电子元器件及其材料概论

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页数:335
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出版时间:2009-6
价格:38.00元
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isbn号码:9787122050724
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  • 电子元器件
  • 材料科学
  • 半导体
  • 电路
  • 电子工程
  • 物理
  • 应用
  • 概论
  • 元器件
  • 材料
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具体描述

《电子元器件及其材料概论》比较系统地介绍了各类电子元器件的工作原理、制造工艺、基本特性、选用的材料和应用情况。同时对一些新的微电子技术和表面组装技术也作了介绍。特点是实用性强,涵盖面宽,介绍详略得当。书中既有相关材料的重要理论叙述,又结合这些材料与当前的发展趋势作了必要的介绍。

全书共分十三章,第一章为概述,第二章介绍了压电元器件及其材料,第三章介绍了热释电红外探测器及其材料,第四章介绍铁电器件及其材料,第五章介绍压敏元器件及其材料,第六章介绍热敏元器件及其材料,第七章讲述湿敏元器件及其材料,第八章讲述气敏元器件及其材料,第九章讲述光敏元器件及其材料,第十章介绍的是磁敏元器件及其材料,第十一章介绍的是力敏器件及其材料,第十二章介绍了其它敏感元器件及其材料,第十三章介绍了阻、容、电感元器件及其材料。

《电子元器件及其材料概论》可供从事材料科学、电工、电子、仪表、自动化等方面工作的中、高级科技人员参考,也可作为电子信息材料、电子材料及元件、无机非金属材料工程专业的大学本科和研究生教材,同时也可供相关领域工程技术和研究人员及相近专业研究生参考。

现代电子技术基石:半导体器件与集成电路原理 本书聚焦于构成现代电子系统的核心——半导体器件的物理基础、制造工艺、工作原理及其在集成电路中的应用。 旨在为读者提供一个全面、深入且注重实践的知识框架,理解信息时代驱动力的微观世界。 --- 第一部分:半导体物理基础与基础器件 本部分致力于为后续复杂器件的学习打下坚实的理论基础,深入剖析半导体材料的特性和最基本的电子元件——二极管的工作机制。 第一章:半导体材料科学基础 本章将系统介绍半导体的本征特性。我们将从晶体结构入手,阐述硅(Si)和锗(Ge)等关键材料的原子排列方式。随后,重点解析能带理论,区分导体、绝缘体和半导体的能带结构差异,特别是价带、导带和禁带宽度的概念。 深入探讨载流子的行为。详细分析本征激发的机制,引入电子(Electron)和空穴(Hole)的概念,并给出它们的浓度表达式。核心内容是掺杂技术——通过引入受主(Acceptor)和施主(Donor)杂质,精确控制材料的导电类型,区分P型和N型半导体,并计算在不同温度下的多数载流子和少数载流子浓度。此外,还将介绍重要的物理参数,如载流子迁移率、扩散系数以及寿命,这些参数直接决定了器件的性能上限。 第二章:PN结的形成与静态特性 PN结是所有现代半导体器件的基石。本章将细致描述PN结的形成过程,从扩散电流和漂移电流的相互作用,到热平衡状态下内建电场的形成及其对费米能级的连续性要求。 关键在于对势垒区(或称空间电荷区)的定量分析。我们将推导耗尽层宽度与外加电压之间的关系,并建立起理想PN结的伏安特性曲线(I-V曲线)。重点解析曲线上的三个重要区域:正向偏置下的指数规律、零偏置状态以及反向偏置下的漏电流。我们还将探讨击穿现象,包括齐纳击穿(Zener Breakdown)和雪崩击穿(Avalanche Breakdown)的物理机理及其工程应用意义。 第三章:二极管的种类与实用电路 基于PN结原理,本章介绍几种重要的实用型二极管。 稳压二极管(Zener Diode):深入分析其在反向击穿区的恒压特性,并阐述其作为稳压电源的基本电路设计与参数选择。 隧道二极管:探讨量子力学效应——量子隧穿,解释其负微分电导区的工作原理及其在微波振荡器中的应用。 发光二极管(LED):从半导体复合发光(辐射复合)的原理出发,分析其效率、颜色与材料(如GaN, GaAsP)的选择,并探讨其驱动电路。 光电二极管(Photodiode):讲解其光电导效应,分析其响应速度、光电流的产生及其在光通信和光检测中的作用。 --- 第二部分:双极性晶体管(BJT)的深入研究 本部分将焦点转向信息处理的核心单元——晶体管,首先从历史悠久且应用广泛的双极性结型晶体管入手。 第四章:BJT的结构、载流子输运与模型 本章详细解析NPN和PNP晶体管的结构、掺杂分布(如基区窄且轻掺杂的特点)以及它们如何形成两个背靠背的PN结。 核心内容是载流子输运理论。重点讲解扩散模型,阐述基区内电子的扩散过程,如何形成电流的控制机制。我们将推导小信号模型的基础——Ebers-Moll模型或混合$pi$模型,并解释$alpha$(共射极电流增益的共基极系数)和$eta$(共射极电流增益)的物理意义和相互关系。此外,还将分析集电极电流的饱和区、线性区和截止区的特性。 第五章:BJT的放大电路分析 本章将理论模型应用于实际的放大电路设计。 首先介绍直流偏置电路的设计,如何通过精确设置静态工作点(Q点)来保证晶体管工作在线性区,避免失真。我们将分析几种主要的偏置组态:固定偏置、发射极反馈偏置以及分压器偏置,并探讨温度漂移对Q点稳定性的影响,引入热稳定性系数的概念。 随后,进入小信号交流分析。利用混合$pi$模型,推导共射极、共集电极(射随器)和共基极三种基本组态的电压增益、电流增益、输入阻抗和输出阻抗,并分析其各自的优缺点。本章还将涵盖耦合电容、旁路电容对频率响应的影响,为后续的频率特性分析做铺垫。 --- 第三部分:场效应晶体管(FET)与功率器件 本部分转向另一种主流的晶体管类型——场效应晶体管,并探讨影响电源和驱动电路的关键功率器件。 第六章:MOSFET的工作原理与特性 本章系统介绍金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的结构,重点分析其作为电压控制型器件的特性。 首先阐述理想MOS电容的工作状态:强反型、弱反型和积累态,并精确计算阈值电压($V_{th}$)的物理来源。随后,深入分析N沟道增强型MOSFET(NMOS)在线性区(或称欧姆区)和饱和区的输出特性曲线,推导其跨导$g_m$和输出电阻$r_{ds}$。同时,也将涵盖PMOS的特性,并比较NMOS和PMOS的载流子迁移率差异。最后,讨论沟道长度调制效应及其对输出阻抗的影响。 第七章:FET放大电路与功率半导体 基于MOSFET的特性,本章分析其在放大电路中的应用,特别是共源、共栅和共源共栅组态。重点分析MOSFET放大器的增益带宽积和动态范围。 此外,本章拓宽至功率半导体领域。详细介绍功率MOSFET(Power MOSFET)的结构特点(如深N阱、LDS结构)以及它们在开关应用中的优势(如开关速度快)。最后,系统性地讲解IGBT(绝缘栅双极晶体管)的结构、工作模式及其在电机驱动和高压变流技术中的核心地位,对比其与BJT和Power MOSFET的优劣。 --- 第四部分:器件的频率响应与噪声 理解器件在实际工作环境下的动态表现是电路设计不可或缺的一环。 第八章:晶体管的高频特性与寄生参数 本章解析影响器件高频性能的物理因素。我们将引入寄生电容(如基区-集电结电容$C_{mu}$和集电结结电容$C_{jc}$)和寄生电阻对晶体管模型的影响,构建高频小信号模型。 重点分析过渡频率($f_T$)和最大振荡频率($f_{max}$)的定义及其物理限制。通过分析米勒效应(Miller Effect),解释晶体管在放大电路中高频滚降的根本原因,并探讨电路设计中如何通过组态选择来优化高频性能。 第九章:半导体器件中的噪声现象 噪声是限制电子系统灵敏度的根本因素。本章系统分类介绍半导体器件中主要的噪声源: 热噪声(Johnson-Nyquist Noise):来源于电阻中的载流子随机热运动,给出其功率谱密度。 散粒噪声(Shot Noise):来源于电流的不连续性,分析其在PN结和栅极漏电流中的表现。 闪烁噪声(Flicker Noise/1/f Noise):分析其在低频段的主导地位,及其与器件表面陷阱态的关联。 最后,本章介绍噪声系数(Noise Figure, NF)的概念,阐述如何评估放大器对系统噪声性能的影响,以及如何通过优化偏置点和器件选择来最小化噪声。 --- 本书特色: 本书结合了扎实的半导体物理理论推导与大量的工程实例分析。每章末均附有关键概念总结和精选习题,帮助读者巩固理论知识,并着重强调对BJT和MOSFET等主流器件的工作区判别和参数提取能力,为后续深入学习集成电路设计(IC Design)打下坚实的基础。

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这本书在讲解电子元器件的选型原则时,给我提供了非常清晰的指导。我一直觉得,在设计电路时,选择什么样的元器件,是一件既重要又复杂的事情。《电子元器件及其材料概论》书中,系统地总结了元器件选型的基本原则,并提供了多种考虑因素。首先,书中强调了根据电路功能需求来选择元器件,比如需要放大还是滤波,需要高频还是低频,等等。其次,书中详细讲解了如何根据电路的性能指标来选择元器件,比如精度要求、功耗限制、工作温度范围、额定电压和电流等。让我印象深刻的是,书中还专门列举了一些常见的选型误区,比如仅仅追求低价而忽略性能,或者盲目追求高性能而造成成本过高。此外,书中还提及了元器件的封装形式、供应商可靠性、以及产品生命周期等因素对选型决策的影响。书中还通过一些实际的电路设计案例,展示了如何运用这些选型原则,来优化电路设计,提高产品的整体性能和可靠性。这本书让我明白,元器件的选型不仅仅是简单的“照搬”,而是一个需要综合考虑多方面因素的系统性过程。

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《电子元器件及其材料概论》在介绍电子元器件的发展趋势和未来展望时,让我看到了一个充满活力的电子世界。书中并没有仅仅停留在介绍现有的元器件,而是着眼于未来,探讨了电子技术的发展方向。我特别感兴趣的是书中关于微型化、智能化和绿色化的讨论。微型化方面,书中介绍了纳米电子学、单电子器件等前沿研究,预示着未来的电子元器件将更加微小,集成度也将达到前所未有的高度。智能化方面,书中探讨了人工智能在电子元器件设计和应用中的潜力,以及如何让电子元器件具备更强的自适应和自学习能力。绿色化方面,书中强调了环保材料、低功耗设计以及可回收利用的电子元器件的重要性,这让我看到了电子技术在可持续发展中的责任。另外,书中还提及了一些新兴的电子应用领域,比如柔性电子、可穿戴设备、物联网等,并分析了这些领域对电子元器件提出的新要求和带来的新机遇。通过这本书,我感觉自己像是窥见了电子技术的“未来图景”,对这个日新月异的领域充满了好奇和期待。

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这本书在电子材料的介绍上,同样做得非常出色,它成功地将原本可能枯燥的材料科学,转化成了理解电子元器件性能的关键。我之前只知道金属、绝缘体、半导体这几个大类,但这本书详细阐述了不同材料的微观结构、电子特性以及它们在不同电子元器件中的具体应用。例如,在介绍电阻材料时,书中不仅谈到了碳、金属合金等,还深入探讨了它们的电阻率、温度系数,以及如何根据不同的应用需求(如高稳定性、低噪声)选择合适的材料。当我了解到氧化铝、氮化硅等绝缘材料是如何在电容、半导体器件中起到隔离和保护作用时,我才真正理解了“绝缘”这个概念的物理基础。而对于半导体材料,书中更是花了大量篇幅,从硅、锗等元素的基本性质,到掺杂技术如何改变材料的导电性能,再到 III-V 族化合物半导体(如砷化镓)在高速、高频应用中的优势,都进行了详尽的描述。让我尤其感兴趣的是,书中还提及了一些新兴的电子材料,比如导电聚合物、纳米材料等,它们展现出的独特性能和广阔的应用前景,让我对未来的电子技术发展充满了期待。这本书让我明白,电子元器件的性能,很大程度上取决于其所使用的材料,而材料科学的发展,是推动电子技术进步的基石。

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《电子元器件及其材料概论》在介绍一些特殊元器件的部分,真是让我大开眼界,我之前从未想过电子世界中竟然存在如此奇妙的器件。书中对传感器和执行器的讲解,就让我产生了浓厚的兴趣。我一直好奇手机里的陀螺仪、加速度计是如何工作的,这本书就以MEMS(微机电系统)技术为例,详细解释了它们如何通过微小的机械结构和电信号的转换,感知外部的运动变化。类似的,书中也介绍了各种类型的传感器,如温度传感器、压力传感器、光传感器等,它们是如何将物理量转化为电信号的,以及在工业自动化、智能家居等领域的广泛应用。而执行器部分,书中则介绍了如电机、电磁阀、压电陶瓷等,它们是如何将电信号转化为机械运动或其他物理效应的,这让我明白了为什么遥控器能控制家电,机器人能执行指令。另外,书中对显示器件的介绍也让我受益匪浅。从最基础的 LED、LCD,到更先进的 OLED,书中都阐述了它们的发光原理、工作方式和在各种显示设备中的应用。当我了解到不同显示技术在色彩还原度、功耗、响应速度等方面的差异时,才真正理解了为什么不同设备会有不同的显示效果。这本书让我认识到,电子技术不仅仅是电路板上的元器件组合,更是通过各种功能各异的特殊元器件,实现与现实世界的交互。

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《电子元器件及其材料概论》这本书在介绍电子元器件的封装技术时,让我大开眼界。我以前只是注意到电子产品里有各种各样的小零件,但从没仔细想过它们是如何被固定、保护和连接起来的。书中详细介绍了不同类型的封装,从最简单的直插式封装(DIP),到表面贴装封装(SMT),再到后来更加精密的BGA、QFN等,都做了详细的图示和说明。我这才明白,原来我们看到的电路板上的每一个元器件,都有一个专门的“外壳”,这个外壳不仅保护着内部脆弱的芯片,还提供了与外部电路连接的引脚。书中对封装材料的选择、封装工艺的流程,以及不同封装形式对元器件性能(如散热、电磁兼容性)的影响,都进行了深入的阐述。特别是关于表面贴装技术(SMT)的介绍,让我明白了为什么现在的电子产品可以做得越来越小巧和集成化。书中对焊接工艺的讲解,也让我对电路板的制造过程有了更直观的认识。通过这本书,我才意识到,一个看似简单的“小零件”,其背后的封装技术也是一门非常复杂的学问,它直接关系到元器件的性能、可靠性和产品的整体成本。

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我之所以对《电子元器件及其材料概论》这本书爱不释手,很大程度上是因为它在讲解半导体元器件部分时,简直像是在给我这位门外汉量身定制。书中并没有一开始就抛出复杂的能带理论或者 PN 结的形成过程,而是循序渐进,从最基础的二极管讲起。作者用非常形象的比喻,比如把二极管比作一个单向阀门,生动地解释了它为什么能够实现电流的单向导通。我印象最深刻的是关于稳压二极管的介绍,它不仅仅是告诉我们稳压二极管能提供稳定的电压,还细致地剖析了其稳压原理,以及在各种电源电路中的具体应用。紧接着,书中又将目光聚焦在更为复杂的晶体管上。三极管的放大作用,我之前在一些科普文章中有所了解,但这本书真正让我明白了它是如何通过基极电流的微小变化来控制集电极电流的大变化,从而实现信号的放大。书中对不同类型的三极管(NPN 和 PNP)以及不同工作区域(放大区、饱和区、截止区)的讲解,都清晰明了,配合图示,让人一目了然。更让我惊喜的是,书中还对场效应管(FET)进行了深入的介绍,讲解了其与双极型三极管在工作原理上的根本区别,以及它在高输入阻抗、低噪声等方面的优势。读到这里,我才恍然大悟,原来我们生活中随处可见的电子设备,其核心功能很大程度上都依赖于这些微小而强大的半导体器件。

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这本书在探讨电子元器件的测试与测量方法时,提供了非常实用的视角。我以前只是模糊地知道,电子产品需要经过测试才能出厂,但具体如何测试,则一无所知。《电子元器件及其材料概论》书中,详细介绍了各种电子元器件的常用测试仪器和测量方法。例如,对于电阻,书中介绍了如何使用万用表测量其阻值,以及如何使用LCR测试仪测量其精度和温度特性。对于电容和电感,书中也详细讲解了如何测量它们的容值/感值、损耗角正切、等效串联电阻(ESR)等关键参数。特别是对于半导体器件,书中介绍了如何使用半导体参数测试仪来测量其电压-电流特性曲线,从而判断其性能是否合格。书中还提到了诸如示波器、信号发生器等通用测试仪器,以及它们在电路调试和信号分析中的重要作用。让我印象深刻的是,书中还讲解了一些基础的测试理念,比如如何正确连接测试线,如何避免引入测量误差,以及如何根据实际应用场景选择合适的测试方法。这种实践性的指导,让我感觉自己不仅仅是在学习理论,更是在学习如何去“验证”这些理论。

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这本书在探讨电子元器件的可靠性与失效分析方面,给我留下了深刻的印象。我之前总觉得电子产品坏了就是坏了,没去深究背后的原因。但《电子元器件及其材料概论》这本书,将可靠性这个概念提升到了一个非常重要的位置,并详细介绍了电子元器件在长期使用过程中可能遇到的各种问题。书中对温湿度、振动、电应力等环境因素对元器件寿命的影响进行了分析,让我明白了为什么有些电子产品容易在潮湿环境下损坏,或者在高温环境下性能下降。更让我感到启发的是,书中对几种常见的元器件失效模式的分析,比如电容的漏电、晶体管的击穿、焊接点的开路或短路等,都提供了非常具体的案例和原因解释。我特别喜欢书中关于失效机理的探讨,它不仅仅是告诉你“坏了”,而是试图解释“为什么会坏”,比如材料的老化、内部结构的破坏、外部应力的作用等等。这种深入的分析,让我对接下来的电子产品设计和选型有了更审慎的态度,也让我明白了为什么在一些关键应用领域,对元器件的可靠性有着极其严苛的要求。这本书让我明白,电子产品的生命周期,不仅仅是其设计和制造,更包括其长期的稳定运行能力。

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《电子元器件及其材料概论》在介绍集成电路部分的内容,对我来说,简直就是开启了一个全新的世界。我一直觉得集成电路是一种非常神秘的东西,一个小小的芯片里竟然包含了无数个元器件,它是如何实现的?这本书给出了非常详细的答案。书中从最简单的逻辑门电路开始,如与门、或门、非门,非常直观地解释了它们的功能和基本构造,让我明白了数字电路的基本构成单元。然后,作者逐渐深入,介绍了组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计思路,特别是触发器、计数器、移位寄存器这些基本的功能模块,书中都用清晰的图示和文字进行了阐述。让我印象深刻的是,书中并没有止步于理论,而是结合实际的集成电路制造工艺,简要介绍了光刻、刻蚀、掺杂等过程,虽然不是非常深入,但足以让我对这些微观世界的制造奇迹有所了解。当我看到书中关于微处理器、存储器(RAM、ROM)的基本原理和结构介绍时,感觉像是看到了电子设备的大脑和记忆。特别是对存储器部分,书中不仅仅是讲解了它们的功能,还提及了不同存储技术的特点和优缺点,比如 SRAM 和 DRAM 的区别,闪存的工作原理等等。这本书让我意识到,我们每天使用的电脑、手机,其背后都蕴含着如此复杂而精密的集成电路技术,而这一切,都建立在对基础元器件深刻理解之上。

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这本书真是让我大开眼界,虽然我一直对电子产品充满好奇,但深究其内部构造时,总是感到一头雾水。拿到《电子元器件及其材料概论》后,我原本以为会是一本枯燥乏味的教科书,没想到它竟然以一种非常接地气的方式,将复杂的电子世界展现在我眼前。书中开篇就深入浅出地介绍了电阻、电容、电感这三大基本元器件,不再是冷冰冰的公式和定义,而是从它们在电路中的作用、工作原理,甚至到不同种类、不同封装形式的细微差别都做了详尽的阐述。我特别喜欢它关于电阻部分的讲解,不仅仅是 Ohm 定律,还谈到了不同材料的电阻率差异,以及它们如何影响电路的性能和功耗。当我了解到碳膜电阻、金属膜电阻、精密电阻甚至功率电阻各自的特点和应用场景时,才真正理解了为什么同一个电路,不同的电阻选择会带来天壤之别。而电容部分,作者也花了大量的篇幅去解析其充放电特性、频率响应以及在滤波、耦合、旁路等方面的巧妙运用。我以前总觉得电容只是个简单的储能元件,现在才知道它在电路设计中扮演着如此关键的角色。至于电感,书中也详细介绍了其储能原理、自感互感以及在振荡电路、滤波电路中的应用,甚至还提及了电感器的铁芯材料选择对性能的影响。这些基础知识的梳理,让我对电子元器件的认识从“是什么”上升到了“为什么”和“怎么用”,为我后续深入学习打下了坚实的基础。

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