半导体的应用

半导体的应用, 半导体有哪些常见的应用

半导体一般指矽晶体,它的导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体是指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料。按内部电子结构区分，半导体与绝缘体相似，它们所含的价电子数恰好能填满价带，并由禁带和上面的导带隔开。半导体与绝缘体的区别是禁带较窄，在2～3电子伏以下。

典型的半导体是以共价键结合为主的，比如晶体矽和锗。半导体靠导带中的电子或价带中的空穴导电。它的导电性一般通过掺入杂质原子取代原来的原子来控制。掺入的原子如果比原来的原子多一个价电子，则产生电子导电；如果掺入的杂质原子比原来的原子少一个价电子，则产生空穴导电。

半导体的应用十分广泛，主要是制成有特殊功能的元器件，如电晶体、积体电路、整流器、镭射器以及各种光电探测器件、微波器件等。

半导体的应用的问题

1楼2楼耸人听闻，哪有那么严重。在半导体材料投入使用以前二战都已经结束了，大量采用电子管的电器装置已经投入民用。众所周知的事实是前苏联半导体材料发展极度落后，无论米格-25歼击机还是联盟号宇宙飞船都还使用着电子管装置，直到九十年代以后俄罗斯才逐步跟上来。

对日常生活的影响，简单地说——

一切使用微控制器也就是所谓“电脑板”的电器都重归机械控制；

不会出现微型计算机，只有巨型机/大型机/小型机，即便有了个人电脑也要衣柜那么大个，耗电量惊人，绝对奢侈品，笔记本就更不用说了；

没有微机当然更没有游戏机了，玩魂斗罗超级玛丽警察抓小偷永远是幻想；

收音机最小也要新华词典那么大，注意：是辞典不是字典；

电视机仍然是阴极射线管的，因为根本生产不出液晶板，不过幸好还能看到彩电；

微波炉可能要洗碗柜那么大吧？因为电子管是很占体积的；

洗衣机是半自动型的，使用机械定时器——微波炉也是。

冰箱一定是外形大大，立升小小，噪音隆隆，前苏联就有那种玩意的实物；

照相机继续用胶卷的，什么数码DC/DV统统不存在；

摄像机会相当笨重，只能用录影带；

您好！这里是邮电局，打电话请用拨盘拨号，如需拨往外地请让我为您转接……呃，这位同志，程控交换机是什么东西？——某人工接线员；

不存在什么VCD、DVD，录影机/放像机也不太会普及——太大、太贵；

没有了微型计算机你会感觉到练得一笔好字的必要性；

飞机导d卫星飞船空间站照样满天飞，战舰航母潜艇坦克照样满世界溜达；

网际网路可能会有，但那将是各国官方、军方和科研机构御用的玩意，跟咱老百姓没啥关系；

……能想起来的差不多都写上了。

半导体的应用，最好说详细点。

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和储存器（RAM），它们是以大规模积体电路为基础建造起来的，而这些积体电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能，是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换，常常需要将各种形式的资讯，如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等，一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积，资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极体显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难，目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器（PDP）和发光二极体（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速资讯流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样，以计算机系统储存为例，储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快，因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器（DRAM）为主，256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式，磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体（闪）储存器（flash memory）是不挥发可擦写的储存器，是基于半导体二极体的积体电路，比较紧凑和坚固，可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

半导体的具体应用

最常见的：半导体收音机、掌上计算器、电脑内的主机板显示卡等硬体都要用道半导体、电视机里的部件也要用半导体晶片、手机内部的部件、汽车内也要用到的一些部件。目前大部分将用电器都要用到数字晶片，而不是模拟的（DSP），这些晶片说白了就是用半导体做成的。

半导体镭射器的应用

半导体二极体镭射器在镭射通讯、光储存、光陀螺、镭射列印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用

还可以作为固体镭射器的泵浦源，安防领域照明光源，现在应用的领域非常广了

半导体的三个广泛应用：

一、在无线电收音机（Radio）及电视机（Television）中，作为“讯号放大器/整流器”用。

二、近来发展太阳能（Solar Power），也用在光电池（Solar Cell）中。

三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，解析度可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是价效比极高的一种测温元件。

参考百度百科，仅供参考！

半导体在生活中的应用

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和储存器（RAM），它们是以大规模积体电路为基础建造起来的，而这些积体电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能，是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换，常常需要将各种形式的资讯，如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等，一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积，资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极体显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难，目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器（PDP）和发光二极体（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速资讯流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样，以计算机系统储存为例，储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快，因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器（DRAM）为主，256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式，磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体（闪）储存器（flash memory）是不挥发可擦写的储存器，是基于半导体二极体的积体电路，比较紧凑和坚固，可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

声视领域内镭射唱片和镭射唱机的兴起，得益于光储存技术的巨大发展，光碟存贮是通过调制镭射束以光点的形式把资讯编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁储存技术相比，光碟储存技术具有储存容量大、储存寿命长；非接触式读/写和擦，光头不会磨损或划伤盘面，因此光碟系统可靠，可以自由更换；经多次读写载噪比（CNR）不降低。光碟储存技术经过CD（Compact Disk）、DVD（Digital Versatile Disk）发展到将来的高密度DVD（HD-DVD）、超高密度DVD（SHD-DVD）过程中，储存介质材料是关键，一次写入的光碟材料以烧蚀型（Tc合金薄膜，Se-Tc非晶薄膜等）和相变型（Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料）为主，可擦重写光碟材料以磁光型（GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜）为主。光碟储存的密度取决于镭射管的波长，DVD盘使用的InGaAlP红色镭射管（波长650nm）时，直径12cm的盘每面储存为4.7千兆位元组（GB），而使用ZnSe（波长515nm）可达12GB，将来采用GaN镭射管（波长410nm），储存密度可达18GB。要读写光盘里的资讯，必须采用高功率半导体镭射器，所用的镭射二极体采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。

镭射器除了在光碟储存应用之外，在光通讯中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体镭射器，使光纤通讯成为现实。光通讯就是由电讯号通过半导体镭射器变为光讯号，而后通过光导纤维作长距离传输，最后再由光讯号变为电讯号为人接收。光纤所传输的光讯号是由镭射器发出的，常用的为半导体镭射器，所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维，光通讯也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通讯的关键材料，目前所用的光学纤维感测材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等，1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通讯的出现是资讯传输的一场革命，资讯容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强，是光纤通讯的优点。光纤通讯的高速发展为现代资讯高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。

除了有线传播外，资讯的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是行动电话。行动电话的使用者愈多，所使用的频率愈高，现在正向千兆周的频率过渡，电话机的微波发射与接收亦是靠半导体电晶体来实现，其中部分Si电晶体正在被GaAs电晶体所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）及体声波BAW（Bulk Surface Acoustic Wave）器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2（Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd）体系、复合钙钛矿A（B1/3B￠2/3）O3体系（A=Ba,Sr；B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn；B￠=Nb,Ta）和铅基复合钙钛矿体系等材料上。

随着智慧化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑PDA、膝上型电脑和其它行动式资讯及通讯装置的迅速普及，进一步带动了温度感测器和热敏电阻的大量需求，负温度系数（NTC）热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成，其阻值随温度的升高呈指数型下降，阻值-温度系数一般在百分之几，这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数（PTC）热敏电阻一般都是由BaTiO3材料新增少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的，这种材料在温度上升到居里温度点时，其阻值会以指数形式陡然增加，通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器（LCD）影象对比度调节、蜂窝式电话和移动通讯系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中，来进行温度补偿，以保证器件效能稳定；此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、印表机的列印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中，发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止膝上型电脑常效应管（FET）的热击穿等。

为了保证资讯执行的通畅，还有许多材料在默默地作著贡献，例如，用于制作绿色电池的材料有：镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料；行动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD装置和游戏机等数字音/视讯装置等中钽电容器所用材料；现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途；印刷电路板（PCB）及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板（CCL）用材料；环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和积体电路晶片的封装材料；积体电路用关键结构与工艺辅助材料（高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等），不一而足，这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料，正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。

随着科技的发展，大规模积体电路将迎来深亚微米（0.1mm）矽微电子技术时代，小于0.1mm的线条就属于奈米范畴，它的线宽就已与电子的德布罗意数相近，电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性，因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题，导致常说的矽微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多，光的频率比无线电的频率高得多，为提高传输速度和载波密度，资讯的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种镭射晶体和光电子材料，如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等，所有这些材料将为以光通讯、光储存、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着资讯材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展，将会出现单电子储存器、奈米晶片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等奈米电脑，将会极大地影响着人类的数字生活。

本世纪以来，以数字化通讯（Digital Communication）、数字化交换（Digital Switching）、数字化处理（Digital Processing）技术为主的数字化生活（Digital Life）正在向我们招手，一步步地向我们走来——清晨，MP3音箱播放出悦耳的晨曲，催我们按时起床；上班途中，开启随身携带的膝上型电脑，进行新一天的工作安排；上班以后，通过网际网路召开网路会议、开展远端教学和实时办公；在下班之前，我们远端启动家里的空调和溼度调节器，保证家中室温适宜；下班途中，开启手机，悠然自在观看精彩的影视节目；进家门前，我们接收网上订购的货物；回到家中，和有线电视台进行互动，观看和下载喜欢的影视节目和歌曲，制作多媒体，也可进入社群网际网路，上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙？似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边，随着新一代家用电脑和网际网路的出现，如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时，饮水思源，请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界！

电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动力矩，作为用电器或小型机械的动力源。

本文介绍的电动机为家用电器或电子产品中使用的小功率电动机，即所谓的微电机。

（一）电动机的种类

电动机有多种类型。

1．按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2．按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

3．按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。

4．按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

5．按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6．按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

（二）直流电动机

直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表动玩具等。

1．电磁式直流电动机 电磁式直流电动机由定子磁极、转子（电枢）、换向器（俗称整流子）、电刷、机壳、轴承等构成，

电磁式直流电动机的定子磁极（主磁极）由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁（旧标准称为激磁）方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通（由定子磁极的励磁线圈通电后产生）的规律也不同。

串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高（一般不允许其在空载下运行）。可通过用外用电阻器与串励绕组串联（或并联）、或将串励绕组并联换接来实现调速。

并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5%~15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。

他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%~15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。

复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组（其匝数较少）。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为25%~30%（与串联绕组有关）。转速可通过消弱磁场强度来调整。

换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。

电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。

转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联接后，再分别与12片换向片连接。

2．永磁式直流电动机

永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成，

定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。图18-12是两种永磁体的磁路示意图。

转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。漆包线绕在转子铁心的两槽之间（三槽即有三个绕组），其各接头分别焊在换各器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。

3．无刷直流电动机 无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成，如图18-13所示。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

（三）交流异步电动机

交流异步电动机是领先交流电压运行的电动机，广泛应用于电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、油烟机、洗碗机、电动缝纫机、食品加工机等家用电器及各种电动工具、小型机电设备中。

交流电异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为单相异步电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

1．单相异步电动机 单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。

定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两套空间互隔900电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。

转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。

单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机，图18-14是几种单相异步电动机的电原理线路。

2．三相异步电动机 三相异步电动机的结构与单相异步电动机相似，其定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构）。定子绕组成接入三相交流电源后，绕组电流产生的旋转磁场，在转子导体中产生感应电流，转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下，又产生电磁转柜（即异步转柜），使电动机旋转。

3．罩极式电动机 罩极式电动机是单向交流电动机中最简单的一种，通常采用笼型斜槽铸铝转子。它根据定子外形结构的不同，又分为凸极式罩极电动机隐极式罩极电动机。

凸极式罩极电动机的定子铁心外形为方形、矩形或圆形的磁场框架，磁极凸出，每个磁极上均有1个或多个起辅助作用的短路铜环，即罩极绕组。凸极磁极上的集中绕组作为主绕组。

隐极式罩极电动机的定子铁心与普通单相电动机的铁心相同，其定子绕组采用分布绕组，主绕组分布于定子槽内，罩极绕组不用短路铜环，而是用较粗的漆包线绕成分布绕组（串联后自行短路）嵌装在定子槽中（约为总槽数的1/3），起辅助组的作用。主绕组与罩极绕组在空间相距一定的角度。

当罩极电动机的主绕组通电后，罩极绕组也会产生感应电流，使定子磁极被罩极绕组罩住部分的磁通与未罩部分向被罩部分的方向旋转。

34．单相串励电动机 单相串励电动机的定子由凸极铁心和励磁绕组组成，转子由隐极铁心、电枢绕组、换向器及转轴等组成。励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器形成串联回路。图18-16是单向串励电动机的结构。

单相串励电动机属于交、直流两用电动机，它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流电源工作。

（四）交流同步电动机

交流同步电动机是一种恒速驱动电动机，其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系，被广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备、纺织机械等。

1．永磁同步电动机 永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。

当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。

磁阻同步电动机 磁阻同步电动机也称反应式同步电动机，是利用转子交轴和直轴磁阻不等而产生磁阻转矩的同步电动机，其定子与异步电动机的定子结构类似，只是转子结构不同。

磁阻同步电动机是同笼型异步电动机演变来的，为了使电动机能产生异步起动转矩，转子还设有笼型铸铝绕阻。转子上开设有与定子极数相对应的反应槽（仅有凸极部分的作用，无励磁绕组和永久磁铁），用来产生磁阻同步转矩。根据转子上反应槽的结构的不同，可分为内反应式转子、外反应式转子和内外反应式转子，其中，外反应式转子反应槽开地转子外圆，使其直轴与交轴方向气隙不等。内反应式转子的内部开有沟槽，使交轴方向磁通受阻，磁阻加大。内外反应式转子结合以上两种转子的结构特点，直轴与交轴差别较大，使电动机的力能较大。磁阻同步电动机也分为单相电容运转式、单相电容起动式、单相双值电容式等多种类型。

3．磁滞同步电动机 磁滞同步电动机是利用磁滞材料产生磁滞转矩而工作的同步电动机。它分为内转子式磁滞同步电动机、外转子式磁滞同步电动机和单相罩极式磁滞同步电动机。

内转子式磁滞同步电动机的转子结构为隐极式，外观为光滑的圆柱体，转子上无绕组，但铁心外圆上有用磁滞材料制成的环状有效层。

定子绕组接通电源后，产生的旋转磁场使磁滞转子产生异步转矩而起动旋转，随后自行牵入同步运转状态。在电动机异步运行时，定子旋转磁场以转差频率反复地磁化转子；在同步运行时，转子上的磁滞材料被磁化而出现了永磁磁极，从而产生同步转矩。

今天在网上看到一篇文章，把国内MEMS发展现状总结了一下。个人感觉他总结的比较全面，但是具体对不对，有没有参考价值，我就真不太知道了。

1、国内MEMS界的第一牛人当数复旦大学的鲍敏杭鲍老师。鲍老师做传感器做了十多年了，有深厚的理论基础和实际经验，目前是S&A和 JMM两本杂志的refree吧，不知道是不是JMEMS的refree。印象中记得好像当过MEMS conference的审委。复旦现在是国内压阻方面的大拿，出了很多压阻方面的人才。想想复旦的条件和他们做的成果，很是让人佩服。

2、国内目前（MEMS）工艺条件最好的当数北大，尤其是深槽刻蚀技术，已经张大成老师摸的很透彻，是世界水平。但是别的就一般了。北大的几样法宝：深槽刻蚀机，双面光刻机，和一套键和设备。目前已经开发出国内很流行的两套体硅工艺和一套单层多晶硅的表面硅工艺。但是北大做MEMS比较晚，97年才开始做 MEMS。所以基础还比较薄弱，没有深厚的功底。北大目前在MEMS CAD方面也做了很多的工作，主要是973项目的任务。但是它的主要优势还是在加工工艺上。

3、清华做MEMS的有微所和精仪的两拨人，都做的不错。清华微所和东南大学是国内最早做MEMS的单位之二，所以基础比较雄厚。但是清华的硬件设施很好，所以也就能做出一些比较好的东西。象 Microphone发表在JMEMS上，据我所知那是大陆唯一一篇发表在JMEMS上的文章。清华的主要目标好像是系统集成方面，在这方面投入的精力比较多。虽然清华微所没有专门的mems工艺线，但是清华微所的IC工艺线就是国外的大学也羡慕不已。所以清华微所有深厚的根基，良好的设备，充足的人才，前途远大。至于清华精仪系，周兆英老师做的微泵也很厉害，发表在MEMS Conference上。另外精仪系在测试方面也很有一套。也属于很牛的级别。

补充一下，清华的高钟毓老师也是很牛的，这篇文章里面没有提。我的导师曾经带领我们去高老师那里参观过。高老师是一个很谦虚的人，我的论文评阅人就包括高老师。

4、上海冶金研究所和北大一样，都是MEMS方面的暴发户，尤其抱上了江公子这条粗腿，近来在国内要风有风，要雨有雨，很是让人嫉妒。目前该所在 MEMS方面发展飞快，也有一定的加工能力，测试也搞的不错。将来有可能成为国内MEMS的第一牛。因为有钱，就买的起设备，加上冶金所本来做IC的基础，和充足的人才，我估计他以后会很牛的。

5、交大从一开始就比较悲惨，选了LIGA做研究方向，注定了他的坎坷命运。我去过他们的实验室，条件不是很好。不过他们的陈笛老师还是想了很多办法，也做了很多事情。但是我不看好交大，我认为他们的LIGA做不下去，他们可能会向别的方面转移。

6、该说说东南了。东南大学是国内最早做MEMS的单位之一。想必大家都知道黄庆安老师的小黄书了，到目前为止还是国内最好的MEMS中文参考书。据说当年黄老师贴了1万元出版此书。不能不说黄老师是国内MEMS的先驱。但是东南大学没有资金，这也是东南一直也没有在MEMS方面发展的很壮大的原因。据说，东南现在把重点放到了不太耗资金的MEMS CAD方面。不能不说黄老师眼光独具。

7、说了东南，再说说西安交大。西安交大也有在做MEMS的，做的也比较早，但是一直也没有做起来。我只知道他们在压电方面做过一些不错的东西。

8、再说说别的学校。哈工大也在做MEMS，但是给我印象比较深的是他们在电化学腐蚀方面好像在国内比较领先，别的没有什么很深的印象。中科大也在做 MEMS，但是我对它一点也不了解。另外还有很多学校在做MEMS，北理工，北工大，华南理工等等，但是都不是很成气候。好像北理工在军事方面说话比较有份量。以前的电子工业部的几个所也在做MEMS，做的最好的就是13所，有一定的加工能力。比较有名的就是做的那个热对流式的加速度计，虽然没有什么新意，但是据说比加拿大做的好。也是目前为止好像国内MEMS器件里离市场最近的。另外，24所也在做集成式的电容器件，目前还没有令人鼓舞的消息，24所的优势在于他的电路优势。26所的压电研究是国内一流的。长春光机所也在做MEMS的一些东西，不过不是很清楚。中科院声学所和电子所也开始MEMS了，他们买了键和设备，而且电子所本来就有一个气体传感器的国家重点实验室，加上升学所在SAW方面的实力，他们在SAW传感器和超声喷墨打印头上会有所突破。他们好像还做场发射的东西，这个东西北理工和光机所都在做。

未来趋势：两大基地，上海和北京。上海冶金所是上海的加工基地，以此为依托，复旦，交大，东南会围绕上海冶金所做一些东西。北京也许会崛起两个MEMS工艺线，北大和清华。不过我觉得北大还是最有可能成为国内的MEMS foundry的。

将来的综合实力将是清华和冶金所最牛，北大的加工能力最牛，复旦的理论最牛，东南也是实力派。别的单位就要差一点了。将来国内的标准MEMS工艺肯定会有深槽刻蚀的一席之地，这也是国内工艺水平中唯一一个可以在世界上说说话得东西。

中国的一些公司和研究机构多年前便已开始MEMS技术研究并重视其巨大的市场。中国科学工作者在MEMS技术的研究和推广上也取得了相当大的成就。据有关资料介绍， "九五"期间，通过微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞机和微型陀螺等研究，中国科学家提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学。他们发现：有的宏观脆性材料在纳米尺度时具有很强的塑性；流体在微管流动中，液体的表面张力和对管壁的附着力已不可忽略；在纳米加工及其表面质量分析中，必须考虑原子间的结合力及量子效应。中国科学家还创造性地发展了微细电火花加工、三维半导体加工和深层刻蚀（LIGA）等微细加工工艺，以及扫描遂道、原子力显微镜等纳米测量技术，部分成果已达到国际先进水平。此外，MEMS技术已开始在中国的社会生活中发挥作用，如微 *** 作机器人已开始用于生物工程中的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造工艺中；微传感器已经用于飞行器的加速度、压力等参数的实时测量；纳米薄膜润滑技术已用于"长征三号"火箭和计算机硬盘的制造工艺上。

MEMS技术的研究涉及微电子、材料、物理(力学及流体力学等）、化学、生物、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、原子、表面等物理学的各分支，乃至化学、生物、医学和仪器等各领域，学科交叉很强，研究难度较大。尽管MEMS技术有微电子技术支撑，但它必须进行微机械所特有的三维加工，而且要求与集成电路工艺兼容，要完全解决好这一问题也有一定的难度。此外， MEMS器件及系统的设计加工与传统的设计加工不同。传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法。 MEMS系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。因此要采用新观念，站在系统高度来设计加工。由于这些困难的存在，研究人员及设计生产商都非常需要一个功能强大易于使用的MEMS计算机软件工具。

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