Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника

r r Шишкин,А.r ШишкинЭлектроникаРекомендованоучебно-методическим объединением вузов Российской Федерациипо образованию в области радиотехники, электроники,биомедицинской техники и автоматизациив качестве учебника для студентов высших учебных заведений,обучающихся по направлению210300 -МОСКВА~орофа2оо9«Радиотехника»УДК621.38(075.8)ББК 32.85я73Ш65Рецензенты: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.Ш65Электроника: учеб. для вузов/ Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. - М. : Дрофа, 2009. - 703, [1] с. : ил.ISBN 978-5-358-03595-9Учебник состоит из шести разделов и охватывает все области современ­ной электроники-физику полупроводников и электрических переходов,физические процессы, устройство и характеристики полупроводниковыхдиодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, фотоэлектричес­ких,оптоэлектронных и электровакуумных приборов, а также такиеактуальные вопросы, как базовые элементы аналоговых и цифровых интег­ральных схем, принципы и устройства квантовой электроники, наноэлект­роники и функциональной электроники.

Рассматриваются проблемы ПIУ­мов, радиационной стойкости и надежности приборов. Все главы снабженыконтрольными вопросами для повторения материала.Для подготовки бакалавров, магистров и инженеров (специалистов)широкого профиля, обучающихся по направлению210300 УДК«Радиотехни-621.38(075.8)ББК 32.85я:73ISBN 978-5"358-03595-9©ООО 4Дрофа•,2009--------1\ Предисловие ·\1-- - - - - -Данный учебник предназначен для изучения дисциплины«Электроника», которая составляет основу общепрофессиональ­ной подготовки бакалавров, магистров и специалистов (инжене­ров) широкого профиля по направлению210000 «Электронная210300 «Радиотех­техника, радиотехника и связь» (в частности,ника»). В связи со значительным прогрессом в области электро­ники, достигнутым в последнее десятилетие, произошли сущест­венные преобразования в содержании государственного стан­дарта высшего профессионального образования по указанномунаправлению и в разработанных на его основе учебных планах ипрограммах.

Данная книга является, по существу, первым учеб­ником, который полностью соответствует современным требова­ниям государственного стандарта и примерной программе по дис­циплине «Электроника».С учетом вышесказанного учебник включает 'ряд вопросов,которые традиционно не рассматривались в курсах, посвящен­ных изучению электронных приборов[1,2],и охватывает всеразделы современной электроники, в том числе и базовые эле­менты аналоговых и цифровых интегральных схем, принципыи устройства квантовой и функциональной электроники, а так­же наноэлектроники.При изложении материала в основном использовался прин­цип объединения электронных Приборов по виду рабочей среды,что обусловливает общность большинства физических явлений визучаемых вопросах и облегчает усвоение материала студентами.В первых пятнадцати главах, содержание которых составляет ос­нову дисциплины,рассмотрениеначинаетсясполупроводнико­вых, а заканчивается электровакуумными приборами (ЭВП) сверх­высоких частот (СВЧ) с динамическим управлением и газораз­рядными приборами.

Последующие главы (гл.16, 17, 19-21)посвящены оптоэлектронным приборам, включая приборы кван­товой (когерентной) электроники. Рассмотрение общих вопросов,определений, относящихся к классификации электронных прибо­ров различного типа, режимам и условиям их эксплуатации, на-Предисловие4дежности, радиационной стойкости, шумам, вынесено во введе­ние и в последний, шестой раздел книги.Основное внимание в учебнике уделено физическим основам,принципам работы и характеристикам полупроводниковых при­боров, интегральных схем (ИС), ЭВП СВЧ с динамическим управ­лением, электронно-лучевых приборов, газоразрядных приборови индикаторов, оптоэлектронных приборов и приборов квантовойэлектроники (лазеров и мазеров).

Подробно анализируются про­цессы, составляющие основу современной микроэлектроники, аименно явления, происходящие в электронно-дырочных перехо­дах,контактахметалл-полупроводник,гетеропереходах;рас­сматриваются свойства различных моделей диодов, транзисторов,основытехнологииизготовлениядискретныхполупроводнико­вых приборов и элементов полупроводниковых и вакуумных ИС.В учебник, согласно современным требованиям, впервые вклю­чены материалы по основным базовым элементам аналоговых ицифровых ИС (гл.7-9),по наноэлектронным приборам и при­борам функциональной электроники (гл.приборам с зарядовой связью (гл.16).10),фотоэлектроннымНовацией в данной книгеявляется также включение раздела, посвященного приборамквантовой электроники-лазерам и мазерам (гл.1 7-21),а так­же существенное расширение сведений по плазменным панелями жидкокристаллическим индикаторам (гл.15).Для: практического закрепления изучаемого материала в ос­новном тексте учебника и в приложении1приведены сведения опорядках величин параметров приборов, электрофизических ха­рактеристиках материалов и исследуемых процесС<?В.

Подавляю­щее большинство графиков имеет размерный масштаб. В теоре­тических разделах, а также в приложении2приводятся необ­ходимые математические выкладки и расчетные соотношения,большая часть формул иллюстрируется числовыми примерами;используются определения и термины, регламентированные го­сударственными стандартами. Для получения данных о постоян­но обновляемой номенклатуре электронных приборов в учебникедаются ссылки на соответствующие каталоги, справочники идругие 'Издания.

Специальные вопросы, имеющие факультатив­ный характер,-методы описания шумов (п.22.3) и сведения по23.3) - на­радиационной стойкости электронных приборов (п.браны мелким шрифтом. В помощь студентам в конце каждойглавы приведены контрольные вопросы для повторения изучен­ного материала.Предисловие5ДлЯ освоения дисциплины «Элехтроника» студенту достаточ­но знаний по общеобразовательным и общетехническим предме­там. В результате изучения этой дисциплины студент получаетбазовую подготовку, необходимую для успешного освоения спе­циальных радиотехническихкурсов и последующего решенияразличного рода профессиональных задач, связанных с раци­ональным выбором электронных приборов и режимов их работыв радиотехнической аппаратуре.

Подробное рассмотрение физи­ческих основ явлений, принципов работы, параметров, характе­ристик и моделей приборов направлено на развитие у студентаумения самостоятельно решать задачи моделирования, анализаи синтеза электронных устройств при их проектировании и экс­плуатации. Успехов в разработке и использовании такой техни­ки смогут достичь лишь специалисты,имеющие прочные зна­ния по электронике полупроводниковых приборов.Основной текст учебника написан Г. Г.

Шишкиным; главы15,16, 19 и приложение 2 написаны авторами совместно.Авторы выражают признательность коллегам по кафедре «Те­оретическая радиотехника» Московского авиационного институ­та, высказавшим конструктивные замечания по содержанию ру­кописи, приносят искреннюю благодарность академику МАНШ,профессору СГУ, доктору физико-математических наук, заслу­женному деятелю науки РФ Д. А. Усанову за ряд полезных кри­тических замечаний и рекомендаций. Особую благодарность ав­торы приносят редактору книги доценту, кандидату физико­математических наук И.

Я. Ицхоки за тщательность и высокийпрофессионализм редактирования, а также рецензентам: профес­сору, доктору технических наук В. Н. Кулешову и доценту, кан­дидату технических наук В. Н. Павлову за ценные замечания ирекомендации, способствовавшие улучшению качества учебни­ка. Большую помощь при оформлении рукописи оказали студен­ты факультета радиоэлектроники Московского авиационного ин­ститута А. Пашенька, П. Федоров, В.

Суриков, за что авторы имблагодарны.введениеОсновные сведения об электронных приборах. Важнейшиминаправленияминаучно-техническогопрогрессаявляютсяос­воение передовых технологий, включая лазерную, плазменнуюипучковую,иавтоматизацияимеханизацияпроизводства.Современный этап решения задач в рамках этих направленийопирается на революцию в электронно-вычислительной тех­нике. Для того чтобы обеспечить глубокие качественные из­менения в производительных силах,создание принципиальноновых видов продукции, техники и технологии, необходимоинтенсивное развитие и расширение Исследований в областиестественных и технических наук, включая физику твердоготела, микро- и квантовую электронику и оптику, радиофизикуи радиоэлектронику, от уровня развития которых зависит об­щий индустриальный и научный потенциал общества, включаядостижения в автоматизации производства, р·азвитии принци­пиально новых технологий, освоении космоса, вычислительнойтехнике, медицине, искусстве, телевидении и т.

д.Таким образом, характеристики радиоэлектронных инфор­мационных систем, которые осуществляют накопление, пере­дачу, хранение и переработку информации, представляемой вформе различного рода информационных сигналов, определя­ются уровнем развития электроники.Электроника-это наука о взаимодействии электронов сэлектромагнитными полями, о методах, охватывающих иссле­дование и разработку эле1стронных приборов, и о принципах ихиспользования. Информационный сигнал формируется за счетизменения параметров какого-либо физического процесса. Дляпередачи и обработки больших объемов информации наиболеечасто сигналы формируются с помощью электрического тока(или напряжения) и электромагнитного излучения. Процесс об­работки информации в том или ином виде осуществляется по­средством электронных приборов.Электронные приборынованана-использованииэто устройства, работа которых ос­электрических,тепловых,оптиче-7Введениеских и акустических явлений в твердом теле, жидкости, ваку­уме, газе или плазме.

Электронные приборы используются какэлементы радиоэлектронной аппаратуры, не подлежащие сбор­ке, разборке и ремонту.Основные наиболее общие функции, выполняемые прибора­ми, состоят в преобразовании либо информационных сигналов,либо энергии. В качестве примеров преобразования энергииможно привести преобразование солнечной энергии в электри­ческую, 't'епловой в электрическую, преобразования переменно­го тока в постоянный и наоборот.Само название •электронные приборы» связано с тем, что всепроцессы преобразования сигналов и энергии происходят либотолько за счет движения электронов, либо при их непосредствен­ном участии.

Основными задачами электронного прибора какпреобразователя информационных сигналов являются:усиле­ние, генерйJ)ование, передача, накопление и хранение сигналов,выделение их на фоне шумов.Наиболее часто электронные приборы классифицирую't'ся поих назначению, физическим свойствам, основным электриче­ским параметрам, конструктивно-технологическим признакам,по роду рабочей среды и т. д.В зависимости от вида сигналов и способа обработки инфор­мации все существующие электронные приборы разделяютсяна 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 преобра­зование электрических сигналов, в электросветовых приборахэлектрические сигналы преобразуются в оптические (световые),в фотоэлектрических и термоэлектрических соответственно оп­тические и тепловые сигналы преобразуются в электрические, вакустоэлектронных приборах электрические сигналы преобразу­ются в акустические.