率晶体三极管,外形一般分为F型，G型两种,如图5-26(a) 所示。F型管从外形上只能看到两个电极。将管脚底面朝上,两个电极管脚置于左侧,上面为e极,下为b极,底座为C极。G型管的三个电极的分布如图5-26(b) 所示。图 5-26 大功率晶体三极管电极识别五、用指针式万用表判断晶体三极管好坏及辨别三极管的e、 b、c电极 三极管的管脚必须正确辨认,否则,接入电路不但不能正常工作,还可能烧坏晶体管。己知三极管类型及电极,指针式万用表判别晶体管好坏的方法如下: ①测 NPN 三极管:将万用表欧姆挡置 "R × 100" 或 "R × lk" 处,把黑表笔接在基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小,再将红表笔接在基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很大,则说明三极管是好的。 ②测 PNP 三极管:将万用表欧姆挡置 "R × 100" 或 "R × lk" 处,把红表笔接在基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小,再将黑表笔接在基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很大,则说明三极管是好的。 当三极管上标记不清楚时,可以用万用表来初步确定三极管的好坏及类型 (NPN 型还是 PNP 型 ),并辨别出e、b、c三个电极。测试方法如下 : ①用指针式万用表判断基极 b 和三极管的类型:将万用表欧姆挡置 "R × 100" 或"R×lk" 处,先假设三极管的某极为"基极",并把黑表笔接在假设的基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧 ),则假设的基极是正确的,且被测三极管为 NPN 型管；同上,如果两次测得的电阻值都很大( 约为几千欧至几十千欧 ), 则假设的基极是正确的,且被测三极管为 PNP 型管。如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为"基极"，再重复上述测试。 ②判断集电极c和发射极e:仍将指针式万用表欧姆挡置 "R × 100"或"R × 1k" 处,以NPN管为例,把黑表笔接在假设的集电极c上,红表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极 ( 不能使b、c直接接触 ), 通过人体 , 相当 b 、 C 之间接入偏置电阻 , 如图 5-27(a) 所示。读出表头所示的阻值 , 然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小 , 说明原假设成立 , 因为 c 、 e 问电阻值小说明通过万用表的电流大 , 偏置正常。其等效电路如图5-27(b) 所示 , 图中VCC 是表内电阻挡提供的电池 ,R为表 内阻 ,Rm 为人体电阻。图 5-27 用指针万用表判别三极管 c 、 e 电极 用数字万用表测二极管的挡位也能检测三极管的PN结,可以很方便地确定三极管的好坏及类型,但要注意,与指针式万用表不同,数字式万用表红表笔为内部电池的正端。例:当把红表笔接在假设的基极上, 而将黑表笔先后接到其余两个极上, 如果表显示通〈硅管正向压降在 左右 ), 则假设的基极是正确的 , 且被测三极管为 NPN 型管。 数字式万用表一般都有测三极管放大倍数的挡位(hFE), 使用时 , 先确认晶体管类型 , 然后将被测管子 e 、b 、c三脚分别插入数字式万用表面板对应的三极管插孔中,表显示出hFE 的近似值。 以上介绍的方法是比较简单的测试,要想进一步精确测试可以使用晶体管图示仪 ,它能十分清楚地显示出三极管的特性曲线及电流放大倍数等。六、三极管的选用 选用三极管要依据它在电路中所承担的作用查阅晶体管手册，选择参数合适的三极管型号。 a、NPN型和PNP型的晶体管直流偏置电路极性是完全相反的，具体连接时必须注意。 b、电路加在晶体管上的恒定或瞬态反向电压值要小于晶体管的反向击穿电压，否则晶体管很易损坏。 c、高频运用时，所选晶体管的特征频率F，要高于工作频率，以保证晶体管能正常工作。 d、大功率运用时晶体管内耗散的功率必须小于厂家给出的最大耗散功率，否则晶体管容易被热击穿，晶体管的耗散功率值与环境温度及散热大小形状有关，使用时注意手册说明。 七、中、小功率三极管的检测方 ①性能好环的判定，对已知型号和端子排列的三极管，可按下述方法来判断其性能好环。 a、测量极间电阻。测试方法如图5-28所示。将万用表置于R×100或R×1K挡，按照红、黑表笔的6种不同接法时行测试，其中，发射结和集电结的正向电阻值比较低，其他4种接法测得电阻值得都很高。质量良好的中、小功率三极管。正向电阻一般为几百欧至几千欧，其余的极间电阻值都很高，约为几百千欧至无穷大，但不管是低阻还是高阻，硅材料三极管的极间电阻要比锗材料三极管的极间电阻大。图5-28 三极管的正常极间电阻 b、测量穿透电流ICBD三极管的穿透电流ICBD的数值近似等于管子的放大倍数β和集电结的反向饱和电流ICBD乘积，ICBD随着环境温度的升高增长很快，ICBD的增加必然ICBD然的增大，而ICBD的增大将直接影响管子工作的稳定性，所以在使用中尽量选用ICBD+小的管子。 通过用万用表电阻挡测量三极管e-c极之间的电阻的方法，可间接估计ICBD的大小，具体方法如下。 测试电路如5-29所示，其中图（a）为测PNP型管的接法，图（b）为测NPN型管的接法，万用表电阻挡量程一般选用R×100或R×1K挡，要求测得的电阻值越大越好，e-c间的阻值越大，说明管子ICBD越小，反之，所测阻值越小，说明被测管ICBD越大。一般说来，中、小功率硅管、锗材料高频管及锗材料低频管，其阻值应分别在几百千欧，几十千欧及十几千欧以上。如果阻值很小或测试时万用表来回晃动，则表明ICEO很大，管子的性能不稳定。图5-29 测量三极管的Iceo 在测量三极管的ICEO的过程中，还可以同时检查判断一下管子的稳定性优劣。具体办法是：测量时，用手捏住管壳约1min左右，观察万用表指针向右漂移的情况，指针向右漂移摆动速度越快，说明管子的稳定性越差。通常，e-c间电阻比较小的管子，热稳定性相对就较差。在使用的过程中，稳定性不佳的管子应尽量不用，特别是在要求稳定性较高的电路中更不能使用ICEO大的管子。另外，管子的β越大，ICEO也越大，所以在要求稳定性较高的电路中，所使用的管子的β值不要太高。 C．测量放大能力β。测试电路如图5-30所示。其中图（a）为测PNP型管的接法，图（b）为测NPN型管的接法。万用表置于R×1k挡。具体测试步骤是，先将红、黑表笔按图7-46所示电路接相应端子，然后将电阻R接入电路。此时，万用表指针应向右偏转，偏转的角度越大，说明被测管的放大倍数β越大。如果接上电阻R以后指针向右摆幅度不大或者根本就停止在原位不动，则表明管子的放大能力很差或者已经被损坏。电阻R可用70～100kΩ的固定电阻，也可以利用人体电阻，即用手捏住c、b两端子（注意，c、b间不能短接）来代替电阻R。另外也可以用两手操作，用舌头去舔c、b两端子来充当电阻R进行测量。图5-30 测量三极管的β值方法一 上述方法的优点是简单易行，缺点是只能比较管子β的相对大小，而不能测出β的具体数值。 有些型号的中、小功率三极管，生产厂家在其管壳顶部表示出不同色点来表明管子的放大倍数β值，其颜色和β值的对应关系如表5-8所示。但要注意，各厂家用色标并不一定完全相同。色点 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 β 17 17～27 27～40 40～77 77～80 80～120 120～180 180～270 270～400 >400 ②检测判别电极 如果不知道三极管的型号及管子的端子排列，用万用表进行检测判断。 a．判定基极。测试电路如图5-31所示。用万用表R×100和R×1k挡测量三极管三个电极中两个之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二根表笔先后接触另外两个电极均测得低电阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b，黑表笔分别接在其他两电极时，测得的阻值都较小，则会判定被测三极管为PNP型管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两电极时，测得的阻值都较小，则被测三极管为NPN型管。图5-31 判定三极管基极 b．判定集电极c和发射集e。测试方法如图5-32所示。现以PNP型三极管为例加以说明。将万用表置于R×1k挡。先使被测三极管的基极悬空，万用表的红、黑表笔分别任接其余两端子，此时指针应指在无穷大位置。然后用手指同时捏住基极与右边的端子，如果万用表指针向右偏转较明显，则表明右边一端即为集电极c，左边的端子为发射极e。如果万用表指针基本不摆动，可改用手指同时捏住基极与左边的端子，若指针向右偏转较明显，则证明左边端子为集电极c，右边的端子为发射极e。 图5-32 判定三极管c、e极 如果在以上两次测量过程中万用表指针均不向右摆动和摆动的幅度不明显，则说明万用表给被测三极管提供的测试电压极性接反了，应将红、黑表笔对调位置后按上述步骤重新测试直到将管子的c、e极区分开为止。 用此种方法判定c、e电极的原理如图7-48(b)所示。在这里，基极偏置电阻Rb是用手指来代替的。由于被测管子的集电结上加有反向偏压，发射结加的是正向偏压，所以使其处在放大状态，此时电流放大倍数较高，所产生的集电极电流Ic要使万用表指针明显向右偏转。倘若红、黑表笔接反了，就等于工作电压接反了，管子也就不能正常工作了。放大倍数大大降低了，从十几倍降到几倍，甚至为零，因此，万用表指针摆幅极小甚至根本不动。 ③判别锗管和硅管 测试电路如图5-33所示。E为一节干电池，Rp为50～100kΩ的电阻。将万用表置于直流挡。电路接通以后，万用表所指示的便是被测管子的发射结正向压降。若是锗管，该电压值为～；若是硅管，该电压值为～。顺便指出，目前绝大多数硅管为NPN型管，锗管为PNP型管。图5-33测三极管b、e电压判别锗管与硅管 ④判别高频管与低频管 高频管的截止频率大于3MHz，而低频管的截止频率则小于3MHz，一般情况下，二者是不能互换使用的。由于高、低频管的型号不同，所以当它们的标志清楚时，可以查有关手册，较容易地直接加以区分。当它们的标志型号不清时，可利用其BVebo的不同用万用表测量发射结的反向电阻，将高、低频管区分开。 以NPN型管为例，将万用表置于R×1k挡，黑表笔接管子的发射结e，红表笔接管子的基极b。此时电阻值一般均在几百千欧以上。接着将万用表拔至R×10k高阻挡，红、黑表笔接法不变，重新测量一次e、b间的电阻值。若所测量阻值与第一次测得的阻值变化不大，可基本判定被测管为低频管；若阻值变化很大，超过万用表满度1/3，可基本判定被测管为高频管。
晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。 1、特点：晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。 电话机中常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号；NPN型三极管有：A42、9014、9018、9013、9012等型号。 2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。为了便于比较，将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。 名称 共发射极电路 共集电极电路（射极输出器） 共基极电路 输入阻抗 中（几百欧～几千欧） 大（几十千欧以上） 小（几欧～几十欧） 输出阻抗 中（几千欧～几十千欧） 小（几欧～几十欧） 大（几十千欧～几百千欧） 电压放大倍数 大 小（小于1并接近于1） 大 电流放大倍数 大（几十） 大（几十） 小（小于1并接近于1） 功率放大倍数 大（约30～40分贝） 小（约10分贝） 中（约15～20分贝） 频率特性 高频差 好 好 续表 应用 多级放大器中间级，低频放大 输入级、输出级或作阻抗匹配用 高频或宽频带电路及恒流源电路 3、在线工作测量 在实际维修中，三极管都已经安装在线路板上，要每只拆下来测量实在是一件麻烦事，并且很容易损坏电路板，根据实际维修，本人总结出一种在电路上带电测量三极管工作状态来判断故障所在的方法，供大家参考： 类别 故障发生部位 测试要点 e-b极开路 Ved>1v Ved=V+ e-b极短路 Veb=0v Vcd=0v Vbd升高 Re开路 Ved=0v Rb2开路 Vbd=Ved=V+ Rb2短路 Ved约为 Rb1增值很多，开路 Vec< Vcd升高 e-c极间开路 Veb= Vec=0v Vcd升高 b-c极间开路 Veb= Ved=0v b-c极间短路 Vbc=0v Vcd很低 Rc开路 Vbc=0v Vcd升高 Vbd不变 Rb2阻值增大很多 Ved约为V+ Vcd约为0V Ved电压不稳 三极管和周围元件有虚焊 类 别 故障发生部位 测 试 要 点 Rb1开路 Vbe=0 Vcd=V+ Ved=0 Rb1短路 Vbe约为1v Ved=V-Vbe Rb2短路 Vbd=0v Vbe=0v Vcd=V+ Re开路 Vbd升高 Vce=0v Vbe=0v Re短路 Vbd= Vbe= Rc开路 Vce=0v Vbe= Ved约为0v c-e极短路 Vce=0v Vbe= Ved升高 b-e极开路 Vbe>1v Ved=0v Vcd=V+ b-e极短路 Vce约为V+ Vbe=0v Vcd约为0v c-b极开路 Vce=V+ Vbe= Ved=0v c-b极短路 Vcb=0v Vbe= Vcd=0v 八、场效应晶体管放大器 1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。 2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。如图1-1-1是两种型号的表示符号： 3、场效应管与晶体管的比较 （1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。 （2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。 （3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。 （4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。 作者：yinqiao436 2007-9-22 21:34 回复此发言 -------------------------------------------------------------------------------- 2 回复：晶体三极管 三极管基础知识及检测方法 一、晶体管基础 双极结型三极管相当于两个背靠背的二极管 PN 结。正向偏置的 EB 结有空穴从发射极注入基区，其中大部分空穴能够到达集电结的边界，并在反向偏置的 CB 结势垒电场的作用下到达集电区，形成集电极电流 IC 。在共发射极晶体管电路中 , 发射结在基极电路中正向偏置 , 其电压降很小。绝大部分 的集电极和发射极之间的外加偏压都加在反向偏置的集电结上。由于 VBE 很小，所以基极电流约为 IB= 5V/50 k Ω = 。 如果晶体管的共发射极电流放大系数β = IC / IB =100, 集电极电流 IC= β*IB=10mA。在500Ω的集电极负载电阻上有电压降VRC=10mA*500Ω=5V，而晶体管集电极和发射极之间的压降为VCE=5V，如果在基极偏置电路中叠加一个交变的小电流ib，在集电极电路中将出现一个相应的交变电流ic，有c/ib=β，实现了双极晶体管的电流放大作用。 金属氧化物半导体场效应三极管的基本工作原理是靠半导体表面的电场效应，在半导体中感生出导电沟道来进行工作的。当栅 G 电压 VG 增大时， p 型半导体表面的多数载流子枣空穴逐渐减少、耗尽，而电子逐渐积累到反型。当表面达到反型时，电子积累层将在 n+ 源区 S 和 n+ 漏区 D 之间形成导电沟道。当 VDS ≠ 0 时，源漏电极之间有较大的电流 IDS 流过。使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压称为阈值电压 VT 。当 VGS>VT 并取不同数值时，反型层的导电能力将改变，在相同的 VDS 下也将产生不同的 IDS , 实现栅源电压 VGS 对源漏电流 IDS 的控制。 二、晶体管的命名方法 晶体管：最常用的有三极管和二极管两种。三极管以符号BG（旧）或（T）表示，二极管以D表示。按制作材料分，晶体管可分为锗管和硅管两种。 按极性分，三极管有PNP和NPN两种，而二极管有P型和N型之分。多数国产管用xxx表示，其中每一位都有特定含义：如 3 A X 31，第一位3代表三极管，2代表二极管。第二位代表材料和极性。A代表PNP型锗材料；B代表NPN型锗材料；C为PNP型硅材料；D为NPN型硅材料。第三位表示用途，其中X代表低频小功率管；D代表低频大功率管；G代表高频小功率管；A代表高频大功率管。最后面的数字是产品的序号，序号不同，各种指标略有差异。注意，二极管同三极管第二位意义基本相同，而第三位则含义不同。对于二极管来说，第三位的P代表检波管；W代表稳压管；Z代表整流管。上面举的例子，具体来说就是PNP型锗材料低频小功率管。对于进口的三极管来说，就各有不同，要在实际使用过程中注意积累资料。 常用的进口管有韩国的90xx、80xx系列，欧洲的2Sx系列，在该系列中，第三位含义同国产管的第三位基本相同。 三、 常用中小功率三极管参数表 型号 材料与极性 Pcm(W) Icm(mA) BVcbo(V) ft(MHz) 3DG6C SI-NPN 20 45 >100 3DG7C SI-NPN 100 >60 >100 3DG12C SI-NPN 300 40 >300 3DG111 SI-NPN 100 >20 >100 3DG112 SI-NPN 100 60 >100 3DG130C SI-NPN 300 60 150 3DG201C SI-NPN 25 45 150 C9011 SI-NPN 30 50 150 C9012 SI-PNP -500 -40 C9013 SI-NPN 500 40 C9014 SI-NPN 100 50 150 C9015 SI-PNP -100 -50 100 C9016 SI-NPN 25 30 620 C9018 SI-NPN 50 30 C8050 SI-NPN 1 40 190 C8580 SI-PNP 1 -40 200 2N5551 SI-NPN 600 180 2N5401 SI-PNP -600 160 100 2N4124 SI-NPN 200 30 300 四、用万用表测试三极管 （1） 判别基极和管子的类型 选用欧姆档的R*100（或R*1K）档，先用红表笔接一个管脚，黑表笔接另一个管脚，可测出两个电阻值，然后再用红表笔接另一个管脚，重复上述步骤，又测得一组电阻值，这样测3次，其中有一组两个阻值都很小的，对应测得这组值的红表笔接的为基极，且管子是PNP型的；反之，若用黑表笔接一个管脚，重复上述做法，若测得两个阻值都小，对应黑表笔为基极，且管子是NPN型的。 （2）判别集电极 因为三极管发射极和集电极正确连接时β大（表针摆动幅度大），反接时β就小得多。因此，先假设一个集电极，用欧姆档连接，（对NPN型管，发射极接黑表笔，集电极接红表笔）。测量时，用手捏住基极和假设的集电极，两极不能接触，若指针摆动幅度大，而把两极对调后指针摆动小，则说明假设是正确的，从而确定集电极和发射极。 （2） 电流放大系数β的估算 选用欧姆档的R*100（或R*1K）档，对NPN型管，红表笔接发射极，黑表笔接集电极，测量时，只要比较用手捏住基极和集电极（两极不能接触），和把手放开两种情况小指针摆动的大小，摆动越大，β值越高。
三极管的工作状态与应用论文【1】
摘 要：半导体三极管是电子电路的重要元件，它在不同的外部条件下表现出不同的工作状态，从而具有多种不同的功能，因此得到了广泛的应用。
本文主要阐述了三极管的工作状态及其在不同状态下的应用。
关键词：三极管 工作状态 应用
半导体三极管是电子电路的重要元件，它在不同的外部条件下表现出不同的工作状态，从而具有多种不同的功能，因此得到了广泛的应用。
1 三极管的工作状态
三极管在电路中一般表现出三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。
截止状态
当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压时，基极电流为零，三极管处于截止状态。
实际上为了使三极管可靠地截止，常使UBE≤0，此时发射结和集电结均处于反向偏置状态，[1]集电极和发射极之间相当于开关的断开状态。
放大状态
当三极管的发射结正向偏置，且加在发射结的电压大于PN结的导通电压，集电结反向偏置时，三极管处于放大状态。
这时基极电流的微小变化，会引起集电极电流的较大变化，三极管具有电流放大作用。
饱和状态
当三极管的发射结正向偏置，且加在发射结的电压大于PN结的导通电压，集电结也正向偏置时，三极管处于饱和状态。
这时基极电流较大，集电极电流也较大，但集电极电流不再随着基极电流的变化而变化，三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，相当于开关的导通状态。
2 三极管不同状态下的应用
三极管放大状态下的应用
三极管处于放大状态时具有电流放大作用，利用这一特点，三极管常用在模拟放大电路中。
三极管对小信号实现放大作用时，基本放大电路有三种不同的连接方式：共发射极接法、共基极接法和共集电极接法。
在共发射极接法中，常用的放大电路有固定式偏置电路、分压式偏置电路和带有射极电阻的固定式偏置电路。
固定式偏置电路静态工作点不太稳定，受温度的影响，输出信号容易产生失真，故在实际中常采用分压式偏置电路以稳定静态工作点。
电路如图1所示。
共发射极接法放大电路因其电压放大倍数比较高，而得到广泛的应用，在多级放大电路中，多用作中间级。
在共集电极接法中，负载接在发射极，输出电压从发射极输出，因此，叫射极输出器。
因输出电压与输入电压同相，输出信号跟随输入信号的变化而变化，因此，射极输出器又称为射极跟随器或电压跟随器。
射极跟随器的电压放大倍数略小于1，没有电压放大作用，但有一定的电流放大作用和功率放大作用。
在多级放大电路中，射极输出器作为输入级可减轻信号源的负担，作为输出级可提高放大电路的带负载能力，作为中间级起阻抗变换作用，使前后级共发射极放大电路阻抗匹配，实现信号的最大功率传输。[2]
在共基极接法中，交流信号从发射极输入，从集电极输出。
该电路没有电流放大作用，但具有电压放大作用，而且其频率特性比较好，一般多用于高频或宽频带放大电路及恒流源电路。
三极管截止和饱和状态下的应用
三极管处于截止状态时相当于开关的断开状态，处于饱和状态时相当于开关的导通状态，利用这种开关特性，三极管常用在数字电路中。
在稳定状态下，三极管只能工作在饱和区或截止区，它的输出端要么处于高电位，要么处于低电位，即要么有信号输出，要么无信号输出。
实际应用时，由于三极管需要频繁地在断开和闭合状态之间进行切换，因此为了提高开关速度，常使三极管工作在浅饱和区状态。
三极管的开关特性常见的具体应用有：用于彩色电视机、通信设备的开关电源;用于驱动电路，驱动发光二极管、蜂鸣器、继电器等器件;用于彩色电视机行输出管;用于开关电路、高频振荡电路、模数转换电路、脉冲电路、低频功率放大电路、电流调整等;在冶金、机械、纺织等工业自动控制系统中，光电开关可作指示信号，指示加工工件是否存在或存在的位置。[3]
开关三极管因其寿命长、安全可靠、没有机械磨损、开关速度快、体积小等特点，得到越来越广泛的应用。
掌握了三极管的各种工作状态，了解了三极管的基本应用，在分析和设计更复杂电路时，就能灵活运用。
参考文献
[1] 袁明文，谢广坤.电子技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013：11.
[2] 李仁华，冯�.电子技术[M].北京：北京理工大学出版社，2010：44.
[3] 于敏，李闽.三极管开关特性探讨[J].硅谷，2012(1)：24.
晶体三极管在不同工作状态下的应用【2】
【摘 要】本文提出了晶体三极管的在不同工作状态下的分类和特性，并指出如何根据晶体三极管的不同工作状态时的作用进行实际应用，从而增强学生对晶体三极管的工作状态的了解，提高学生分析和解决问题的能力。
【关键词】非线性器件;导通角;正向偏置;反向偏置
1.引言
晶体三极管是电子电路中非常重要的元器件，每一种电子电路几乎都离不开它。
它是一种非线性器件，在不同的外部条件下会呈现出不同的工作状态。
在实际应用时，可根据它的不同工作状态应用到不同的电子电路中，从而有效地发挥它的作用。
为了更好地在电路中发挥晶体三极管的作用就要掌握不同工作状态下它的分类和特性，这样不但有利于很好地应用晶体三极管，而且有利于学习和掌握电路的基本知识，这样在分析和设计电路时就会得心应手，避免出现错误。
2.晶体三极管在不同工作状态下的分类
晶体三极管是有源器件，它在电路中工作时，要在它发射结和集电结施加不同的偏置电压。
而根据它的基极和集电极偏置电压的不同，晶体三极管呈现不同的工作状态。
此时可把晶体三极管的工作状态划分成不同的区域。
即如果发射结正向偏置、集电结反向偏置，晶体三极管工作在放大区;如果发射结正向偏置、集电结正向偏置，晶体三极管工作在饱和区，如果发射结反向偏置或零偏、集电结反向偏置，晶体三极管工作在截止区。
晶体三极管工作在饱和区和放大区时都说明它是导通的，放大器在信号的一个周期内的导通情况可用导通角来衡量。
放大器的导通角用θ来表示，定义为晶体三极管一个信号周期内导通时间乘以角频率ω的一半。
根据放大器导通角的不同可晶体三极管放大器分为甲类、乙类、丙类、丁类等放大器。
3.各类放大器的特性和应用
甲类放大器
当晶体三极管放大器的静态工作点设置在放大区时，即发射结正向偏置、集电结反向偏置时，放大器工作在放大状态。
此时，在输入信号的整个周期内，晶体三极管都是导通的`，导通角θ为1800，此时晶体三极管放大器称为甲类放大器。
其工作波形如图a所示。
它的工作特性是：静态工作点电流比较大，非线性失真小、管耗大、效率低、输出功率小。
甲类放大器有电压放大的作用，可应用到电压放大和小功率放大电路中。
另外由于它的失真小，所以在宽带功率放大器中，晶体三极管也工作在甲类状态，但由于它的效率低、输出功率小，不能满足功率放大器对输出功率的要求，所以常采用功率合成技术，实现多个功率放大器的联合工作，获得大功率的输出。
乙类放大器
当晶体三极管放大器的静态工作点设置在截止区时，如果信号为正时三极管导通，信号为负时三极管截止。
即三极管在信号的半个周期导通，导通角θ为900，此时放大器为乙类放大器，它放大的信号缺少半个周期，是失真的。
但是在乙类互补推挽放大电路中，用两个互补的三极管轮流推挽导通就可以弥补这种失真的不足，从而输出完整的信号波形，电路如图b所示。
乙类放大器由于管耗小，效率大大提高。
甲乙类放大器
在实际功率放大电路中，由于晶体三级管发射结存在导通压降，所以在乙类互补功率放大器中，由于V1、V2管没有基极偏流，静态时两个管的发射结偏置电压为零。
当输入信号小于晶体管的死区电压时，管子仍处于截止状态。
因此，在输入信号的一个周期内，两个晶体三极管轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真。
即在两管输出波形的交接处存在失真，这种失真称为“交越”失真。
这时需要在两个晶体三极管的基极加上等于发射结导通压降的电压，使两个晶体三极管均处在微导通状态，两管轮流导通时，交替得比较平滑，这样就消除了交越失真。
电路如图c所示。
丙类放大器
当导通角θ小于900时，晶体三极管放大器称为丙类放大器。
丙类放大器又因工作状态的不同可分为欠压、临界和饱和三种工作状态。
当放大器工作在放大区和截止区时为欠压状态，如果晶体三极管工作刚好不进入饱和区时，则称为临界工作状态。
晶体三极管工作进入饱和区时为过压状态。
三种状态时集电极输出的波形分别为尖顶余弦脉冲、略微平缓的余弦脉冲和顶端凹陷的余弦脉冲。
由于这几种余弦脉冲都可以分解出基波分量和各次谐波分量，又由于谐振回路具有滤波作用，晶体三极管放大器的输出电压仍为没有失真的余弦波形。
所以丙类放大器可和谐振回路共同构成丙类谐振功率放大器或丙类倍频器。
丙类放大器工作在欠压状态时，放大器输出功率小，管耗大，效率低。
工作在过压状态时，放大器输出功率较大，管耗小，效率高。
工作在临界状态时，放大器输出功率大，管耗小，效率高。
丁类放大器
丙类放大器可以通过减小电流导通角θ来提高放大器的效率，但是为了让输出功率符合要求又不使输入激励电压太大，导通θ就不能太小，因而放大器效率的提高就受到了限制。
丁类放大器的导通角也是900，但是丁类放大器工作在饱和或截止状态。
由于三极管工作在饱和状态时集电极电流ic最大，但集电极和发射极之间的电压uce最小。
三极管工作在截止状态时集电极电流ic最小，但集电极和发射极之间的电压uce最大。
所以丁类放大器在工作时，ic和uce的乘积最小，理想情况下它们的乘积可接近于零。
在积分区间不变时，即导通角θ不变时，ic和uce的乘积越小，晶体管集电极的耗散功率起小，晶体管放大器集电极的效率就越高，输出功率就越大。
因此，在这两种状态时集电极损耗很小，三极管的效率高，即丁类放大器的效率比丙类放大器要高。
振荡电路中的放大器
晶体三极管放大器在具体电路中应用时，可以不单单间工作在一种工作状态。
有时会根据电路的要求，在设计时，当电路中的输入信号发生变化时，放大器的工作状态也发生变化，从而满足电路的实际要示。
比如在振荡电路中，起振时，电路工作于小信号状态，即三极管工作在甲类状态，因此可将振荡电路作为线性电路来处理，用小信号等效电路求出振荡环路的传输系数。
随着振荡幅度的增大，输入信号的幅度也越来越大，放大器的工作由线性状态进入非线性状态，再加上电路中偏置电路的自给偏压效应，使得晶体管的基极偏置电压随着输入信号的增大而减小，这样使三极管的工作状态进入乙类或丙类非线性工作状态，相应的放大倍数随之减小，直到振荡进入平衡状态。
在振荡电路的起振到平衡的过程中，电路由小信号工作到大信号工作，放大器的工作状态也由甲类、乙类过渡到丙类，从而满足了振荡电路对放大器的要求。
这正是放大器各种工作状态的很好的应用。
4.结束语
总之随着放大器的进一步研究和应用，其分类也越来越多，应用也越来越广泛。
现在又出现了效率比丁类放大器还高的戊类放大器。
在实际电路中，要根据电路对放大器的要求来选用放大器的不同状态。
比如电压放大时要求电压放大倍数要高，就要选用电压放大器。
功率放大时就要选择功率放大倍数高的功率放大器。
在输入信号频率不同时，还要考虑电路中的参数与信号频率的关系。
只有掌握了放大器的各类状态，才能很好地把知识应用到实际电路中。
参考文献：
[1]胡宴如.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2004：95-97.
[2]胡宴如.高频电子线路[M].高等教育出版社，2004：35-37，65-66.
半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为敞弗搬煌植号邦铜鲍扩基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为～微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到微米的输出，而波长～微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。晶体管利用一种称为半导体的材料的特殊性能。电流由运动的电子承载。普通的金属，如铜是电的好导体，因为它们的电子没有紧密的和原子核相连，很容易被一个正电荷吸引。其它的物体，例如橡胶，是绝缘体 --电的不良导体--因为它们的电子不能自由运动。半导体，正如它们的名字暗示的那样，处于两者之间，它们通常情况下象绝缘体，但是在某种条件下会导电。
长时间看着屏幕对眼睛的伤害是肯定有的，只是液晶屏不会想CRT显示屏那样产生电磁辐射。对人体的伤害非常小。
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液晶显示器的背光源大多使用的白炙灯管中，含有铅、汞等有害物质；所有的电路印制板中，也会用到铅；而在塑料外壳中，都会加入作为耐燃剂的多溴二苯醚PBDE，多溴联苯PBB。铅对人体的危害极大，它可以影响大脑皮层兴奋和抑制的平衡及直接损伤周围神经，造成头昏、头痛、无力、肌肉关节酸痛、睡眠障碍、记忆力减退等神经衰弱症状，严重的还会导致感觉和运动神经传导速度减慢，肢端麻木、感觉迟钝，伸肌无力，握力减退甚至重者瘫痪。如果影响到脑部，则会出现表情淡漠、精神异常、运动失调；重者昏迷、惊厥、呕吐、呈癫痫样发作，出现脑损害综合症。此外，铅还会造成毛细血管损害及血管痉挛。导致神经系统、消化系统、血液系统及肾脏的功能紊乱和病理改变，损害肾功能，引发低血色素性正常细胞型贫血。汞又称水银，是唯一在常温下呈液态并易流动的金属。汞在电子产品中的用途主要是各种光源，我们使用的lcd里面有一个背光层，背光层是面一根根灯管，而这些灯管中就含有大量的汞。汞对人身体的危害也很大，少量吸入金属汞蒸气，会出现轻度头昏头痛、健忘、多梦等一般性神经衰弱，部分人还会有心悸、多汗等神经系统紊乱。病情发展到一定程度时出现三大典型表现：易兴奋症、意向性震颤、口腔炎。易兴奋症是慢性汞中毒的精神症状，表现多种多样，如失眠或嗜睡、多恶梦、性情抑郁孤僻而又急躁，易紧张激动与发怒而自己不能控制，对过去爱好的事物失去兴趣，多疑，不能合群而喜清静独居，但又胆怯怕羞怕见人，好哭好笑，等等。总之，性格与情绪都发生明显改变。镉对人身体的危害主要体现在对肾脏的损害，它会成肾结石及骨质疏松。而且，镉中毒的潜伏期很长，临床的证据显示，镉造成的肾病变约在暴露十年左右发生。由于镉对肾脏的损害会造成钙和磷酸的流失，并抑制维生素D生成，造成骨质疏松及软化。所以镉中毒的很容易出现压力性骨折，日本曾发生过骇人听闻的“骨痛病”就是镉中毒的结果。此外，镉还对呼吸系统有害，急性中毒会引起化学性肺炎和熏烟热，不管急性或慢性的呼吸系统毒性目前都少见。镉中毒最可怕的地方于它的潜伏期，中毒者一旦病发就没有特效疗法治疗，病痛甚至将影响中毒者终生。