Введение. В начале прошлого столетия, благодаря усилиям учёных–физиков всех развитых стран мира, возникло новое научно-техническое направление

Предисловие

В начале прошлого столетия, благодаря усилиям учёных–физиков всех развитых стран мира, возникло новое научно-техническое направление, названное электроникой. В рамках этого направления были созданы различные электронные устройства, имеющие огромное прикладное значение. Появление этих устройств привело к резкому повышению эффективности человеческой деятельности практически во всех её направлениях. В частности, появилась возможность передавать информацию на огромные расстояния с высокой скоростью, как следствие, появился Интернет, а с ним и различные информационные технологии, возникли новые технологические процессы, возросла результативность фундаментальных научных исследований в области естественных и технических наук, увеличилась производительность труда. Рост производительности труда, в частности, объясняется высоким быстродействием электронных приборов, входящих в состав упомянутых электронных устройств. Например, такой электронный прибор как транзистор имеет быстродействие порядка единиц гигагерц, т.е. может переходить из одного состояния в другое миллиарды раз в секунду.

Целью настоящего пособия является изложение физических основ работы различных электронных приборов – вакуумных, газонаполненных и твёрдотельных. В пособии рассмотрены качественные и количественные закономерности, определяющие физический механизм процессов, происходящих в данных приборах. Зачастую эти процессы носят квантовый характер и потому достаточно сложны для понимания.

Усвоение материала пособия поможет разобраться в принципах работы различных электронных приборов, что, в свою очередь, позволит эффективно использовать их при разработке новых электронных устройств.

Отбор материала пособия и его изложение, исходя из профиля подготовки, ориентированы на достижение максимального эффекта прикладного характера. С этой целью рассмотрение различных физических явлений и процессов увязывается с конкретными электронными приборами, в которых эти явления и процессы находят применение. Рассматриваются также простейшие электронные устройства на базе этих приборов.

Пособие предназначено для изучения одноименной дисциплины, являющейся федеральным компонентом образовательного стандарта при подготовке бакалавров профиля «Промышленная электроника» направления «Электроника и наноэлектроника»

Материал, изложенный в настоящем пособии, базируется на дисциплине «Физика. Общий курс».

Введение

Электронику обычно определяют как область науки и техники, которая занимается решением задач, связанных с проектированием, изготовлением и применением электронных приборов и устройств на их основе. Электронными эти приборы называют потому, что их работа связана с движением электронов в рабочей среде прибора, в качестве которой используют вакуум, газы и твёрдые тела. Таким образом, существуют вакуумные, газонаполненные и твёрдотельные приборы, и электроника, как таковая, подразделяется на вакуумную, газоразрядную (поскольку процесс движения заряженных частиц в газе называют газовым разрядом) и твёрдотельную.

Существует также особый класс приборов, предназначенных для преобразования электрической энергии в энергию света и световой энергии в электрическую. Указанные приборы разработаны на основе квантовых представлений, поэтому соответствующее направление носит название оптической и квантовой электроники.

Как научно-техническое направление электроника прошла несколько этапов развития.

Первый этап, начавшийся в 1904г., был этапом вакуумных приборов и устройств. Своё название они получили в связи с тем, что потоки электронов (а иногда говорят пучки, а также лучи, если поток имеет малое поперечное сечение) использовались в сильно разреженной среде, условно называемой вакуумом. Разреженная среда создаётся путём откачки газа (воздуха) из корпусов приборов и устройств. Необходимость создания вакуума объясняется тем, что в процессе своего движения электроны могут взаимодействовать (сталкиваться) с атомами и молекулами газа (воздуха). При этом, если их энергия достаточно велика, – а в реальных приборах она составляет величину порядка 10² – 10⁸эВ, то такое взаимодействие может приводить к ударной ионизации атомов газа, в результате которой появляются дополнительные электроны и ионы. Подобное развитие событий часто нежелательно, так как появление новых электронов является неконтролируемым процессом, а ионы, будучи заряжены положительно, начинают двигаться в противоположном - по отношению к электронам – направлении, оказывая, кроме того, разрушительное воздействие на конструктивные элементы устройства, поскольку их масса в тысячу с лишним раз больше массы электрона. В разреженной же среде (вакууме) концентрация атомов и молекул газа мала, а потому мала и вероятность ударной ионизации.

Приборы и устройства вакуумной электроники используют в разных целях. Например, в таком вакуумном устройстве как электронный микроскоп электроны играют ту же роль, что и фотоны электромагнитного излучения (ЭМИ) в микроскопе оптическом. Дело в том, что микро – и наноразмерные объекты, которые создаются, к примеру, методами интегральной технологии, можно рассмотреть лишь в том случае, если длина волны падающего на них и отражаемого от них в глаза наблюдателя излучения меньше, чем размеры исследуемого объекта (например, линейкой с миллиметровыми делениями невозможно точно измерить толщину пылинки). Диапазон длин волн видимой части спектра ЭМИ составляет примерно 0,38 – 0,78мкм или 380 – 780нм. Следовательно, оптический микроскоп не позволит рассмотреть элементы структуры кристалла микросхемы, например, отдельные атомы или молекулы, имеющие размеры порядка долей нанометров. В то же время электрон, чьи волновые свойства были предсказаны Луи де Бройлем (1924), может иметь длину волны (волны де Бройля) на порядки меньшие, чем у фотонов. Следовательно, электронный микроскоп, в котором на исследуемый объект направляется пучок электронов, имеет гораздо большее разрешение, нежели оптический микроскоп (под разрешением, в данном случае, понимают минимальный размер объекта, доступного наблюдению).

Электронные потоки используются также в ускорителях элементарных частиц, предназначенных для изучения строения вещества и др. целей.

Воздействуя на потоки электронов электрическими сигналами малой мощности, можно получать эффект усиления этих сигналов, т.е. увеличения их мощности без искажения закона изменения сигналов во времени.

С помощью электронных потоков можно также получать эффект генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний, используемых в радиолокации, для передачи информации (спутниковая связь), в медицине. И так далее.

Из сказанного следует, что в вакуумной электронике решаются две задачи: во-первых, получение электронов как таковых, находящихся вне того вещества, в котором они ранее находились, т.е. свободных (от вещества) электронов, во-вторых – формирование из них электронных потоков необходимой конфигурации, скорости и направления.

Первая задача решается путём использования явления электронной эмиссии (от англ. emission - испускание), т.е. явления испускания веществом электронов, совершаемое при определённых условиях. Вещество, способное испускать электроны – а чаще всего это твёрдое вещество, называют эмиттером. Что касается свободных электронов, испущенных в вакуум, то они организуются в электронные потоки с помощью внешних - специально созданных - электрических и (или) магнитных полей.

Приборы и устройства, в которых создаётся вакуум и используется явление электронной эмиссии, являются объектами соответствующего направления – вакуумной эмиссионной электроники.

Исследовательские работы, выполненные в рамках первого этапа, показали, что если в корпуса приборов ввести некоторое количество инертного газа (неон, аргон, криптон, ксенон и др.), то можно получить ряд полезных эффектов. Инертными их называют потому, что при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних энергетических воздействий эти газы являются изоляторами, т.е. у них отсутствуют носители тока – электроны и ионы. Однако, при воздействии на газ каким-либо источником энергии атомы газа ионизуются, в нём появляются носители заряда, следовательно, при наложении внешнего электрического поля в объёме газа начинает протекать электрический ток, т.е. возникает газовый разряд. Газоразрядным прибором, к примеру, является счётчик Гейгера, предназначенный для измерения уровня радиоактивности.

Таким образом, помимо вакуумной электроники существует также и газоразрядная электроника, в рамках которой рассматриваются вопросы, связанные с эффектами, возникающими при прохождении тока в газах. Во многих газоразрядных приборах целенаправленно используется процесс эмиссии, поэтому газоразрядная электроника также является эмиссионной.

Второй этап развития электроники (1948) ознаменовался появлением твёрдотельных приборов, в которых использовались полупроводниковые материалы. Интерес к ним связан с тем, что в полупроводниках сравнительно легко – за счёт пОлевых воздействий – можно менять концентрацию носителей тока от уровня, соответствующего диэлектрикам, до уровня, почти соответствующего проводникам. В этих приборах электронные потоки создаются наложением преимущественно электрических полей на вещество полупроводника. И если поведение электронов в вакууме описывается чаще всего с использованием аппарата классической физики (исключением является описание движения электронов в веществе эмиттера), то в случае с полупроводниковыми приборами необходимо использовать только квантовую механику.

Применение приборов второго этапа развития электроники позволило в десятки раз уменьшить массу и габариты электронных устройств и существенно снизить их энергопотребление. С помощью приборов твёрдотельной электроники решаются задачи усиления, генерации, трансформации электрических сигналов и др.

Наконец, на третьем этапе (середина 50-х годов прошлого столетия) была разработана интегральная технология изготовления так называемых микросхем – полупроводниковых конструкций чрезвычайно малых размеров, содержащих огромное – порядка миллиона – количество твёрдотельных полупроводниковых приборов в одном корпусе. Использование микросхем в различных электронных устройствах позволило, в свою очередь, многократно уменьшить их массу, габариты и энергопотребление.