28

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

ВВЕДЕНИЕ

Определение термина «Электроника». Направления развития электроники и основные физические явления, лежащие в основе работы электронных приборов.

Еще в 19 веке был открыт ряд физических явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем и веществом. Такие явления получили названия электромагнитных. К ним относятся:

– испускание электронов накаленным телом – термоэлектронная эмиссия;

– испускание электронов веществом под воздействием фотонов (фотоэффект);

– испускание фотонов веществом под воздействием электронов (люминесценция);

– зависимость электронной проводимости цепи, состоящей из накаленного и ненакаленного электродов, разделенных вакуумным промежутком, от направления тока;

– ионизация разреженного газа при прохождении потока быстро движущихся электронов, сопровождающаяся резким увеличением электрической проводимости среды;

– наличие двух типов электропроводности полупроводника (электронной и дырочной), в зависимости от преобладания того или другого вида носителей заряда (электронов или дырок);

Перечисленные и многие другие электронные явления хорошо изучены и имеют практическое применение. Приборы, принцип действия которых основан на физических явлениях, связанных с движением электрически заряженных частиц в вакууме, газе или в твердом теле, называются электронными. Область науки и техники, которая занимается изучением и разработкой электронных приборов и устройств, называется электроникой.

Наиболее общим классификационным признаком является рабочая среда, в которой протекают основные физические процессы в приборе. Таким образом, различают электровакуумные, ионные (газоразрядные) и полупроводниковые приборы.

В электровакуумных приборах рабочее пространство изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой – баллоном. Электрические процессы в этих приборах протекают в среде высокоразреженного газа с давлением порядка 10-6 мм рт. ст. К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые, фотоэлектронные и сверхвысокочастотные приборы.

Ионными (газоразрядными) называют приборы, баллоны которых наполнены инертными газами (аргоном, неоном, криптоном и др.), их смесью, водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне не велико: 10-10-5 мм рт. ст. Заполнение приборов газом позволяет пропустить через них значительно больший ток, чем это возможно в электровакуумном приборе при той же потребляемой мощности, что объясняется малым внутренним сопротивлением прибора, а следовательно, малым падением напряжения между анодом и катодом.

Конструкция и назначение ионных приборов весьма разнообразны. Большинство их типов применяется для выпрямления переменного тока (газотроны, игнитроны, тиристоры, ртутные вентили и др.). Используются они также для стабилизации постоянных напряжений (стабилитроны), в качестве электронных реле, переключающих устройств (ионные разрядники).

Промышленное развитие электронной техники можно отнести к началу XX–го столетия,

• в 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу (диод).

• В 1907 г. американец Л. Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный генерировать и усиливать электрические колебания. В России первую электронную лампу изготовил в 1914 г. Н.Д. Папалекси.

• В 30—х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике.

• В 1948 г. американскими учёными изобретён первый полупроводниковый усилительный прибор — транзистор. . Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии.

Промышленный выпуск интегральных микросхем (ИС) начат в начале 60-х годов и способствовал бурному прогрессу в развитии информационной электроники и микроминиатюризации электронных средств. Эти тенденции получили ещё большее развитие с появлением больших (БИС), затем и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Основным элементом ЭВМ стал микропроцессор — СБИС, содержащий десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле (полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров).

В настоящее время СБИС, наряду с БИС, ИС и отдельными типами дискретных полупроводниковых приборов, стали основной элементной базой современных электронных средств.

Этапы развития электроники

В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определённых этапах невозможно решать новые задачи старыми электронными средствами, т.е. на основе существующей элементной базы.

Основные факторы, вызывающие необходимость разработки электронных устройств на новой элементной базе: повышение надёжности; уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники, а вместе с ней соответственно и электронных устройств.

I поколение (1904—1950 гг.) — основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные приборы, в которых пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные.

• Электронный электровакуумный прибор — прибор, в котором электрический ток создаётся только свободными электронами.

• Ионный электровакуумный прибор — прибор с электрическим разрядом в газе или парах; называется также газоразрядным. Семейство электронных электровакуумных приборов весьма обширно и объединяет следующие группы приборов: электронные лампы; электронно-лучевые приборы; электровакуумные фотоэлектрические приборы и др.

Наиболее широко в элементной базе электронных устройств I-го поколения применялись электронные лампы — электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока.

Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габариты и массу. Число элементов в единице объёма (плотность монтажа) электронных устройств I-го поколения составляло γ = 0,001…0,003 эл/см3.

Сборка таких электронных устройств осуществлялась, как правило, вручную, соединением электровакуумных приборов между собой и с соответствующими пассивными элементами (резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами) с помощью проводов.

II поколение (1950— начало 60-х годов) — характеризуется применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров).

Сборка электронных устройств II поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате — диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединёнными между собой проводниками.

Проводники выполнялись осаждением медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определённой электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II поколения за счёт применения малогабаритных элементов составляла γ ≈ 0,5 эл/см3.

III поколение электронных устройств (1960—1980 гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники и качественно нового типа электронных приборов — интегральных микросхем . Основой элементной базы этого поколения электронных устройств стали интегральные схемы и микросборки.

Интегральная схема — это совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющих определённую функцию преобразования информации.

Плотность монтажа электронных устройств III поколения составляет γ ≤ 50 эл/см3.Этот этап развития электронных устройств характеризуется резким уменьшением габаритов, массы и энергопотребления, повышением их надёжности, в том числе и за счёт сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) — характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения БИС и СБИС. Отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме, представляющей собой готовое электронное устройство приёма, преобразования или передачи информации. Такие электронные устройства, выполненные в виде СБИС, позволяют полностью обеспечить требуемый алгоритм обработки исходной информации, существенно повысить надёжность их функционирования. Плотность монтажа электронных устройств IV поколения 1000 эл/см3 и выше.

Тема 1. Элементы квантовой механики

1. Корпускулярно-волновые свойства света.

ЭФФЕКТ КОМПТОНА представляет собой изменение длины волны, сопровождающее рассеяние пучка рентгеновских лучей в тонком слое вещества. Явление было известно еще за несколько лет до работы А.Комптона, который опубликовал в 1923году результаты тщательно выполненных экспериментов, подтвердивших существование этого эффекта, и одновременно предложил его объяснение. (Вскоре независимое объяснение было дано П.Дебаем, почему явление иногда называют эффектом Комптона – Дебая.)

С одной стороны, теория электромагнитного излучения Максвелла (1861) утверждала, что свет представляет собой волновое движение электрического и магнитного полей; с другой, квантовая теория Планка и Эйнштейна доказывала, что при некоторых условиях пучок света, проходя через вещество, обменивается с ним энергией, причем процесс обмена напоминает столкновение частиц. Важное значение работы Комптона состояло в том, что она явилась важнейшим подтверждением квантовой теории, поскольку, показав неспособность теории Максвелла объяснить экспериментальные данные,

Рис.1.1.

Комптон предложил простое объяснение, основанное на гипотезе квантов. Согласно теории Планка и Эйнштейна, энергия света с частотой  передается порциями – квантами (или фотонами), энергия которых Е равна постоянной Планка h, умноженной на . Комптон же предположил, что фотон несет импульс, который (как следует из теории Максвелла) равен энергии Е, деленной на скорость света с.

При столкновении с электроном мишени рентгеновский квант передает ему часть своей энергии и импульса. В результате рассеянный квант вылетает из мишени с меньшими энергией и импульсом, а следовательно, с более низкой частотой (т.е. с большей длиной волны). Комптон указал, что каждому рассеянному кванту должен отвечать выбиваемый первичным фотоном быстрый электрон отдачи, что и наблюдается экспериментально.

Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987), основываясь на эффекте Комптона и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма.

В оптике для фотонов наряду с явлениями дифракции, интерференции (волновыми явлениями) наблюдаются и явления, характеризующие корпускулярную природу света (фотоэффект, эффект Комптона).

Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия Е и импульс р, а с другой - волновые характеристики - частота v и длина волны l Количественные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

E=hv, p=h/. (1.1)

Особенность гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что соотношение (1) постулировалось не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности для таких, которые обладают массой покоя. Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля:

=h/p (1.2)

Это соотношение справедливо для любой частицы с импульсом р.

Рис 1.2

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. В 1927 г. американские физики К. Дэвиссон (1881-1958) и Л. Джермер (1896-1971) обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки - кристалла никеля, - дает отчетливую дифракционную картину.

Дифракция частиц – рассеяние микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов и т.п.) кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц данного типа возникают дополнительно отклонённые пучки этих частиц.

Направление и интенсивность таких отклонённых пучков зависят от строения рассеивающего объекта.

Дифракция при рассеянии частиц, с точки зрения классической физики, невозможна.

Дифракция представляет собой явление волновое и может быть понята лишь на основе квантовой теории, оно наблюдается при распространении волн различной природы: дифракция света, звуковых волн, волн на поверхности жидкости и т.д.