Ю.П. Демаков

Лекции

по физическим

основам электроники

Ю. П. ДЕМАКОВ

Лекции

по физическим

основам электроники

Ижевск: Издательство ИжГТУ 2008

УДК 621.396.002.3(075)

Д30

Рецензенты:

Кафедра "Материалы и элементы радиоэлектронной аппаратуры" Воронежского государственного технического университета (зав. кафедрой доктор техн. наук проф. Ю.С. Балашов), доктор техн. наук, проф. Г.И. Щербаков (Казанский государственный технический университет (КАИ))

Демаков Ю. П.

Д30

Лекции по физическим основам электроники: Учебное пособие для вузов.– Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – 323 с.: ил. ISBN - В книге излагаются сведения о физических эффектах и процессах, лежащих в основе действия полупроводниковых, электровакуумных и оптоэлектронных приборов.Рассматриваются вопросы статистики носителей заряда в полупроводниках, кинетика носителей заряда в полупроводниках и токи, контактные явления в полупроводниках, фотоэлектрические, термоэлектрические и гальваномагнитные явления, физические основы электровакуумных и газоразрядных приборов. Рассмотрены принципы нанотехники – актуального направления современной электронной техники. Книга служит учебным пособием для студентов, обучающихся по направлениям "Телекоммуникации" и "Радиотехника". Она может быть полезна студентам других радиотехнических и приборостроительных специальностей, а также преподавателям, ведущим занятия по соответствующим дисциплинам.



 Демаков Ю. П. , 2008

 Издательство ИжГТУ, 2008

Предисловие

(роль физических основ электроники в развитии полупроводниковых приборов, микроэлектроники, электровакуумных и газоразрядных приборов, электронно-лучевых и индикаторных приборов)

Современная электроника – это наука, занимающаяся исследованием, разработкой и изготовлением различных электронных приборов. Смысловое содержание электроники отражается понятием твердотельная электроника. Согласно общим представлениям структура вещества применительно к твердому телу состоит из двух подсистем. Первая подсистема служит основой, состоящей из атомов или ионов, между расположением которых существует дальний или ближний порядок. Вторая подсистема – это электронная подсистемы, представляющая совокупность валентных электронов и электронов проводимости. Строение электронной подсистемы определяет электрические, магнитные, оптические, механические свойства твердого тела.

Физические основы электроники – это раздел твердотельной электроники, в котором изучаются физические свойства электронной подсистемы полупроводников и других материалов.

В основу физических основ электроники положены свойства носителя информационного сигнала, которым можно считать электрон. Электрон является наименьшим материальным носителем электрического заряда, обладает собственным механическим и магнитным моментом, характеризуется большим временем жизни, достаточно легко выводится из твердого тела, может группироваться в потоки. В последние годы используются не только свойства электрона как частицы, но и свойства электрона как волны. Свойства электрона как волны используются в наноэлектронике.

Вначале использование свободных электронов как носителей информационного сигнала легло в основу вакуумной электроники и созданию класса электровакуумных приборов. Исследования процессов ионизации газов с помощью электронов привело к становлению плазменной электроники и формированию класса ионных или плазменных приборов.

Становление и развитие физики твердого тела позволило сформулировать условия использования свободных электронов и квазичастиц в твердом теле для создания твердотельных электронных приборов. На основе твердотельной электроники сформировались полупроводниковая электроника и микроэлектроника (интегральная электроника).

Исследование процессов вынужденного излучения привело к формированию и становлению новой области электроники – квантовой электроники. В её основе лежат свойства связанных в атоме электронов, их коллективные взаимодействия с веществом и излучением.

К сказанному следует добавить, что процессы изготовления твердотельных электронных приборов – это совокупность высоких технологий, включающих в себя вакуумную технику, получение новых материалов, технологические процессы создания статических неоднородностей в приповерхностном слое и объеме полупроводниковых и диэлектрических подложек. Такие процессы составляют основу интегральной технологии, включающей литографию, легирование, нанесение тонких поверхностных пленок, травление и множество других технологических процессов и операций, которые не вошли в содержание книги.

При разработке курса лекций по дисциплине «Физические основы электроники» (ФОЭ) автор руководствовался требованиями образовательной программы по направлению подготовки «Телекоммуникации». В основу этой книги положен конспект семестрового курса лекций, прочитанных для студентов второго курса. Лекции представляют обзор литературы [1-8], а также сведений, почерпнутых из поисковых систем Интернета, и отражают позицию автора в подборе и в необходимости создания некоторой «избыточности» изучаемого материала. Изучение материалов, представленных в курсе лекций, позволит читателю более детально ознакомиться с современным уровнем развития физических основ полупроводниковой электроники, изучить физические процессы образования свободных носителей тока в полупроводниках, процессы, происходящие на границе двух полупроводников, на границе металл-полупроводник, на границе диэлектрик – полупроводник, изучить электрические параметры и характеристики электрических контактов и структур, лежащих в основе полупроводниковой и электровакуумной электроники. Естественно, что книга адресована, в первую очередь, студентам, изучающим данную дисциплину.

Книга состоит из девяти глав. В первой главе излагаются основные представления полупроводникового материаловедения – виды химических связей, структура кристаллов, элементы квантовой теории вещества, классификация полупроводниковых материалов. На основе этих представлений базируется изложение дальнейшего содержания книги. В последующих главах рассматриваются вопросы статистики и кинетики носителей заряда и токи в полупроводниках, контактные явления в полупроводниках, фотоэлектрические явления, термоэлектрические и гальваномагнитные явления, физические основы электровакуумных и газоразрядных приборов. С учетом современных тенденций в заключительной, девятой главе приведены основные представления о квантово-размерных структурах и рассмотрены принципы наноэлектроники и нанотехники – актуального направления современной электронной техники. В подзаголовки глав включены основные дидактические элементы, представленные в образовательной программе по дисциплине ФОЭ для направления подготовки «Телекоммуникации». Для более глубокого усвоения изучаемого учебного материала каждая глава дополнена перечнем контрольных вопросов и упражнений, которые предлагается выполнить изучающим курс.

Отзывы и предложения по улучшению книги следует направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, Издательство ИжГТУ.

Г Л А В А 1