Физическая электроника и электронные приборы l Лектор

Физическая электроника и электронные приборы l Лектор – Светцов Владимир Иванович e-mail svetsov@isuct. ru l Трудоемкость дисциплины 185 часов, аудиторные занятия 90 часов, в том числе лекции 45 часов, лабораторно-практические занятия 45 часов, зачет, экзамен. l Преподаватель: Холодкова Наталья Витальевна

Модули дисциплины l Вакуумная и плазменная электроника l Оптическая и квантовая электроника l Твердотельная электроника и микроэлектроника

Основная литература В. И. Светцов, И. В. Холодков Физическая электроника и электронные приборы

Литература l 1. Фридрихов С. А. , Мовнин С. М. Физические основы электронной техники: Учеб. для вузов. М. : Высшая школа, 1982. -608 с. l 2. В. И. Светцов. Вакуумная и плазменная электроника. Уч. пособие. Иваново, ИГХТУ, 2003 г. , 171 с. l 3. Электронные приборы. Ред. Г. Г. Шишкин/ М. , 1989 l 4. Лаборат. практикум по физической электронике и электронным приборам. Ред. В. И. Светцов. Уч. пособие. Иваново, ИГХТУ, 2001 г. , 234 с. l 5. А. Д. Сушков. Вакуумная электроника. Физикотехнические основы. СПб, Изд. Лань, 2004 г. , 462 с. l 6. В. А. Терехов. Задачник по электронным приборам. Уч. пособие. СПб, Лань, 2003, 278 с. l 7. В. И. Светцов, И. В. Холодков. Физическая электроника и электронные приборы. Иваново, ИГХТУ, 2008 г. , 494 с.

Электроника l Предметом изучения физической электроники является движение электронов в вакууме, газах, твердых телах, на границах раздела сред и физические основы работы электронных приборов.

Электроника В соответствии с приведенным выше определением можно выделить следующие основные направления развития электроники: l Вакуумная электроника l Газоразрядная (плазменная) l Твердотельная l Микроэлектроника l Квантовая l Оптическая l Наноэлектроника l Функциональная электроника

Важнейшей предпосылкой для исследования и объяснения различных электронных процессов и создания электронных приборов явилось открытие электрона в 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. От этой даты во многих случаях отсчитывается и история развития электроники, хотя многие эффекты были обнаружены и исследовались и ранее.

Джозеф Джон Томсон (1856– 1940) В 1906 г. Томсон получил Нобелевскую премию по физике. Показав, что атом не является самой последней неделимой частицей материи, Томсон и в самом деле открыл дверь в новую эру физической науки. Семь учеников Томсона стали в свое время лауреатами Нобелевской премии.

Вакуумная электроника История, современное состояние и перспективы развития вакуумной электроники и вакуумных электронных приборов

l В 1873 г. русский электротехник А. Н. Лодыгин (на фото) изобрел первый в мире электровакуумный прибор — лампу накаливания. Независимо от него такую же лампу создал и усовершенствовал американский изобретатель Т. А. Эдисон.

Термоэлектронная эмиссия l В 1883 г. Т. А. Эдисон впервые в мире обнаружил прохождение тока через вакуум к добавочному электроду, т. е. открыл явление термоэлектронной эмиссии, названное в ту пору “эффектом Эдисона”. Открыл тогда, когда представлений об электроне в науке еще не было. В 1884 г. в Американском институте инженеровэлектриков был сделан и тотчас же опубликован доклад об эффекте Эдисона. Это была первая в мировой литературе статья по электронике вообще. Диод Флемминга и триод Ли де Фореста – прямые следствия открытия Эдисона.

Томас Альва Эдисон. Выдающийся изобретатель, автор 1093 патентов.

Первые электронные лампы l В 1904 г. Д. Э. Флеминг, используя разработки А. Н. Лодыгина и Т. А. Эдисона, изготовил первую электронную лампу – диод, который начали использовать в приемниках для выделения передаваемых сигналов. l В то же время А. Венельт (Германия) открыл и исследовал повышенную электронную эмиссию проволок, покрытых оксидами щелочно-земельных металлов.

Первые электронные лампы Развитие электроники началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904 г. ); трехэлектродной лампы – триода (Л. Де Форест, 1906 г. ); использования триода для генерирования электрических колебаний (нем. инж. А. Мейснер, 1913 г. ); разработки мощных генераторных ламп с водяным охлаждением (М. А. Бонч-Бруевич, 1919 -25 г. г. ) для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания.

Джон Амброз Флеминг 1849 -1945

Ли де Форест 1873 - 1961

l В 1918 -1919 гг. М. А. Бонч-Бруевич и независимо от него немецкий ученый Г. Г. Баркгаузен. (на фото) разработали теорию триода, В то же время ввел в лампу экранирующую сетку немецкий ученый В. Шотки.

Отечественные лампы с 4 -вольтовым косвенным накалом. Начало 1930 -х годов. Первые советские лампы для сетевого питания

Приборы СВЧ Создание многорезонаторного магнетрона (Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров под рук. М. А. Бонч. Бруевича, 1936 -37 г. г. ), отражательного клистрона (Н. Д. Девятков и др. и независимо от них В. Ф. Коваленко, 1940 г. ) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн. Пролетные клистроны (идея предложена в 1932 г. Д. А. Рожанским, развита в 1935 г. А. Н. Арсеньевой и нем. физиком О. Хайлем, реализована в 1938 г. амер. физиками Р. и З. Варианами и др. ) и лампы бегущей волны (амер. ученый Р. Компфнер, 1943 г. ) обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем космической связи.

Внешний вид и разрез первого многорезонаторного магнетрона

1887 г. немецкий физик Г. Р. Герц, известный своими опытами с электромагнитными волнами, открыл фотоэлектрический эффект

l Объяснение фотоэффекта было дано на основе теории квантов А. Эйнштейном лишь в 1905 г.

l Исследования фотоэлектрического эффекта , начатые в 1888 г. в России А. Г. Столетовым, открытие законов фотоэффекта положили начало развитию фотоэлектронных приборов.

Фотоэлектронные приборы l В течение короткого времени были созданы основные фотоэлектронные приборы. Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал А. Г. Столетов, 1888 г. , пром. образец – нем. ученые Ю. Эльстер и Г. Хейтель, 1910 г. ), фотоэлектронные умножители – однокаскадные (П. В. Тимофеев, 1928 г. ) и многокаскадные (Л. А. Кубецкий, 1930 г. )

Электронно-лучевые приборы В 30 -е годы 20 столетия были разработаны основные типы приемных и передающих телевизионных трубок – видикона (идея предложена в 1925 г. А. А. Чернышевым), иконоскопа (С. И. Катаев, независимо от него В. К. Зворыкин, 1931 -32 г. ), супериконоскопа (П. В. Тимофеев, П. В. Шмаков, 1933 г. ), суперортикона (двухсторонняя мишень для такой трубки была предложена сов. ученым Г. В. Брауде в 1939 г. , впервые суперортикон описан амер. учеными А. Розе, П. Веймером и Х. Лоу в 1946 г. ) и др. Отцом современного телевидения заслуженно считается В. К. Зворыкин.

Владимир Зворыкин В 1923 году Зворыкин подаёт патентную заявку на телевидение, осуществляемое полностью на электронном принципе, и к 1933 году завершает со своими сотрудниками создание полностью электронной телевизионной системы. До конца 1930 -х годов группа Зворыкина создаёт ряд передающих трубок, в том числе передающую трубку ночного видения. Первоначальное название передающей трубки — иконоскоп, приёмной — кинескоп.

Владимир Козьмич Зворыкин 1888 – 1982 г. г. С 1919 года проживает в США. В. К. Зворыкину принадлежат более 120 патентов на различные изобретения. В 1977 году он избран в Национальную галерею славы изобретателей.

Один из первых…. .

Современное состояние и основные направления развития вакуумной электроники l Во многих приборах заменены на полупроводниковые; l Сохраняют позиции: ◄мощные СВЧ-приборы, ◄ кинескопы и дисплейные трубки, ◄ специализированные приборы в некоторых областях науки и техники, ◄вакуумные лампы для прецизионной звукозаписывающей аппаратуры.

Мощные СВЧ-приборы Импульсные магнетроны

Кинескоп

Лампы для специализированных приборов в некоторых областях науки и техники: Приемно-усилительные лампы Генераторные лампы

Лампы для специализированных приборов в некоторых областях науки и техники: Модуляторные лампы Разрядники резонансные

История, современное состояние и перспективы развития плазменной электроники и газоразрядных электронных приборов

Краткий исторический обзор. l Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили в XVIII в. академики М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман в России и независимо от них американский ученый Б. Франклин.

Естественные электрические разряды в воздухе - молнии.

l Открытие электрической дуги академиком В. В. Петровым в 1802 г.

l Прохождение электрического тока в разреженных газах исследовали в прошлом веке в Англии У. Крукс, Д. Д. Томсон, Д. С. Э. Таундсенд, Ф. У. Астон , в Германии — Г. И. В. Гейслер, И. В. Гитторф (на фото), Ю. Плюккер и другие.

l Американским физико-химиком Ирвингом Лангмюром введено понятие газоразрядной плазмы и разработаны принципы и методы ее исследования.

Газоразрядные приборы Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы), например, ртутные вентили, используемые главным образом для преобразования переменного тока в постоянный в промышленных установках, тиратроны для формирования мощных импульсов электрического тока в устройствах импульсной техники, газоразрядные источники света.

Цифровые газоразрядные индикаторы тлеющего разряда.

ГИП (газоразрядные индикаторные панели)

Энергосберегающие лампы

История, современное состояние и перспективы развития твердотельной электроники и электронных приборов Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприемных устройств (1900 -1905 г. г. ), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920 -1926 г. г. ), изобретение кристадина (О. В. Лосев, 1922 г. ), изобретение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948 г. ) определили становление и развитие полупроводниковой электроники.

Ленинградская школа физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе много сделала для развития теории полупроводников и создания полупроводниковых приборов.

l Трудами Я. И. Френкеля, Л. Д. Ландау, Б. И. Давыдова и других ученых создана теория возникновения ЭДС при освещении полупроводников. l Под руководством А. Ф. Иоффе изготовлены полупроводниковые термоэлектрические батареи. l 23 декабря 1947 года трое сотрудников исследовательской лаборатории Bell Labs - John Bardeen, Walter Brattain и William Shockley объявили о разработке транзистора. За это открытие в 1956 году они были награждены Нобелевской премией. Серийный выпуск транзисторов начался в 1953 году одновременно несколькими производителями.

Создатели транзистора John Bardeen, Walter Brattain и William Shockley

Солнечные элементы

Солнечные элементы на международной космической станции

Применение светодиодных ламп q Высокая эффективность и экономичность (в 6. . . 7 раз эффективнее ламп накаливания) q Малые габариты q Высокая долговечность (10 лет непрерывной работы) q Низкое питающее напряжение

Архитектурная и декоративная подсветка Светодиодные экраны

Светодиодные лампы

Светодиодная лампа

Микроэлектроника Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50 -х, начало 60 -х г. г. ) и методов интеграции элементов на одной монокристаллической полупроводниковой пластине (интегральная микросхема) привело к созданию нового направления – микроэлектроники…

Как это было? l 1960 – 1969 гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0, 25 x 0, 5 мм (МИС). l 1969 – 1975 гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС). l 1975 – 1980 гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС). l 1980 – 1985 гг. – интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС). l С 1985 г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

Закон Мура Один из основателей корпорации Intel, доктор Гордон Мур Основополагающий фактор, обусловивший выдающиеся достижения микроэлектроники, заключается в том, что уменьшение размеров устройства улучшает практически все характеристики электронной микросхемы.

Микроэлектроника l Основной тенденцией развития микроэлектроники является: § непрерывное повышение степени интеграции, § непрерывное повышение информационной емкости интегральных микросхем, § одновременное уменьшение стоимости бита информации, § переход от больших интегральных схем к сверхбольшим и ультрабольшим,

Микроэлектроника l Уменьшение размеров элементов кремниевых микросхем: в массовом производстве 90 и 65 нм, в освоении 45 нм и 32 нм. l Использование материалов с высокой подвижностью электронов (арсенид галлия, сплав кремнийгерманий)

Микроэлектроника l Замена алюминиевой разводки на медную. l Использование технологии «Кремний на диэлектрике» . l Переход к функциональной электронике и наноэлектронике

Новые полупроводниковые материалы Светодиоды и кристаллы Системы связи Материалы на основе Si. C, Ga. N Твердотельные источники света Силовая электроника

Интегральные микросхемы

В цехе по производству микросхем

У истоков l В 1963 году Жорес Иванович Алфёров предложил конструкцию первого полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры.

l За работы в области гетероструктур академик Ж. И. Алферов в 2001 году удостоен Нобелевской премии.

Наноэлектроника является новой областью науки и техники, формирующейся сегодня на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники. Ее содержание определяется необходимостью установления фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур, их электронные и оптические свойства.

Полупроводниковые гетероструктуры Ga. As Inx. Ga(1 -x)As 5 – 50 нм Ga. As В квантовой яме возникает один или несколько дискретных уровней энергии. Эти уровни заполняются электронами, которые могут двигаться только в плоскости. «

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР НА САМООРГАНИЗОВАННЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ Подобное устройство имеет и лазер на квантовых ямах Массив квантовых точек «Фундаментальные науки – специалисту нового века» . ИГХТУ. Иваново - 2006

Одноэлектронный транзистор с нанокристаллом Cd. Se в качестве активного элемента Идея одноэлектронного транзистора принадлежит Д. В. Аверину и К. К. Лихареву (1986 г. ) «Фундаментальные науки – специалисту нового века» . ИГХТУ. Иваново - 2006

Изображения объектов, полученных методами сканирующей зондовой микроскопии Атомно-силовой рельеф CD-ROM; Поверхность графита с атомным разрешением Примеры структур, собранных из отдельных атомов с помощью туннельного микроскопа «Фундаментальные науки – специалисту нового века» . ИГХТУ. Иваново - 2006

Модели поперечных структур многослойных нанотрубок : нанотрубок а б в а) матрешка; б) шестигранная призма; в) свиток Модель однослойной нанотрубки «Фундаментальные науки – специалисту нового века» . ИГХТУ. Иваново - 2006

Влияние дефекта «семиугольник-пятиугольник» на геометрию нанотрубки и электрические свойства «Фундаментальные науки – специалисту нового века» . ИГХТУ. Иваново - 2006

Квантовая электроника Создание квантовых генераторов (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, Нобелевская премия 1955 г. ) – приборов квантовой электроники – определило качественно новые возможности электроники, связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты.

Системы отображения информации l ЖК бытового пользования, l ГИП – экраны коллективного пользования, l Электролюминесцентные – специализированные приборы, l Матричные с автоэлектронной эмиссией, l Лазерные (светодиодные) – реклама.

ЖК бытового пользования

ГИП (газоразрядные индикаторные панели)

Светодиодная реклама

Светодиодные экраны

Функциональная электроника l Одним из путей развития микроэлектроники является сочетание электронных явлений в твердых телах с другими эффектами и процессами – оптическими, магнитными, пьезоэлектрическими, акустическими, криогенными, химическими, молекулярными и т. д.

Оптическая электроника l. Оптоэлектроника основана на оптических явлениях в твердых телах (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнитооптика).

Пьезоэлектроника l Работа различных приборов пьезоэлектроники основана на пьезоэлектрическом эффекте. Прямой пьезоэлектрический эффект или просто пьезоэффект состоит в том, что при давлении на некоторые кристаллические тела, называемые пьезоэлектриками, на противоположных гранях этих тел возникают равные по величине, но разные по знаку электрические заряды.

Пьезоэлектронные приборы l Пьезодатчики, l пьезогенераторы, l трансформаторы, фильтры; l микросенсорные и сигнальные устройства, l пьезо и сегнетоэлектрические запоминающие устройства, l пьезодвигатели, микроманипуляторы и микророботы, l звукосниматели, громкоговорители, микрофоны, ультразвуковые генераторы, излучатели, приемники.

Пьезоэлектронные приборы Пьезотрансформатор

Пьезоэлектронные приборы Ударный пьезодвигатель

Акустоэлектроника К акустоэлектронным явлениям и эффектам относятся: · генерация, распространение, преобразование и детектирование объемных и поверхностных акустических волн; · преобразование электрического сигнала в акустический и обратно; · электронное поглощение и усиление акустических волн; · акустоэлектронные и акустомагнитные эффекты, акустопроводимость; · нелинейные акустоэлектронные явления; · взаимодействие света и звука в твердых телах.

Акустоэлектроника l Наиболее широкое применение получают акустоэлектронные приборы на ПАВ. К ним относятся линии задержки, полосовые фильтры, резонаторы, различные датчики т. п. Принцип устройства таких приборов показан на рис.

Магнитоэлектроника l Магнитные системы записи и хранения информации; l Преобразователи Холла; l Магниторезисторы; l Магнитодиоды; l Магнитотранзисторы и тиристоры.

Криоэлектроника l К криоэлектронным приборам следует отнести: запоминающие и логические криоэлектронные устройства вычислительной техники; генераторы, усилители, переключатели, резонаторы, детекторы, преобразователи частоты, фильтры, линии задержки, модуляторы и др. приборы СВЧ; сверхпроводящие магнитометры, гальванометры, болометры и др.

Диэлектрическая электроника l Диэлектрическая электроника изучает протекание токов, ограниченных объёмным зарядом, в диэлектриках при эмиссии электронов из металла (термоэмиссия, туннельный эффект и т. д. ). Приборы диэлектрической электроники удачно сочетают свойства полупроводниковых и вакуумных приборов, но лишены многих их недостатков. Они микроминиатюрны, малоинерционны, имеют хорошие частотные характеристики и низкий уровень шумов, малочувствительны к изменению температуры и радиации.

Хемотроника l В настоящее время предложено большое количество различных хемотронных приборов и устройств: управляемые сопротивления, точечные и плоскостные электрохимические диоды и транзисторы, интеграторы, блоки памяти ЭВМ, каскады усиления постоянного тока и др.

Молекулярная электроника l В настоящее время можно указать следующие основные направления развития молекулярной электроники: l - конструирование молекул и молекулярных ансамблей, способных хранить, передавать и обрабатывать информацию; l - разработка новой схемотехники на молекулярном уровне; l - создание технологии производства биоэлектронных систем.

Критические технологии l Нанотехнологии и наноматериалы l Технологии механотроники и создания микросистемной техники l Технологии новых и возобновляемых источников энергии l Лазерные и электронно-ионноплазменные технологии l Материалы для микро- и наноэлектроники

Критические технологии l Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств. l Технологии наноустройств и микросистемной техники. Приоритетное направление развития науки и техники: l Индустрия наносистем и материалов.