Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009
.pdf
r r Шишкин, А. r Шишкин
Электроника
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации
по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 210300 - «Радиотехника»
МОСКВА
~
орофа
2 о о 9
УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
Ш65
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В. Н. Кулешов
(зав. каф. «Формирование колебаний и сигналов» МЭИ (ТУ)); канд. техн. наук, доц. В. Н. Павлов
(СПб. ГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина))
Шиm:кин, Г. Г.
Ш65 Электроника: учеб. для вузов/ Г. Г. Шишкин, А. Г. Шиш-
кин. - М. : Дрофа, 2009. - 703, [1] с. : ил. ISBN 978-5-358-03595-9
Учебник состоит из шести разделов и охватывает все области современ
ной электроники - физику полупроводников и электрических переходов, физические процессы, устройство и характеристики полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, фотоэлектричес ких, оптоэлектронных и электровакуумных приборов, а также такие
актуальные вопросы, как базовые элементы аналоговых и цифровых интег
ральных схем, принципы и устройства квантовой электроники, наноэлект
роники и функциональной электроники. Рассматриваются проблемы ПIУ
мов, радиационной стойкости и надежности приборов. Все главы снабжены
контрольными вопросами для повторения материала.
Для подготовки бакалавров, магистров и инженеров (специалистов) широкого профиля, обучающихся по направлению 210300 - «Радиотехни-
УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я:73
ISBN 978-5"358-03595-9 |
©ООО 4Дрофа•, 2009 |
--------1\ Предисловие ·\1------
Данный учебник предназначен для изучения дисциплины
«Электроника», которая составляет основу общепрофессиональ
ной подготовки бакалавров, магистров и специалистов (инжене ров) широкого профиля по направлению 210000 «Электронная
техника, радиотехника и связь» (в частности, 210300 «Радиотех ника»). В связи со значительным прогрессом в области электро
ники, достигнутым в последнее десятилетие, произошли сущест
венные преобразования в содержании государственного стан
дарта высшего профессионального образования по указанному направлению и в разработанных на его основе учебных планах и
программах. Данная книга является, по существу, первым учеб
ником, который полностью соответствует современным требова
ниям государственного стандарта и примерной программе по дис циплине «Электроника».
С учетом вышесказанного учебник включает 'ряд вопросов,
которые традиционно не рассматривались в курсах, посвящен
ных изучению электронных приборов [1,2], и охватывает все
разделы современной электроники, в том числе и базовые эле
менты аналоговых и цифровых интегральных схем, принципы
и устройства квантовой и функциональной электроники, а так
же наноэлектроники.
При изложении материала в основном использовался прин
цип объединения электронных Приборов по виду рабочей среды, что обусловливает общность большинства физических явлений в
изучаемых вопросах и облегчает усвоение материала студентами.
В первых пятнадцати главах, содержание которых составляет ос
нову дисциплины, рассмотрение начинается с полупроводнико
вых, а заканчивается электровакуумными приборами (ЭВП) сверх
высоких частот (СВЧ) с динамическим управлением и газораз
рядными приборами. Последующие главы (гл. 16, 17, 19-21)
посвящены оптоэлектронным приборам, включая приборы кван
товой (когерентной) электроники. Рассмотрение общих вопросов,
определений, относящихся к классификации электронных прибо
ров различного типа, режимам и условиям их эксплуатации, на-
4 |
Предисловие |
дежности, радиационной стойкости, шумам, вынесено во введе ние и в последний, шестой раздел книги.
Основное внимание в учебнике уделено физическим основам, принципам работы и характеристикам полупроводниковых при
боров, интегральных схем (ИС), ЭВП СВЧ с динамическим управ лением, электронно-лучевых приборов, газоразрядных приборов
и индикаторов, оптоэлектронных приборов и приборов квантовой электроники (лазеров и мазеров). Подробно анализируются про цессы, составляющие основу современной микроэлектроники, а
именно явления, происходящие в электронно-дырочных перехо
дах, контактах металл-полупроводник, гетеропереходах; рас
сматриваются свойства различных моделей диодов, транзисторов,
основы технологии изготовления дискретных полупроводнико
вых приборов и элементов полупроводниковых и вакуумных ИС.
В учебник, согласно современным требованиям, впервые вклю чены материалы по основным базовым элементам аналоговых и цифровых ИС (гл. 7-9), по наноэлектронным приборам и при борам функциональной электроники (гл. 10), фотоэлектронным приборам с зарядовой связью (гл. 16). Новацией в данной книге является также включение раздела, посвященного приборам квантовой электроники - лазерам и мазерам (гл. 17-21), а так же существенное расширение сведений по плазменным панелям и жидкокристаллическим индикаторам (гл. 15).
Для: практического закрепления изучаемого материала в ос
новном тексте учебника и в приложении 1 приведены сведения о
порядках величин параметров приборов, электрофизических ха рактеристиках материалов и исследуемых процесС<?В. Подавляю
щее большинство графиков имеет размерный масштаб. В теоре
тических разделах, а также в приложении 2 приводятся необ
ходимые математические выкладки и расчетные соотношения,
большая часть формул иллюстрируется числовыми примерами;
используются определения и термины, регламентированные го
сударственными стандартами. Для получения данных о постоян
но обновляемой номенклатуре электронных приборов в учебнике
даются ссылки на соответствующие каталоги, справочники и
другие 'Издания. Специальные вопросы, имеющие факультатив ный характер, - методы описания шумов (п. 22.3) и сведения по радиационной стойкости электронных приборов (п. 23.3) - на
браны мелким шрифтом. В помощь студентам в конце каждой
главы приведены контрольные вопросы для повторения изучен
ного материала.
Предисловие |
5 |
ДлЯ освоения дисциплины «Элехтроника» студенту достаточ но знаний по общеобразовательным и общетехническим предме там. В результате изучения этой дисциплины студент получает базовую подготовку, необходимую для успешного освоения спе
циальных радиотехнических курсов и последующего решения
различного рода профессиональных задач, связанных с раци
ональным выбором электронных приборов и режимов их работы в радиотехнической аппаратуре. Подробное рассмотрение физи ческих основ явлений, принципов работы, параметров, характе ристик и моделей приборов направлено на развитие у студента
умения самостоятельно решать задачи моделирования, анализа
и синтеза электронных устройств при их проектировании и экс
плуатации. Успехов в разработке и использовании такой техни
ки смогут достичь лишь специалисты, имеющие прочные зна
ния по электронике полупроводниковых приборов.
Основной текст учебника написан Г. Г. Шишкиным; главы 15, 16, 19 и приложение 2 написаны авторами совместно.
Авторы выражают признательность коллегам по кафедре «Те оретическая радиотехника» Московского авиационного институ
та, высказавшим конструктивные замечания по содержанию ру
кописи, приносят искреннюю благодарность академику МАНШ,
профессору СГУ, доктору физико-математических наук, заслу
женному деятелю науки РФ Д. А. Усанову за ряд полезных кри тических замечаний и рекомендаций. Особую благодарность ав
торы приносят редактору книги доценту, кандидату физико
математических наук И. Я. Ицхоки за тщательность и высокий
профессионализм редактирования, а также рецензентам: профес
сору, доктору технических наук В. Н. Кулешову и доценту, кан дидату технических наук В. Н. Павлову за ценные замечания и
рекомендации, способствовавшие улучшению качества учебни
ка. Большую помощь при оформлении рукописи оказали студен ты факультета радиоэлектроники Московского авиационного ин ститута А. Пашенька, П. Федоров, В. Суриков, за что авторы им благодарны.
введение
Основные сведения об электронных приборах. Важнейшими
направлениями научно-технического прогресса являются ос
воение передовых технологий, включая лазерную, плазменную
ипучковую, и автоматизация и механизация производства.
Современный этап решения задач в рамках этих направлений
опирается на революцию в электронно-вычислительной тех
нике. Для того чтобы обеспечить глубокие качественные из
менения в производительных силах, создание принципиально
новых видов продукции, техники и технологии, необходимо интенсивное развитие и расширение Исследований в области
естественных и технических наук, включая физику твердого
тела, микро- и квантовую электронику и оптику, радиофизику
и радиоэлектронику, от уровня развития которых зависит об щий индустриальный и научный потенциал общества, включая
достижения в автоматизации производства, р·азвитии принци
пиально новых технологий, освоении космоса, вычислительной
технике, медицине, искусстве, телевидении и т. д.
Таким образом, характеристики радиоэлектронных инфор
мационных систем, которые осуществляют накопление, пере
дачу, хранение и переработку информации, представляемой в
форме различного рода информационных сигналов, определя
ются уровнем развития электроники.
Электроника - это наука о взаимодействии электронов с
электромагнитными полями, о методах, охватывающих иссле
дование и разработку эле1стронных приборов, и о принципах их
использования. Информационный сигнал формируется за счет изменения параметров какого-либо физического процесса. Для передачи и обработки больших объемов информации наиболее
часто сигналы формируются с помощью электрического тока
(или напряжения) и электромагнитного излучения. Процесс об
работки информации в том или ином виде осуществляется по
средством электронных приборов.
Электронные приборы - это устройства, работа которых ос
нована на использовании электрических, тепловых, оптиче-
Введение |
7 |
ских и акустических явлений в твердом теле, жидкости, ваку уме, газе или плазме. Электронные приборы используются как элементы радиоэлектронной аппаратуры, не подлежащие сбор ке, разборке и ремонту.
Основные наиболее общие функции, выполняемые прибора ми, состоят в преобразовании либо информационных сигналов, либо энергии. В качестве примеров преобразования энергии можно привести преобразование солнечной энергии в электри ческую, 't'епловой в электрическую, преобразования переменно го тока в постоянный и наоборот.
Само название •электронные приборы» связано с тем, что все
процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо
только за счет движения электронов, либо при их непосредствен
ном участии. Основными задачами электронного прибора как
преобразователя информационных сигналов являются: усиле
ние, генерйJ)ование, передача, накопление и хранение сигналов,
выделение их на фоне шумов.
Наиболее часто электронные приборы классифицирую't'ся по их назначению, физическим свойствам, основным электриче
ским параметрам, конструктивно-технологическим признакам,
по роду рабочей среды и т. д.
В зависимости от вида сигналов и способа обработки инфор мации все существующие электронные приборы разделяются
на э.лен:тропреобразовате.льные, э.лен:тросветовые, фотоэ.лен:
тричесн:ие, термоэ.лектричесн:ие, акустичесн:ие и механоэ.лен:
тричесн:ие.
В электропреобразовательных приборах происходит преобра зование электрических сигналов, в электросветовых приборах электрические сигналы преобразуются в оптические (световые),
в фотоэлектрических и термоэлектрических соответственно оп
тические и тепловые сигналы преобразуются в электрические, в
акустоэлектронных приборах электрические сигналы преобразу
ются в акустические. Механоэлектрические преобразуют меха
нический сигнал в электрический. Электропреобразовательные приборы представляют самую
большую группу электронных приборов. К ним относятся различ ные типы полупроводниковых диодов, биполярные и полевые
транзисторы, тиристоры, электровакуумные лампы - диоды,
триоды, тетроды, пентоды и т. д.; газоразрядные приборы - ста
билитроны, газотроны, тиратроны и т. д. К электросветовым -
светодиоды, люминесцентные конденсаторы, лазеры, элек't'ронно-
8 |
Введение |
лучевые трубки. К фотоэлектрическим - фотодиоды, фото транзисторы, фототиристоры, солнечные батареи и ряд других.
К термоэлектрическим - полупроводниковые диоды, транзис
торы, термисторы. К акустоэлектрическим - акустоэлектриче
ские усилители и генераторы, фильтры, линии задержки на по
верхностных акустических волнах и др.
По виду рабочей среды различают следующие классы прибо
ров: полупроводниковые, твердотельные, электровакуумные, га
зоразрядные, хемотронные (рабочая среда - жидкость).
В зависимости от назначения и выполняемых функций элек тронные приборы разделяются на выпрямительные, усилитель ные, генераторные, переключательные, преобразовательные, ин дикаторные и т. д. По диапазону рабочих частот - на низкочастот
ные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности -
на маломощные, средней мощности и мощные.
Основные понятия о режимах и параметрах электронных прибо
ров. Понятие режима электронного прибора включает совокуп ность условий, определяющих его работу. Если режим работы прибора соответствует требованиям нормативно-технической до
кументации для эксплуатации прибора данного типа, то такой
режим называют типовым. Любой режим определяется совокуп
ностью величин, которые называют параметрами. Параметром
режима электронного прибора называется любая величина, ха рактеризующая режим прибора; например, электрические пара метры режима - это токи, напряжения и т. д. Различают
электрический режим, который определяет величины напря
жений на электродах и токи в их цепях, механический режим - это совокупность механических воздействий на рабо тающий прибор (удары, тряска и т. п.), и климатический ре жим, :который определяет интервал рабочих температур, отно сительную влажность окружающей среды, уровень радиации
и т. д. Механические и :климатические воздействия на элек
тронные приборы определяют допустимые уровни влияния ок ружающей среды (см. гл. 15).
Упомянутые параметры электрического режима относятся :к
функциональным, :к которым в зависимости от вида энергии
сигнала относятся также электромагнитные, световые, теп
ловые и другие параметры. Численные значения функциональ ных параметров, установленные нормативно-технической доку ментацией, называются номинальными значениями. Оптималь-
Введение |
9 |
ные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или
измерениях его параметров определяются номинальным режи
мом. Кроме номинальных, для электронных приборов рассматри
вают предельные параметры, которые характеризуют предельно
допустимые режимы работы прибора, например, максимально
допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимую мощность, рассеиваемую электро
дом или прибором в целом, и т. д.
К электродам электронных приборов подключаются источ ники как постоянных, так и переменных напряжений. Если прибор работает при постоянных напряжениях на электродах, то такой режим работы называют статическим. В этом случае
все параметры режима не изменяются во времени. Режим рабо
ты прибора, при котором хотя бы один из параметров режима изменяется во времени, называется динамическим.
Иногда параметры прибора изменяются во времени настоль
ко медленно по сравнению с временем движения носителей в ра бочем пространстве, что в каждый момент времени они несуще ственно отличаются от статических, т. е. для прибора остают
ся практически справедливыми законы статического режима.
В этом случае режим работы называют квазистатическим. :Кроме параметров режима, различают параметры электрон
ного прибора, которыми называются физические величиньi, ха
рактеризующие общие свойства прибора (например, коэффици
ент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные
емкости и т. д.).
Зависимость какого-либо параметра режима или параметра прибора, который принят в качестве функции, от другого пара
метра, взятого в качестве аргумента, при условии, Что все осталь
ные величины остаются неизменными, называется характерис
тикой электронного прибора. Совокупность характеристик при
различных фиксированных значениях независимого третьего па
раметра называют семейством характеристик. Важнейшими
характеристИками электронных приборов являются статиче
ские характеристики, отображающие зависимость тока в цепи
какого-либо электрода от напряжения на любом электроде в ста
тическом режиме. Часто названия статических характеристик
связывают с названием электродов, например анодные, эмиттер
ные и т. д. Помимо этого, существуют также и обобщенные назва ния семейств статических характеристик, без указания названий
электродов, например входные, выходные и т. д.