Глава 1 Электрофизические свойства радиоматериалов
РАДИОКОМПОНЕНТЫ
И ЭЛЕКТРОНИКА
Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники, электроники,
биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению 654200 — «Радиотехника»
300.piter.com
Издательская программа
300 лучших учебников для высшей школы
в честь 300-летия Санкт-Петербурга
осуществляется при поддержке Министерства образования РФ
Москва - Санкт-Петербург ■ Нижний Новгород - Воронеж
Новосибирск - Ростов-на-Дону ■ Екатеринбург ■ Самара
Киев ■ Харьков ■ Минск
Федеральная целевая программа «Культура России»
Поддержка полиграфии и книгоиздания России
Рецензенты:
Чиркин Л. К.,профессор кафедры микроэлектроники СПбГЭТУ, к. т. н.
Антипов Б. Л.,доцент кафедры микроэлектроники СПбГЭТУ, к. т. н.
Петров К. С.
ПЗО Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника:
Учебное пособие — СПб.: Питер, 2004. — 522 с: ил.
ISBN 5-94723-378-9
В книге изложены основы строения радиоматериалов и физические процессы, происходящие в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах. В частности, рассмотрены контактные явления в радиоматериалах, лежащие в основе создания полупроводниковых приборов; структура, физические процессы, характеристики и параметры пассивных радиокомпонентов, полупроводниковых приборов и интегральных схем; процессы в электронных приборах вакуумной, в том числе высокочастотной, электроники; некоторые свойства приборов функциональной электроники.
Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 654200 — «Радиотехника».
Краткое содержание
Предисловие. 4
Введение. 10
Глава 1 Электрофизические свойства радиоматериалов. 13
Глава 2 Пассивные компоненты радиоэлектронной аппаратуры.. 73
Глава 3 Полупроводниковые диоды.. 114
Глава 4 Биполярные транзисторы и тиристоры.. 136
Глава 5 Полевые транзисторы.. 187
Глава 6 Структуры и технология интегральных микросхем.. 211
Глава 7 Аналоговые интегральные микросхемы.. 239
Глава 8 Цифровые интегральные микросхемы.. 258
Глава 9 Основы функциональной электроники. 286
Глава 10 Вакуумная электроника. 298
Глава 11 Введение в квантовую электронику. 327
Литература. 337
Содержание
Предисловие. 9
Введение. 10
Глава 1 Электрофизические свойства радиоматериалов. 13
1.1. Общие сведения о строении вещества. 13
Структура электронных оболочек атомов. 13
Химическая связь между атомами. 15
Структура твердых тел. 17
Основные понятия зонной теории: строения атома. 19
1.2. Электрофизические свойства проводниковых материалов. 23
Основные положения классической электронной теории. 23
Основные положения квантовой физики. 24
Температурная зависимость электропроводности. 25
Зависимость электропроводности от частоты.. 26
Электропроводность тонких пленок. 27
Классификация проводниковых материалов. 28
1.3. Электрофизические свойства диэлектрических материалов. 29
Электронная поляризация. 29
Дипольная поляризация. 30
Ионная поляризация. 30
Спонтанная поляризация. 31
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и частоты.. 32
Электропроводность диэлектриков. 33
Диэлектрические потери. 34
Электрическая прочность диэлектриков. 36
Классификация диэлектрических материалов. 36
1.4. Магнитные свойства радиоматериалов. 39
Намагничивание ферромагнетиков. 40
Магнитомягкие материалы.. 42
Магнитотвердые материалы.. 43
1.5. Электрофизические свойства полупроводниковых материалов. 44
Собственные и примесные полупроводники. 44
Расчет равновесной концентрации электронов и дырок в собственном полупроводнике. 46
Расчет равновесной концентрации электронов и дырок в примесных полупроводниках. 48
Неравновесное состояние полупроводника. 51
Время жизни неравновесных носителей заряда. 51
Распределение концентрации неравновесных носителей заряда. 53
Токи в полупроводниках. 56
Поверхностные явления. 59
1.6. Контактные явления в радиоматериалах. 61
Контактные явления в металлах. 61
Электронно-дырочный переход. 62
Вольт-амперная характеристика р-n-перехода. 65
Контакт вырожденных полупроводников. 67
Контакт полупроводника с металлом.. 68
Гетеропереходы.. 71
Контрольные вопросы.. 72
Глава 2 Пассивные компоненты радиоэлектронной аппаратуры.. 73
2.1. Резисторы.. 73
Классификация и конструкции резисторов. 73
Параметры резисторов. 77
Система обозначений и маркировка резисторов. 80
Конструктивно-технологические разновидности резисторов. 81
Специальные резисторы.. 82
2.2. Конденсаторы.. 83
Классификация и конструкции конденсаторов. 83
Параметры конденсаторов. 86
Система обозначений и маркировка конденсаторов. 87
Основные разновидности конденсаторов. 88
2.3. Катушки индуктивности. 90
Физическая природа индуктивности. 90
Конструкции катушек индуктивности. 91
Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности. 92
Потери в катушках индуктивности. 96
Разновидности катушек индуктивности. 99
2.4. Трансформаторы.. 100
Магнитопроводы трансформаторов. 101
Физические основы функционирования трансформаторов. 102
Потери в трансформаторах. 104
Основные принципы расчета трансформаторов. 106
Контрольные вопросы.. 113
Глава 3 Полупроводниковые диоды.. 114
3.1. Устройство полупроводниковых диодов. 114
3.2. Вольт-амперная характеристика диода. 115
Область прямых напряжений. 115
Область обратных напряжений. 116
Влияние температуры.. 117
3.3. Пробой диода. 118
3.4. Дифференциальные параметры диода. 122
3.5. Емкости диода. 123
3.6. Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов. 124
3.7. Импульсный режим работы полупроводниковых диодов. 127
Процесс включения. 128
Процесс выключения. 128
3.8. Разновидности полупроводниковых диодов и их применение. 129
Выпрямительные диоды.. 129
Высокочастотные диоды.. 129
Импульсные диоды.. 130
Стабилитроны.. 130
Варикапы.. 132
Туннельные диоды.. 132
Фотодиоды.. 134
Светоизлучающие диоды.. 135
Оптопары.. 135
Контрольные вопросы.. 135
Глава 4 Биполярные транзисторы и тиристоры.. 136
4.1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. 136
Режимы работы.. 136
Схемы включения. 137
Принцип действия. 137
4.2. Соотношения между токами. 139
4.3. Распределение концентрации носителей заряда и токов. 141
4.4. Статические характеристики. 145
Входные и управляющие характеристики. 145
Выходные характеристики в схеме с общей базой. 147
Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером.. 148
Влияние температуры.. 150
Предельные режимы.. 152
4.5. Расчет токов транзистора. 154
4.6. Дифференциальные параметры.. 157
Система h-параметров. 157
Система у-параметров. 159
4.7. Работа транзистора в усилительном режиме. 160
Графический анализ усилительного режима. 161
Аналитический расчет усилительных свойств. 162
Физические эквивалентные схемы.. 163
Связь параметров физической эквивалентной схемы с h-параметрами. 164
П-образная эквивалентная схема. 165
4.8. Сравнение усилительных свойств транзистора в различных схемах включения. 166
Схема с общим эмиттером.. 166
Схема с общей базой. 167
Схема с общим коллектором.. 167
4.9. Частотные свойства транзистора. 169
Схема с общей базой. 169
Схема с общим эмиттером.. 171
Дрейфовые транзисторы.. 172
4.10. Работа транзистора в импульсном режиме. 175
Процесс включения транзистора. 176
Процесс выключения транзистора. 177
Транзистор с диодом Шотки. 178
4.11. Разновидности биполярных транзисторов. 179
4.12. Тиристоры.. 181
Диодный тиристор. 181
Триодный тиристор. 184
Симметричный тиристор. 184
Применение тиристоров. 185
Контрольные вопросы.. 186
Глава 5 Полевые транзисторы.. 187
5.1. Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом.. 187
Устройство и принцип действия. 187
Расчет напряжения отсечки и напряжения насыщения. 188
Расчет тока через канал. 189
Статические характеристики. 190
Дифференциальные параметры.. 191
5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом металл—полупроводник. 192
5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.. 194
Устройство и принцип действия. 194
Расчет порогового напряжения. 195
Расчет тока через канал. 197
Статические характеристики. 199
Дифференциальные параметры.. 200
5.4. Усилительные и частотные свойства полевых транзисторов. 201
5.5. Импульсный режим полевых транзисторов. 204
Процесс включения транзистора. 204
Процесс выключения транзистора. 206
5.6. Приборы с зарядовой связью.. 206
Контрольные вопросы.. 209
Глава 6 Структуры и технология интегральных микросхем.. 211
6.1. Гибридные интегральные микросхемы.. 211
Пленочные резисторы.. 211
Пленочные конденсаторы.. 212
Распределенные RС-структуры.. 213
Пленочные индуктивности. 213
Пленочные проводники и контактные площадки. 213
Активные элементы ГИМС.. 214
6.2. Биполярные транзисторы полупроводниковых ИМС.. 214
Транзисторы типа n-р-n. 214
Транзисторы с диодом Шотки. 216
Многоэмиттерные транзисторы.. 217
Многоколлекторные транзисторы.. 218
Транзисторы типа р-n-р. 218
Транзисторы с инжекционным питанием.. 219
Диодное включение биполярных транзисторов. 219
6.3. Пассивные элементы ПП ИМС.. 221
Полупроводниковые резисторы.. 221
Полупроводниковые конденсаторы.. 222
6.4. МДП-транзисторы ПП ИМС.. 224
МДП-транзисторы с поликремниевым затвором.. 224
Комплементарные МДП-структуры.. 225
Структуры «кремний на диэлектрике». 225
Вертикальные структуры.. 226
Многослойные структуры.. 226
6.5. Базовые технологические операции. 227
Эпитаксия. 227
Легирование. 227
Формирование диэлектрических пленок. 229
Формирование проводящих пленок. 230
Травление. 231
Литография. 232
6.6. Технология изготовления ИМС.. 233
Изготовление тонкопленочных гибридных ИМС.. 233
Изготовление толстопленочных гибридных ИМС.. 234
Эпитаксиально-планарная технология. 234
ЕРIC-технология. 235
Изопланарная технология. 236
Технология изготовления МДП-транзисторов. 237
Контрольные вопросы.. 238
Глава 7 Аналоговые интегральные микросхемы.. 239
7.1. Каскады с динамической нагрузкой. 239
7.2. Составные транзисторы.. 240
7.3. Генераторы стабильного тока. 241
7.4. Схемы сдвига потенциала. 242
7.5. Каскадные схемы.. 243
7.6. Выходные каскады.. 243
7.7. Дифференциальные каскады.. 245
7.8. Операционные усилители. 249
Параметры ОУ.. 249
Схемотехника ОУ.. 251
Применение ОУ.. 252
7.9. Разновидности АИМС.. 255
Контрольные вопросы.. 257
Глава 8 Цифровые интегральные микросхемы.. 258
8.1. Электронные ключи на биполярных транзисторах. 258
Влияние внешней нагрузки на работу ключа. 258
Передаточная характеристика. 260
Помехоустойчивость ключа. 260
Быстродействие ключа. 261
8.2. Электронные ключи на полевых транзисторах. 261
Ключ с резистивной нагрузкой. 262
Ключи с динамической нагрузкой. 262
8.3. Логические элементы интегральных микросхем.. 265
8.4. Диодно-транзисторная логика. 266
8.5. Транзисторно-транзисторная логика. 267
8.6. Эмиттерно-связанная логика. 269
8.7. Логические элементы с инжекционным питанием.. 271
8.8. Логические элементы на МДП-транзисторах. 272
Логические элементы на однотипных МДП-транзисторах. 273
Логические элементы на комплементарных МДП-транзисторах. 273
8.9. Функциональные логические узлы.. 274
Шифраторы.. 274
Дешифраторы.. 274
Сумматоры.. 275
8.10. Триггеры.. 276
RS-триггер. 277
RST-триггер. 278
D-триггер. 278
Двухступенчатый RST-триггер. 279
Т-триггер. 279
JK-триггер. 280
8.11. Запоминающие устройства. 280
Масочные ПЗУ.. 281
Программируемые ПЗУ.. 282
Репрограммируемые ПЗУ.. 282
Элементы памяти ОЗУ статического типа. 284
Элементы памяти динамического типа. 285
Контрольные вопросы.. 285
Глава 9 Основы функциональной электроники. 286
9.1. Проблемы повышения степени интеграции ИМС.. 286
9.2. Функциональная электроника. 287
Акустоэлектронные устройства. 288
Магнитоэлектронные устройства. 289
Оптоэлектронные устройства. 291
Устройства на основе эффекта Ганна. 293
Контрольные вопросы.. 297
Глава 10 Вакуумная электроника. 298
10.1. Вакуумные диоды.. 298
Электрическое поле в диоде. 298
Околокатодный процесс. 299
Анодные характеристики. 299
10.2. Вакуумные триоды.. 300
Электрическое поле в триоде. 300
Действующее напряжение. 301
Токораспределение в триоде. 302
Статические характеристики. 303
10.3. Вакуумные тетроды и пентоды.. 304
10.4. Дифференциальные параметры.. 305
10.5. Применение электронных ламп. 306
10.6. Особенности мощных электронных ламп. 307
10.7. Особенности работы ламп на СВЧ.. 308
10.8. Пролетные клистроны.. 310
10.9. Отражательные клистроны.. 312
10.10. Лампы бегущей волны.. 313
10.11. Электронно-лучевые приборы.. 315
Электростатическая фокусировка луча. 315
Электростатическое отклонение луча. 316
Магнитная фокусировка луча. 317
Магнитное отклонение луча. 318
Экраны ЭЛП.. 319
Основные типы электронно-лучевых трубок. 320
10.12. Газоразрядные приборы.. 322
Электрический разряд в газе. 322
Типы газоразрядных приборов. 325
Контрольные вопросы.. 326
Глава 11 Введение в квантовую электронику. 327
11.1. Лазерное усиление. 327
11.2. Генерация излучения. 328
11.3. Основные разновидности лазеров. 330
Твердотельные лазеры.. 330
Газовые лазеры.. 331
Гелий-неоновый атомный лазер. 331
Ионный лазер. 333
Молекулярный лазер. 333
Газодинамический лазер. 333
Полупроводниковые лазеры.. 334
Инжекционный лазер. 334
Гетеролазер. 335
Литература. 337
Предисловие
Современные радиотехнические системы и системы передачи информации представляют собой сложные комплексы, состоящие из большого числа радиотехнических устройств, которые, в свою очередь, состоят из отдельных узлов и блоков, содержащих множество радиокомпонентов, для изготовления которых используются различные радиоматериалы. Эффективность радиотехнических систем и систем передачи информации, параметры радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависят от элементной базы, то есть от параметров применяемых в них интегральных схем, полупроводниковых приборов и пассивных радиокомпонентов. Поэтому существует настоятельная необходимость познакомить будущего радиоинженера со свойствами радиоматериалов, пассивных радиокомпонентов, полупроводниковых приборов и интегральных схем. Это учебное пособие предназначено в первую очередь для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника» и изучающих дисциплины «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и «Электроника». Оно может быть полезно также для студентов, обучающихся по направлению «Телекоммуникации» и изучающих дисциплины «Физические основы электроники» и «Электроника».
Все разделы книги объединены единой темой — электроникой, что позволило автору, начав с рассмотрения структуры электронных оболочек атомов, образования химических связей и структуры кристаллов, перейти сначала к свойствам пассивных радиокомпонентов, а затем к полупроводниковым приборам и интегральным схемам. Не обойдена вниманием и вакуумная электроника, пока еще не потерявшая своего значения, Такой подход к изложению материала позволяет дать студенту целостное преставление об элементной базе современной радиоэлектронной аппаратуры и сформировать у будущих радиоинженеров принципы инженерного подхода к оценке возможностей применения тех или иных радиоматериалов, пассивных радиокомпонентов, полупроводниковых приборов и интегральных схем в конкретной радиоэлектронной аппаратуре.
Книга составлена на основе многолетнего опыта чтения автором лекций на кафедре электронных и квантовых приборов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича. Автор приносит искреннюю благодарность рецензентам: преподавателям кафедры микроэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В. И. Ульянова (Ленина) д-ру техн. наук, проф. В. С. Сорокину, канд. техн. наук, проф. Л. К. Чиркину, канд. техн. наук, доц. Б. Л. Антипову за полезные замечания и предложения, сделаные при подготовке рукописи к печати.
Введение
Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с расширением масштабов применения радиотехнических систем и систем телекоммуникаций. Составной частью этих систем является радиоэлектронная аппаратура (РЭА), содержащая огромное количество радиокомпонентов, для изготовления которых используются современные радиоматериалы. Повышение эффективности систем и улучшение параметров РЭА невозможно без совершенствования элементной базы РЭА, разработки и освоения новых радиоматериалов. Именно радиоматериалы и радиокомпоненты стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей РЭА.
Существенные изменения во многих областях науки и техники, в том числе в развитии элементной базы РЭА, происходят благодаря развитию электроники — науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранения информации. Успехи электроники в значительной мере обусловлены развитием радиотехники. Обе области развиваются в тесной взаимосвязи, поэтому их часто объединяют и называют радиоэлектроникой.
Вряд ли сегодня найдется человек, который бы усомнился в существовании электронов. Любой школьник знает, что электрический ток создается движением электронов. Однако не далее как в конце XIX века среди авторитетных ученых находились и те, кто не верил в реальность существования электронов. До открытия электрона атом считался тем прочным и неделимым «кирпичиком», на котором основывались все представления о структуре материального мира, а электрический ток рассматривался как некая «жидкая субстанция», текущая по проводам. Вот что писал американский исследователь Б. Франклин: «Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой... Обыкновенная материя по отношению к электрической является как бы своеобразной губкой. Губка не смогла бы впитывать воду, если бы частицы воды не были меньше дырок в губке».
До открытия электрона атом оставался атомом, а «электрическая субстанция», существуя отдельно от атомов, представлялась составленной из каких-то других «бестелесных частиц». Каких-либо экспериментальных данных, подтверждающих существование заряженных частиц, из которых состоит субстанция, не было. Представление о дискретном строении электричества начало складываться только во второй половине XIX века. Впервые об этом упоминали в своих работах Г. Фех-нер и В. Вебер. В. Вебер, например, прямо указывал, что «с каждым весомым атомом связан электрический атом». Электрический ток эти ученые представляли как движение дискретных электрических зарядов. О непосредственных наблюдениях в то время не приходилось и думать, а эксперименты позволяли лишь строить предположения о природе неких обладающих чрезвычайно малым зарядом частиц. Несколько позже величину этих зарядов позволили определить опыты по электролизу, проделанные Г. Гельмгольцем, которые показали, что для выделения одной грамм-молекулы вещества на электроде электролитической ванны требуется заряд, равный 96 500 Кл. Затем А. Авогадро установил, что в одной грамм-молекуле содержится 6,02-1023 атомов вещества. Поделив величину заряда на количество атомов, можно определить величину элементарного электрического заряда, переносимого каждым атомом, равную 1,6-10-19 Кл. Этот элементарный заряд стали называть атомом электричества. В 1891 году Г. Стоней предложил называть атом электричества электроном, однако природа этого заряда оставалась неясной, то есть термин появился раньше открытия электрона.
В 1897 году выдающийся английский ученый Дж. Томсон, работая с вакуумной трубкой, экран которой был покрыт составом, светившимся под действием открытых к тому времени катодных лучей, обнаружил, что если по бокам горловины трубки расположить две пластины и создать между ними разность потенциалов, то пятно на экране сместится в сторону пластины, имеющей положительный потенциал, что свидетельствовало о том, что катодный луч несет в себе отрицательный заряд. Работая с трубкой, Дж. Томсон отклонял луч под воздействием не только электрического, но и магнитного поля, что позволило определить такой важный параметр, как отношение величины заряда к массе, отклоняемой полем частицы. Сегодня известно, что электрон обладает массой, равной 9,106-10-28 г. Ну, а коль скоро у электрона обнаружена масса, то он не может быть «бестелесной порцией электричества». Это позволило Дж. Томсону сделать смелый вывод о существовании материальных частиц, гораздо меньших, чем атомы.
Позже в своих «Воспоминаниях и размышлениях» Дж. Томсон писал: «Я сделал первое сообщение о существовании этих корпускул на вечернем заседании Королевского института в очередную пятницу 30 апреля 1897 года. Много лет спустя один выдающийся физик рассказал мне, что он в то время подумал, что я всем им нарочно морочу голову. Я не был этим удивлен, ибо сам пришел к такому объяснению своих экспериментов с большой неохотой: лишь убедившись, что от опытных данных некуда скрыться, я объявил о моей вере в существование тел, меньших, чем атомы».
Открытие Дж. Томсона было ошеломляющим. Это была революция в вековых представлениях об атомной структуре материи. Многие ученые отказывались признавать его. Среди них был В. К. Рентген, который в течение 10 лет после сообщения Дж. Томсона был не только убежден сам, но старался убедить своих сотрудников в том, что электронов в природе не существует — это не более чем «пустое, не заполненное конкретным содержанием слово». Он был убежден в том, что «существование электронов — это не более чем недоказанная гипотеза, применяемая без достаточных оснований и без нужды».
Открытие электрона опровергло гипотезу о неделимом атоме. В воображении ученых стали возникать модели внутреннего строения атомов. Зародилась новая наука — электроника, которая развивалась весьма интенсивно. Весь арсенал средств, которым располагает современная электроника, был создан всего за несколько десятилетий. Еще в начале XX века человечество обходилось без радио, до середины XX века не существовало телевидения, не было электронно-вычислительных машин. Все огромное здание современной электроники строилось усилиями многих изобретательных и талантливых умов.
Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 году Д. Флеминг изобрел двухэлектродную лампу (диод) с накаленным катодом. В диоде использовалась термоэлектронная эмиссия, открытая в 1884 году Т. Эдисоном, сущность которой он, не зная об электронах, не мог объяснить, Диод — это уже электроника. Он был создан для конкретных технических нужд, а именно для детектирования высокочастотных колебаний. До открытия электрона никаких технических нужд еще не было.
В 1907 году Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку, лампа стала трехэлектродной, появилась возможность управлять током, протекающим в лампе между катодом и анодом, что позволило решить проблему усиления электрических сигналов. В 1913 году А. Мейснер применил трехэлектродную лампу (триод) для генерирования высокочастотных электрических колебаний. В 1915 году под руководством М. А. Бонч-Бруевича были созданы первые отечественные триоды. В 1918 году родилась Нижегородская радиолаборатория, в которой впервые в мировой практике были разработаны мощные триоды с водяным охлаждением. К середине 30-х годов ламповая электроника была в основном сформирована. К этому времени были созданы основные типы электронных ламп: тетрод (1924), пентод (1930), многосеточные лампы для преобразования частоты (1935).
В 30-е годы развивалось такое направление в электронике, как создание передающих телевизионных трубок, позволивших создать электронное телевидение. В США подобные трубки, названные иконоскопами, построил В. К. Зворыкин. В СССР П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев создали более чувствительные трубки — супериконоскопы. В 1939 году советский ученый Г. В. Брауде высказал идею создания еще более чувствительной трубки — суперортикона. К 30-м годам относятся первые эксперименты с наиболее простыми трубками — видиконами, первые образцы которых появились в 1946-50 годах.
Другим направлением в развитии электроники в 30-е годы было создание специальных электронных приборов для сверхвысоких частот (СВЧ). В 1939 году построены первые приборы для усиления и генерирования колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 году изобретен более простой отражательный клистрон. В 1938-40 годах сконструированы вакуумные триоды с плоскими дисковыми электродами, нашедшие применение в СВЧ-диапазоне. В эти же годы для генерирования мощных СВЧ-колебаний разрабатываются магнетроны. В течение 30-х годов и позже интенсивно развивалась полупроводниковая электроника. Ученые исследовали физические процессы в полупроводниках, влияние примесей на эти процессы, термоэлектрические и фотоэлектрические свойства полупроводников, выпрямление переменного тока полупроводниковыми приборами. Была разработана квантовая теория полупроводников, введено понятие подвижности свободных мест кристаллической решетки полупроводника, получивших впоследствии название дырок, создана теория генерации пар «электрон—дырка». Была экспериментально подтверждена теория полупроводников, созданная школой советского академика А. Ф. Иоффе. 1 июля 1948 года в газете «Нью-Йорк тайме» появилась короткая информация: «Вчера фирма "Белл телефон лабораториз" впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием "транзистор", который в отдельных случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Он начинает работать мгновенно, без задержки на разогрев, так как в отличие от радиолампы в нем нет накала. Рабочие элементы прибора состоят всего из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твердого полупроводникового материала величиной с булавочную головку, приплавленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на металлическое основание, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток». Изобретателями транзистора являются Д. Бардин, У. Браттайн и У. Шокли. С изобретением транзистора начался новый этап в развитии радиоэлектроники — этап микроминиатюризации РЭА. Применение транзисторов вместо электронных ламп позволило существенно сократить размеры радиокомпонентов, уменьшить массу и объем РЭА и, что не менее важно, снизить потребление электроэнергии и повысить надежность аппаратуры.
Развитие транзисторной электроники, совершенствование технологии изготовления транзисторов привели к возникновению нового направления в электронике — микроэлектроники. В 60-х годах были созданы интегральные схемы (ИС), в которых все элементы разрабатываются в едином технологическом процессе, нераздельно связаны и электрически соединены между собой как единое целое, что позволило резко повысить надежность РЭА, еще более уменьшить габариты и массу РЭА, повысить экономичность. Интегральные схемы в середине 60-х годов содержали до 100 элементов на полупроводниковом кристалле при размере элементов около 100 мкм. В начале 70-х годов появились большие интегральные схемы (БИС), содержавшие на кристалле от 100 до 104 элементов при размере элементов от 3 до 100 мкм. В конце 70-х годов созданы сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие от 104 до 106 элементов на кристалле при размере элементов от 1 до 3 мкм. Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к освоению субмикронных размеров элементов микросхем. Исследования показали, что пределом уменьшения размеров элементов является значение 0,2 мкм. Однако достижение таких размеров связано с преодолением определенных технологических трудностей. Иначе говоря, существуют физические пределы развития интегральной микроэлектроники.
Параллельно с интегральной микроэлектроникой в 80-е годы развивалась функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т. д.), базируясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В функциональной электронике используются такие механизмы, как оптические явления (оптоэлектронйка),взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника) и ряд других.
Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления — наноэлектроники. В начале 90-х годов были созданы микроскопы, позволяющие не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Нанотехнологии позволяют, последовательно размещая нужные атомы и атомные структуры в четком порядке и в точно определенном месте, конструировать такие технологические диковинки, которым пока еще и название не придумали. Сейчас разработки в области нанотехнологий ведутся во многих странах. Правительство США объявило нанотехнологий одной из одиннадцати важнейших областей научных исследований и обязалось выделять на развитие этой отрасли науки порядка 300-400 миллионов долларов ежегодно.
От издательства
Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).
Мы будем рады узнать ваше мнение!
На web-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.
Глава 1 Электрофизические свойства радиоматериалов
Материалы, применяемые в электронной технике, подразделяют на радиоматериалы и конструкционные материалы. Под радио материалами понимают материалы, свойства которых зависят от электрических и магнитных полей. Конструкционными материалами называют материалы, которые должны обеспечивать механическую прочность изделий, создаваемых из этих материалов. Электрические и механические свойства материалов обусловлены их структурой, которая, в свою очередь, определяется структурой электронных оболочек атомов. По реакции на электрическое поле радиоматериалы делят на проводники, диэлектрики и полупроводники. По реакции на магнитное поле различают магнитные и немагнитные материалы.