Оглавление

Введение 2

развитие электроники, с другой стороны, вооружает все направле­ния науки и отраслей промышленности качественно новыми мето­дами и средствами исследований и технологий. 2

ЧАСТЬ I 3

ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 3

ГЛАВА 1 3

МОДЕЛЬ ПРИБОРА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 3

1.1. Ансамбль свободных электронов 3

1.2. Эмиттер 4

^f = °; ^f=0; = d/² dr² dr 8

d ²z r- j-r 8

Глава 2 16

ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 16

2.1. Электронные лампы 17

ЕйН В , ■ ■ 25

ГЛАВА 3 ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 31

ГЛАВА 4 36

ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 36

ЧАСТЬ II 39

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 39

Глава 5 39

ПОЛУПРОВОДНИКИ - ОСНОВА ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ 39

ЭЛЕКТРОНИКИ 39

Глава 6 48

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 48

ЧАСТЬ III МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 61

ГЛАВА 7 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 61

ГЛАВА 8 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 75

РШп _ РШ, 85

гП 96

ЧАСТЬ IV 100

КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 100

ГЛАВА 9 КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 100

ГЛАВА 10 ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 114

ЧАСТЬ I 3

ГЛАВА 1 МОДЕЛЬ ПРИБОРА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 3

ГЛАВА 2 ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 16

ГЛАВА 3 ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 31

ГЛАВА 4 ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 36

ЧАСТЬ II ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 39

ГЛАВА 5 ПОЛУПРОВОДНИКИ - ОСНОВА ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 39

ГЛАВА 6 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 49

ЧАСТЬ III МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 63

ГЛАВА 7 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 63

ГЛАВА 8 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 79

ЧАСТЬ IV КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 109

ГЛАВА 9 КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 109

ГЛАВА 10 ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 125

Введение

Радиотехника — наука о электромагнитных колебаниях и вол­нах в радиодиапазоне частот, о методах их генерации, излучения, усиления и приема, а также о их использовании. Радиотехнические методы легли в основу отрасли техники, осуществляющей создание устройств для передачи информации в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, космической связи, телевизионном вещании. Ра­диотехнические методы и устройства применяют в промышленной электронике, радиофизике, вычислительной технике, метрологии, автоматике, астрономии, медицине и многих других отраслях.

Передача и прием информации осуществляют с помощью элек­тромагнитных колебаний — радиоволн. В радиотехнике используют радиоволны, лежащие в спектре частот от единиц герц до терагерц (табл. В.1). Проблемы генерации радиоволн в нужном диапазоне, формирование на их основе информационных сигналов, их рас­пространение, прием и обработка решают методами радиофизики и радиотехники.

В основе всех радиотехнических устройств лежат электронные приборы. Электроника — наука о законах взаимодействия электро­нов и других заряженных частиц с электромагнитными полями в вакууме и газе, твердом теле, плазме, а также о методах создания электронных приборов, используемых для преобразования элек­тромагнитной энергии, т.е. для обработки, хранения и передачи информации. Началась радиотехника с электронных приборов — когерера, кристадина Лосева. Затем были диоды Флеминга, аудион Ли де Фореста, лампы Папалекси, Бонч-Бруевича...

На протяжении более чем вековой истории радиотехника ста­вит перед электроникой задачи по созданию все более эффектив­ных приборов, а электроника эти задачи успешно решает. С другой стороны, радиотехнические методы и схемотехнические разработки широко используют в электронике.

Современная электроника охватывает широчайший круг науч­ных, технических, технологических и производственных проблем. Решение этих проблем, с одной стороны, стимулирует дальнейшее

развитие электроники, с другой стороны, вооружает все направле­ния науки и отраслей промышленности качественно новыми мето­дами и средствами исследований и технологий.

Таблица В.1

Волнь.	Длина волны	Полоса частот	Диапазон
Декаметровые	105...104 км	3...30 Гц	КНЧ — крайне низкие час­тоты
Мегаметровые	104...103 км	ЗО-.ЗООГц	ELF — ультра низкие час­тоты
Гектокилометровые	Ю3...102км	300...3000 Гц	VF — тональные частоты
Мириметровые	100...10 км	3...30 КГц	VLF — очень низкие час­тоты
Километровые	10...1 км	30...300 КГц	LF — низкие частоты (ДВ)
Гектометровые	1000...Юм	300...3000 КГц	MF — средние частоты( СВ)
Декаметровые	100...Юм	3...30 МГц	HF — высокие частоты (КВ)
Метровые	10...1 м	30...300 МГц	VHF — очень высокие час­тоты (УКВ)
Дециметровые	100...10 см	300...3000 МГц	UHF — ультра высокие час­тоты (ДМВ)
Сантиметровые	10...1 см	20...40 ГГц	SHF — сверхвысокие час­тоты (СВЧ)
Миллиметровые	10...1 мм	40...300 ГГц	EHF — крайне высокие частоты (КВЧ)
Субмиллиметровые	1,0...0,1 мм	Выше 300 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)
Оптический диа­пазон	0,1 мм...10нм	0,3...300ТГц	Инфракрасный свет
		0,З...ЗПГц	Видимый свет
		3...30 ПГц	Ультрафиолетовый свет
Лучевое излучение	10...5- 10~3нм	30...300 ПГц	Рентгеновские лучи
		0,3...3 ЭГц	Гамма-лучи

Примечание. 1 ПГц (петагерц) =10'^s Гц; 1 ЭГц (экзагерц) = 10¹⁸ Гц.

Предметом исследований в рамках электронной техники явля­ется разработка методов создания электронных приборов, в кото­рых законы взаимодействия используют для генерации, преобразо­вания электромагнитной энергии с целью передачи, обработки и хранения информации.

Вакуумная электроника — раздел электроники, исследующий взаимодействие потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электроных приборов и устройств на основе результатов этих исследований. Приборы и устройства вакуумной электроники базируются на иссле­дованиях в областях физики и техники вакуума, на различных меха­низмах эмиссии электронов и создании электронных потоков, управ­ления и отбора энергии из электронных потоков. Приборы вакуум­ной электроники используют и для целей генерирования и преобра­зования электромагнитной энергии. Исторически вакуумная электро­ника была первой разработанной и освоенной областью электроники.

Плазменная электроника — раздел вакуумной электроники, изу­чающий процессы коллективного взаимодействия потоков заря­женных частиц с плазмой и ионизированным газом, возбуждение в системе волн и колебаний, а также использующий эти взаимодей­ствия для создания приборов и устройств.

Твердотельная электроника — раздел электроники, исследую­щий взаимодействие потоков свободных электронов и квазичастиц (дырок) с электрическими и магнитными полями в твердом теле.

Практической задачей в твердотельной электронике является создание электронных приборов и устройств для генерирования, усиления, преобразования, индикации и хранения информации. Приборы твердотельной электроники широко используют и для целей генерирования и преобразования электромагнитной энергии.

Логическим развитием твердотельной электроники стала мик­роэлектроника.

Микроэлектроника — раздел электроники, основанный на фи­зических явлениях твердотельной электроники и новых технологи­ческих процессах производства, необходимых для создания микро­электронных приборов, интегральных схем (ИС) и систем на кри­сталле. Основной тенденцией в микроэлектронике является посто­янный рост степени интеграции, прежде всего на основе миниатю­ризации твердотельных приборов.

Квантовая электроника — раздел электроники, в котором ис­следуют взаимодействие связанных электронов с электрическими полями в твердом теле, газе, плазме или жидкости, а также разра­батывают методы создания приборов и устройств.

Оптическая электроника — раздел электроники, в котором изу­чают взаимодействие электромагнитных волн оптического диапа­зона с электронами в веществе и с электрическими полями в твер­дом теле, а также разрабатывают методы создания приборов и уст­ройств. Электрическая нейтральность фотонов обеспечивает опто­электронным приборам и оптическим каналам ряд преимуществ перед электронными, среди которых невосприимчивость к внеш­нем электрическим полям.

Функциональная электроника — раздел электроники, в котором исследуют взаимодействие динамических неоднородностей различ­ной физической природы с электрическими полями в твердом теле, а также разрабатывают методы создания приборов и устройств. Ключевым понятием в функциональной электронике является дина­мическая неоднородность, которая может иметь различную физиче­скую природу. Например, в полупроводниках можно возбудить ди­намические неоднородности в виде зарядовых пакетов электронов, волны зарядовой плотности, доменов Ганна. В пьезоэлектриках воз­буждаются поверхностные акустические волны, в магнитоэлектри- ках цилиндрические магнитные домены, магнитостатические волны и т.д. Динамические неоднородности способны как переносить ин­формационные сигнала, так и хранить и преобразовывать их.

Наноэлектроника — раздел электроники, в котором изучают взаимодействие электронов, спинов электронов, волновые функ­ции электронов с электрическими полями в твердом теле, а также разрабатывают методы создания наноприборов и наноустройств. Размеры элементов приборов наноэлектроники лежат в диапазоне

1...100 нм. Процессы обработки и хранения информации в прибо­рах и устройствах наноэлектроники подчиняются законам кванто­вой физики. Это самый молодой раздел электроники и промыш­ленных приборов и устройств пока нет.

На основе достижений радиотехники и электроники родилось новое направление в науке — радиоэлектроника. Это собирательное название области науки и техники, которое объединяет научно-про­мышленный комплекс, связанный с разработкой методов и создани­ем устройств передачи, приема и преобразования информации с по­мощью электромагнитных колебаний и волн в радио- и оптическом диапазонах длин волн. Сегодня радиоэлектроника является важной составляющей научно-технического прогресса, информацион- но-управляющей базой общества. Именно информационные техно­логии определяют научно-технический и оборонный потенциал лю­бой страны. Достижения современной радиоэлектроники обязаны двум техническим революциям в середине прошлого века.

Развитие электроники позволило разработать и создать техноло­гию массового выпуска полупроводниковых интегральных схем, что позволило резко снизить массогабаритные показатели, энергопотреб­ление и повысить экономичность радиоэлектронной аппаратуры.

В радиотехнике были разработаны принципы и цифровые методы обработки информации, что позволило резко увеличить помехозащи­щенность, скорость обработки и качество информационного обеспече­ния общества. Ожидается дальнейшее взаимопроникновение идей элек­троники и радиотехники на основе развивающихся нанотехнологий.

ЧАСТЬ I

ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ГЛАВА 1

МОДЕЛЬ ПРИБОРА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Приборы вакуумной электроники можно классифицировать в зависимости от физического принципа действия, назначения и тех­нологии производства. В основу классификации может быть поло­жена модель приборов вакуумной электроники (рис. 1.1), содержа­щая пять основных элементов:

носитель информационного сигнала — ансамбль свободных электронов;

генератор или эмиттер свободных электронов; континуальную среду — вакуум для электровакуумных прибо­ров или плазму для ионных приборов;

устройство управления ансамблем электронов в континуальной среде;

детектор информационных сигналов или устройство отбора энергии от электронного потока.

При таком системном подходе необходимо исследовать ряд фундаментальных проблем, среди которых:

нн— Устройство управления

Эмиттер

Детектор

Электроны

Континуальная

среда

Рис. 1.1. Модель прибора вакуумной электроники

свойства отдельного электрона и ансамбля свободных электронов; свойства вакуумных континуальных сред, способы создания и измерения вакуума;

различные способы эмиссии свободных электронов, законы электронной эмиссии из твердого тела, формирование электрон­ных потоков;

распространение электронных потоков в вакууме, способы управления электронными потоками с помощью электрического, магнитного и скрещенных электромагнитных полей, фокусировка электронных пучков, группирование электронов;

детектирование информационных сигналов на основе взаимо­действия потока электронов с мишенями из различных по физиче­ским свойствам веществ, отбор энергии из электронных потоков.