Введение. Рекомендовано УМО по образованию

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Рекомендовано УМО по образованию

в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия

для студентов, обучающихся по всем специальностям

направления 654400 - Телекоммуникации

Новосибирск

УДК 621.385

Проф. Игнатов А.Н., доц. Вайспапир В.Я., доц. Калинин С.В., доц. Савиных В.Л. Основы электроники: Учебное пособие/СибГУТИ. – Новосибирск, 2005г. – 324с.

Рассматриваются устройство, физические процессы, характеристики,

параметры полупроводниковых электронных приборов, аналоговые и цифровые функциональные узлы электронной аппаратуры, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы, основы наноэлектроники и функциональной электроники

Содержание пособия соответствует ГОС высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654400 – «Телекоммуникации» и примерной рабочей программе курса «Электроника»

Для студентов всех форм обучения направления 654400 – «Телекоммуникации»

Иллюстраций – 228, таблиц – 43, библиография – 8 наименований

Кафедра технической электроники

Рецензенты: проф. Ю.М. Сподобаев, проф. Х.К. Арипов

Для студентов всех форм обучения

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия

© Сибирский государственный

университет телекоммуникаций

и информатики, 2005г.

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям направления «Телекоммуникации». Оно соответствует требованиям государственного общеобразовательного стандарта высшего профессионального образования, и примерным программам курсов «Физические основы электротехники и электроника» и «Электроника».

Пособие написано на основе цикла лекций, читаемых авторами в СибГУТИ на кафедре «Техническая электроника» на протяжении ряда лет по указанным дисциплинам.

Пособие включает семь основных разделов, ориентированных на изучение студентами принципов и особенностей работы полупроводниковых приборов, элементов, функциональных узлов и устройств аналоговых и цифровых телекоммуникационных систем. Последние два раздела посвящены перспективным направлениям развития электроники: наноэлектронике и функциональной электронике.

Глава 1 написана совместно всеми авторами пособия. §1.1 – 1.8, 1.12 - доцентом Калининым С.В., §1.9 – доцентом Калининым С.В. и доцентом Савиных В.Л., §1.10 – доцентом Вайспапиром В.Я., §1.11, 1.13 – 1.18 – профессором Игнатовым А.Н. Главы 2, 3, 5 написаны профессором Игнатовым А.Н. и доцентом Савиных В.Л. Главы 4 и 7 – профессором Игнатовым А.Н. Глава 6 написана доцентом Калининым С.В. (§6.1 – 6.5) и профессором Игнатовым А.Н. (§6.6 – 6.8).

Авторы пособия выражают благодарность рецензентам: академику МАС, профессору ТУИТ Х. К. Арипову, профессору ПГАТИ Ю. М. Сподобаеву, доценту Брикману А.И. и доценту Фадеевой Н.Е. за полезные замечания и предложения, учтенные при подготовке рукописи к печати.

Оглавление

Предисловие.. 3

Введение.. 6

1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ... 8

1.1 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАДИОМАТЕРИАЛОВ.. 8

1.2 КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ЗОННАЯ СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 9

1.3 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 12

1.4 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 15

1.5 ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.. 19

1.6 НЕРАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 20

1.7 ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 21

1.8 ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЕ ПЕРЕХОДЫ... 24

1.9 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ... 33

1.10 P-I-N – ДИОДЫ... 42

1.11 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ... 48

1.12 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ... 59

1.13 СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ.. 69

1.14 ЦИФРОВЫЕ КЛЮЧИ НА ТРАНЗИСТОРАХ.. 82

1.15 ТИРИСТОРЫ... 91

1.16 ПРИБОРЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.. 94

1.17 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАЮЩИЕ ПРИБОРЫ... 99

Контрольные вопросы к разделу 1. 104

2 ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ.. 108

2.1 КЛАССИФИКАЦИЯ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ.. 108

2.2 УСИЛИТЕЛИ.. 108

2.3 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.. 121

2.4 ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ.. 128

2.5 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ НА ОСНОВЕ ОУ.. 131

2.6 ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ И АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ.. 140

Контрольные вопросы к разделу 2. 141

3 ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ... 143

3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.. 143

3.2 ОСНОВЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ.. 144

3.3ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ... 147

3.4 СЕМЕЙСТВА ЦИФРОВЫХ ИМС.. 150

3.5 КОМБИНАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА.. 166

3.6 ТРИГГЕРЫ... 169

3.7 СЧЕТЧИКИ.. 175

3.8 РЕГИСТРЫ... 183

Контрольные вопросы к разделу 3. 188

4 МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ.. 191

4.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.. 191

4.2 АНАЛОГОВЫЕ ПЕРЕМНОЖИТЕЛИ СИГНАЛОВ.. 191

4.3 МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПАРАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УРОВНЯ.. 194

4.4 МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ.. 195

4.5 ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.. 197

4.6 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.. 198

4.7 ИМПУЛЬСНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА.. 200

Контрольные вопросы к разделу 4. 221

5 БОЛЬШИЕ И СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ... 223

5.1 ПОКОЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.. 223

5.2 Структуры микропроцессоров.. 224

5.3 МИКРОЭВМ... 228

5.4 ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.. 229

5.5 ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕСЯ УСТРОЙСТВА.. 230

5.6 ПОСТОЯННЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.. 231

5.7 РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПОСТОЯННЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.. 232

5.8 Цифроаналоговые преобразователи.. 234

5.9 Аналого-цифровые преобразователи.. 235

Контрольные вопросы к разделу 5. 237

6 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.. 238

6.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.. 238

6.2 ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР. 249

6.3 КВАНТОВЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ: ЯМЫ, НИТИ, ТОЧКИ.. 252

6.4 НАНОДИОДЫ... 259

6.5 НАНОТРАНЗИСТОРЫ... 261

6.6 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ НА НАНОСТРУКТУРАХ.. 277

6.7 КВАНТОВО – ТОЧЕЧНЫЕ КЛЕТОЧНЫЕ АВТОМАТЫ И БЕСПРОВОДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЛОГИКА.. 284

Контрольные вопросы к разделу 6. 286

7 ПРИБОРЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.. 289

7.1 ВВЕДЕНИЕ В ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ.. 289

7.2 ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ... 289

7.3 ФОТОПРИЕМНЫЕ ПЗС.. 292

7.4 КМОП – ФОТОДИОДНЫЕ СБИС.. 293

7.5 АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ... 297

7.6 МАГНИТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ... 303

Контрольные вопросы к разделу 7. 307

Список литературы... 308

Приложение A Перечень принятых обозначений.. 309

Приложение Б Перечень принятых сокращений.. 314

Приложение В Задачи по основным темам курса «Электроника». 317

Введение

Научно – технический прогресс в третьем тысячелетии неразрывно связан с внедрением информационных технологий и телекоммуникационных систем (ТКС). Повышение эффективности, расширение функциональных возможностей и улучшения параметров и показателей ТКС возможно лишь при соответствующем развитии электроники.

Электроника – наука о взаимодействии электронов с электрическими и магнитными полями, методах создания электронных приборов и устройств, теории и практики устройств генерации сигналов, приеме передачи, обработки и хранения информации.

Термину электрон более 2500 лет. Он произошел от греческого слова elextron (янтарь).

Однако основные достижения электроники наблюдаются в последние 100 лет.

В истории развития электроники можно выделить пять основных этапов: электронных ламп, транзисторов, микроэлектроники, наноэлектроники и функциональной электроники.

Первый этап начался в 1904 г., когда английским ученым Д. А. Флемингом была предложена первая электронная лампа – диод. Прототипом электронной лампы явилась лампа накаливания, созданная русским электротехником А. Н. Лодыгиным в 1872 г. В 1907 г. была предложена электронная лампа с управляющим электродом – триод, способная усиливать и генерировать электрические сигналы. В последующие годы, наряду с совершенствованием электронных ламп, разрабатывались и другие электронные приборы: электронно-лучевые, ионные, фотоэлектронные.

Начало второго этапа развития электроники связано с открытием в конце 1947 г. американским и учеными У. Браттейном, Дж. Бардиным, У. Шокли транзисторного эффекта. В 1948 г. были изготовлены первые промышленные образцы биполярных транзисторов, а в 1952 г. – полевые транзисторы. В транзисторах были реализованы идеи, которые впервые были сформулированы советским ученым О. В. Лосевым в 1922 г.

Непрерывное расширение функций электронной аппаратуры и её усложнение привели в 1958 г. к началу третьего этапа – возникновению микроэлектроники. Задачей микроэлектроники является микроминиатюризация электронной аппаратуры с целью уменьшения её объема, массы, стоимости, повышения надежности и экономичности на основе использования комплекса физических, конструктивно – технологических и схемотехнических методов. Развитие микроэлектроники связано с повышением интеграции элементов интегральных схем.

Развитие микроэлектроники в последние десятилетия происходит в соответствии с законом Г. Мура. Число элементов в современных интегральных микросхемах (ИМС) увеличивается в 2 раза через каждые 2 года. Разработаны ИМС ультравысокой и гигантской степеней интеграции (УБИС и ГИС), содержащие 10⁶ ÷10⁹ элементов. Но пределы уменьшения размеров элементов не безграничны. У интегральной микроэлектроники существуют физические пределы развития.

Вступая в третье тысячелетие, в конкуренцию с традиционной микроэлектроникой вступает новое направление – наноэлектроника.

На развитие нанотехнологий и создание наноэлектронных приборов, устройств и систем, развитые страны тратят порядка 10 млрд долларов ежегодно.

Параллельно с интегральной микроэлектроникой и наноэлектроникой развивается функциональная электроника. Устройства функциональной электроники позволяют реализовывать определенные функции аппаратуры без применения стандартных базовых радиокомпонентов (транзисторов, диодов, резисторов и т. д.), используя различные физические явления в твердом теле (оптические, магнитные, акустические и другие).

Бурное развитие электроники продолжается. Ближайшие десятилетия прогнозируется прогресс в новых направлениях квантовой электроники и биоэлектроники.