- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ЧАСТЬ I. ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 1. Эмиссионная электроника
- •1.2. Эмиссионная электроника
- •1.2.1. Термоэлектронная эмиссия
- •1.2.2. Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводников
- •1.2.3. Термокатоды
- •1.2.4. Фотоэлектронная эмиссия
- •1.2.5. Вторичная электронная эмиссия
- •1.2.6. Автоэлектронная эмиссия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Движение электронов в вакууме в режиме объемного заряда. Электровакуумные приборы
- •2.1. Диоды
- •2.2. Триоды
- •2.3. Многоэлектродные лампы
- •2.4. Особенности многоэлектродных ламп различного назначения
- •2.5. Генераторные и модуляторные лампы
- •2.6. Электровакуумные приборы диапазона сверхвысоких частот
- •2.6.1. Особенности движения электронов в СВЧ полях
- •2.6.2. Клистроны – приборы с динамическим управлением электронным потоком и резонансными системами
- •2.6.3. Лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ)
- •2.6.4. Лампы со скрещенными полями
- •2.6.5. Усилитель на ЛБВ типа М
- •2.6.6. Генератор на ЛОВ типа М замкнутой конструкции (карсинотрон)
- •2.6.7. Магнетроны
- •2.6.8. Статический режим работы магнетрона
- •2.6.9. Динамический режим работы магнетрона
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Электронная оптика. Электронно-лучевые приборы
- •3.1. Электронные линзы
- •3.2. Электростатические линзы
- •3.2.1. Диафрагма с круглым отверстием
- •3.2.2. Иммерсионная линза
- •3.2.3. Одиночная линза
- •3.2.4. Иммерсионный объектив
- •3.3. Магнитные линзы
- •3.4. Аберрации электронных линз
- •3.5. Электронно-оптические системы (ЭОС) электронно-лучевых приборов
- •3.6. Отклоняющие системы
- •3.6.1. Электростатическое отклонение электронных пучков
- •3.6.2. Магнитное отклонение электронных пучков
- •3.7. Некоторые особенности электронной оптики интенсивных пучков
- •3.8. Приемные электронно-лучевые трубки
- •3.9. Проекционные ЭЛТ и системы
- •3.10. Запоминающие электронно-лучевые трубки
- •3.11. Передающие электронно-лучевые трубки
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ II. ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 4. Элементарные процессы в плазме
- •4.1. Введение
- •4.2. Упругие соударения электронов с атомами и молекулами газа
- •4.3. Неупругие соударения электронов с атомами и молекулами
- •4.3.1. Возбуждение
- •4.3.2. Ионизация
- •4.3.3. Ступенчатые процессы при возбуждении и ионизации молекул электронным ударом
- •4.3.4. Образование и разрушение отрицательных ионов
- •4.3.5. Диссоциация молекул
- •4.3.6. Рекомбинация
- •4.4. Движение электронов и ионов в газе
- •4.4.1. Дрейфовое движение электронов и ионов
- •4.4.2. Диффузия заряженных частиц в условиях разряда
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Основные виды электрического разряда в газе
- •5.1. Классификация разрядов
- •5.2. Несамостоятельный газовый разряд
- •5.3. Условие развития самостоятельного разряда. Пробой разрядного промежутка
- •5.3.1. Тлеющий разряд
- •5.3.2. Количественная теория катодной области тлеющего разряда
- •5.3.3. Дуговой разряд
- •5.3.4. Искровой разряд
- •5.3.5. Коронный разряд
- •5.3.6. Высокочастотные разряды
- •5.3.7. Разряды на сверхвысоких частотах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Газоразрядная плазма
- •6.1. Основные понятия
- •6.2. Диагностика плазмы
- •6.2.1. Метод зондов Лангмюра
- •6.2.2. Оптические методы исследования плазмы
- •6.2.3. Сверхвысокочастотные методы диагностики плазмы
- •6.3. Теории газоразрядной плазмы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Газоразрядные приборы
- •7.1. Приборы тлеющего разряда
- •7.1.1. Световые индикаторы
- •7.1.2. Стабилитроны тлеющего разряда
- •7.1.3. Вентили (газотроны) тлеющего разряда
- •7.1.4. Тиратроны тлеющего разряда
- •7.1.5. Переключаемые световые индикаторы
- •7.2.1. Газоразрядные источники света
- •7.3. Ионизационные камеры и счетчики излучений
- •7.3.1. Ионизационные камеры
- •7.3.2. Пропорциональные счетчики
- •7.3.3. Счетчики Гейгера
- •7.4. Разрядники антенных переключателей
- •7.5. Газоразрядные индикаторные панели
- •7.6. Газоразрядные знаковые индикаторы (монодисплеи)
- •7.6.1. ГИП постоянного тока
- •7.6.2. ГИП переменного тока
- •7.6.3. Получение полутоновых изображений на ГИП
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ III. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •8.1. Концентрация носителей заряда в полупроводниках
- •8.2. Электропроводность полупроводников
- •8.3. Диффузионное движение носителей заряда в полупроводниках
- •8.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках
- •8.5. Поверхностные явления в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Электрические переходы
- •9.1. Структура и основные параметры n-p перехода
- •9.2. Равновесное состояние n-p перехода
- •9.3. Неравновесное состояние n-p перехода. Явления инжекции и экстракции носителей заряда
- •9.4. ВАХ идеализированного перехода
- •9.5. ВАХ реального n-p перехода
- •9.7. Емкостные свойства n-p перехода
- •9.8. Контакт металл-полупроводник
- •9.9. Гетеропереходы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Полупроводниковые диоды
- •10.1. Выпрямительные диоды
- •10.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды
- •10.3. Импульсные диоды
- •10.4. Стабилитроны
- •10.5. Полупроводниковые управляемые емкости (варикапы)
- •10.6. Туннельные и обращенные диоды
- •10.7. Диоды Шотки
- •10.8. Диоды Ганна
- •10.9. Лавинно-пролетные диоды
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Биполярные транзисторы
- •11.1. Классификация биполярных транзисторов
- •11.2. Физические процессы в транзисторе
- •11.3. Распределение токов в транзисторе
- •11.4. Эффект модуляции ширины базы
- •11.5. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора
- •11.6. Частотные характеристики биполярного транзистора
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12. Тиристоры
- •12.1. Классификация тиристоров
- •12.2. Распределение токов в тиристоре
- •12.3. Особенности работы управляемых тиристоров
- •12.4. Тиристор с симметричной ВАХ
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. Униполярные полупроводниковые приборы
- •13.1. Классификация и основные особенности
- •13.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
- •13.4. Дифференциальные параметры МДП-транзистора
- •13.5. Принцип работы полевого транзистора с управляющим n-p переходом
- •13.6. Частотные характеристики МДП-танзисторов
- •13.7. Сравнительная характеристика МДП и биполярного транзистора
- •13.8. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. Светоизлучающие и фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.1. Светоизлучающие полупроводниковые приборы
- •14.1.1. Светодиоды
- •14.2. Фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.2.1. Поглощение оптического излучения полупроводниками
- •14.2.2. Фоторезистивный эффект и приборы на его основе
- •14.2.3. Фотоэлектрический эффект в n-р переходе
- •14.2.4. Фототранзисторы и фототиристоры
- •14.2.5. Оптоэлектронные пары
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15. Полупроводниковые датчики
- •15.1. Датчики температуры
- •15.2. Датчики деформации
- •15.3. Датчики магнитного поля
- •Контрольные вопросы
- •Глава 16. Основы квантовой электроники
- •16.2. Физические основы взаимодействия излучения с веществом
- •16.2.1. Форма и ширина спектральной линии
- •16.3. Устройство и принципы работы лазеров
- •16.3.1. Рабочее вещество
- •16.3.2. Создание инверсии
- •16.3.3. Условия создания инверсной населенности
- •16.3.4. Двухуровневая система
- •16.3.5. Трехуровневые системы
- •16.3.6. Четырехуровневая система
- •16.3.7. Оптические резонаторы
- •16.3.8. Условия самовозбуждения и насыщения усиления
- •16.4. Свойства лазерного излучения
- •16.4.1. Монохроматичность
- •16.4.2. Когерентность
- •16.4.3. Поляризация излучения
- •16.4.4. Направленность и возможность фокусирования излучения
- •16.4.5. Яркость и мощность излучения
- •16.5. Типы лазеров
- •16.5.1. Твердотельные лазеры
- •16.5.2. Рубиновый лазер
- •16.5.3. Неодимовый стеклянный лазер
- •16.5.4. Nd – ИАГ – лазеры
- •16.5.5. Газовые лазеры
- •16.5.6. Атомные лазеры
- •16.5.7. Лазеры на парах металлов
- •16.5.8. Ионные лазеры
- •16.5.9. Молекулярные лазеры
- •16.5.10. Эксимерные лазеры
- •16.5.11. Газовые лазеры в инфракрасной области спектра
- •16.5.12. Химические лазеры
- •16.5.13. Газодинамические лазеры
- •16.5.14. Электроионизационные лазеры
- •16.5.15. Полупроводниковые лазеры
- •16.5.16. Жидкостные лазеры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 17. Основы оптоэлектроники
- •17.1. Этапы и перспективы развития оптической электроники
- •17.2. Источники излучения для оптоэлектроники
- •17.3. Фотоэлектронные приемники излучения
- •17.4. Модуляция лазерного излучения
- •17.4.1. Физические основы модуляции лазерного излучения
- •17.4.2. Оптические модуляторы
- •17.4.3. Дефлекторы
- •17.5.1. Элементная база ВОЛС
- •17.5.2. Классификация ВОЛС
- •17.6. Оптические методы запоминания и хранения информации. Оптические (лазерные) диски
- •17.7. Голографические системы хранения и обработки информации
- •17.7.1. Принцип голографии
- •17.7.2. Голографическое запоминающее устройство
- •17.7.3. Голографические схемы записи и считывания информации
- •17.8. Системы отображения информации
- •17.8.1. Особенности зрительного восприятия информации
- •17.8.2. Физические эффекты, используемые для отображения информации
- •17.8.3. Жидкокристаллические индикаторы
- •17.8.4. Жидкокристаллические индикаторные панели
- •17.9. Электролюминесцентные индикаторы
- •17.10. Дисплеи с полевой (автоэлектронной) эмиссией
- •17.11. Отражающие дисплеи (электронная бумага)
- •17.12. Системы отображения информации на основе полупроводниковых светодиодов
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ V. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ, МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 18. Предмет микроэлектроники
- •18.1. Основные термины и определения
- •18.2. Классификация ИМС
- •18.2.1. Плёночные ИМС
- •18.2.2. Гибридные ИС
- •18.2.3. Полупроводниковые ИМС
- •18.2.4. Совмещенные ИМС
- •18.3. Система обозначений ИМС
- •Контрольные вопросы
- •Глава 19. Биполярные структуры в микроэлектронике
- •19.1. Транзисторы с изоляцией на основе n-p перехода
- •19.2. Транзисторы с диэлектрической изоляцией
- •19.3. Транзисторы с комбинированной изоляцией
- •19.4. Транзисторы типа p–n–p
- •19.5. Многоэмиттерные транзисторы
- •19.6. Многоколлекторные транзисторы
- •19.7. Транзисторы с диодом Шотки
- •19.8. Интегральные диоды и стабилитроны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 20. Униполярные структуры в микроэлектронике
- •20.1.1. МДП–транзистор с алюминиевым затвором
- •20.1.3. Конструкция Д–МДП–транзисторов
- •20.1.4. Комплементарные микроэлектронные структуры
- •20.2.1. Пороговое напряжение
- •20.2.2. Вольт-амперные характеристики
- •20.4. Принцип действия МЕП-транзистора
- •20.5. Элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)
- •20.5.1. МНОП-транзистор
- •20.5.3. Двухзатворный МДП–транзистор
- •Контрольные вопросы
- •Глава 21. Микроэлектроника субмикронных СБИС
- •21.2. Методы улучшения характеристик субмикронных МДП-транзисторов
- •21.2.1. Ореол
- •21.2.2. Ретроградное распределение
- •21.2.3. Подзатворный диэлектрик
- •21.2.4. Области стока и истока
- •21.2.5. Напряженный кремний
- •21.3. Субмикронные МДП-транзисторы на диэлектрических подложках
- •21.3.1. Структуры «кремний на изоляторе»
- •21.3.2. Cтруктура «кремний ни на чём»
- •21.4.1. Транзисторы с двойным и с окольцовывающим затвором
- •21.4.2. Транзисторы с вертикальным каналом
- •21.5. Особенности субмикронных транзисторов для аналоговых применений
- •Контрольные вопросы
- •Глава 22. Гетероструктуры в микроэлектронике
- •22.1. Основные свойства гетероперехода
- •22.1.1. Сверхинжекция неравновесных носителей заряда в гетеропереходе
- •22.1.2. Понятие о двухмерном электронном газе
- •22.2. Гетероструктурные полевые транзисторы
- •22.2.1. Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ)
- •22.2.2. Псевдоморфные и метаморфные структуры (р-НЕМТ и m-НЕМТ)
- •22.2.3. НЕМТ на подложках из GaN
- •22.3. Гетеропереходные биполярные транзисторы
- •22.4. Интегральные микросхемы на гетеропереходных полевых транзисторах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 23. Пассивные элементы ИМС
- •23.1. Полупроводниковые резисторы
- •23.2. Плёночные резисторы
- •23.3. Конденсаторы и индуктивные элементы
- •23.4. Коммутационные соединения
- •23.4.1. Задержка распространения сигнала
- •23.4.2. Электороимграция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 24. Функциональная электроника
- •24.1. Пьезоэлектроника
- •24.2. Оптоэлектроника
- •24.3. Акустоэлектроника
- •24.4. Магнитоэлектроника
- •24.5. Криоэлектроника
- •24.6. Хемотроника
- •24.7. Молекулярная и биоэлектроника
- •24.8. Приборы с зарядовой связью
- •24.9. Диэлектрическя электроника
- •24.10. Приборы на основе аморфных материалов
- •Глава 25. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
- •25.1. Квантовые основы наноэлектроники
- •25.1.1. Квантовое ограничение
- •25.1.2. Интерференционные эффекты
- •25.1.3. Туннелирование
- •25.3. Квантовые транзисторы
- •25.4. Нанотрубки в электронике
- •25.5. Графеновые транзисторы (спинтроника)
- •25.6. Молекулярная электроника
- •25.6.1. Квантовые компьютеры
- •25.7. Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •CПРАВОЧНЫЙ РАЗДЕЛ
- •Содержание
Оптическую силу иммерсионного объектива можно менять, изменяя соотношение потенциалов образующих его электродов. При этом оптическая
сила будет расти с ростом отношения анодного напряжения к напряжению на модуляторе (по абсолютным величинам) и с уменьшением расстояния между этими электродами. Иммерсионный объектив может быть также использован для управления величиной тока пучка электронов.
Иммерсионный объектив является неотъемлемой и важнейшей частью электронно-оптических систем большинства электронно-лучевых приборов.
3.3. Магнитные линзы
Различают два типа магнитных линз – длинные и короткие.
Примером длинной магнитной линзы является длинный соленоид. На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца, направление действия ее перпендикулярно как направлению скорости электрона, так и вектору напряженности магнитного поля. Благодаря этому движение электрона внутри длинного соленоида происходит по спирали, описывая в плоскости, проходящей через ось z синусоиду (рис. 3.7).
z |
Рис. 3.7. Движение электрона в магнитном поле |
z = A×sin(wt), |
(3.6) |
где w = 2p/T = eH/2m.
Если скорости электронов, попадающих в соленоид, близки, то
продольное равномерное магнитное поле фокусирует поток электронов в точках, соответствующих равенству:
z = nTvo/2 = n2pmvo/eH, |
(3.7) |
где vo – скорость электронов, входящих в соленоид; n – ряд простых целых чисел.
Основные особенности фокусировки в длинной магнитной линзе:
1.Фокусировка получается не в одной, а в нескольких равноотстоящих друг от друга точках.
2.Пучок электронов, движущихся параллельно оси, не фокусируется, т.е. диаметр этого пучка не может быть уменьшен.
Длинные магнитные линзы (соленоид с равномерным полем) на практике применяются для переноса изображения.
Гораздо более широкое применение нашли тонкие магнитные линзы.
Фокусирующее действие тонкой магнитной линзы является более сложным
51
из-за неоднородности магнитного поля, в котором можно выделить тангенциальную и радикальную составляющие. Для построения траектории
электрона в этом случае необходимо знать величину начальной скорости электрона и распределение напряженности магнитного поля вдоль оси катушки.
При получении изображения при помощи тонких (коротких) магнитных линз происходит поворот изображения относительно объекта. Фокусирующее действие магнитной линзы тем больше, чем больше напряженность магнитного поля и уже область, в которой оно сосредоточено. Поэтому на практике магнитные линзы оформляются в виде катушек с панцирем (рис. .8).
Рис. 3.8. Магнитная линза:
1 – обмотка; 2 – железный панцирь
Короткая магнитная линза позволяет получать увеличенные или уменьшенные изображения, т.е. пригодна для использования в электронном микроскопе. Короткая линза фокусирует и параллельный оси поток электронов. Напряженность поля на оси короткой магнитной линзы может быть найдена из выражения:
H = |
I × 2pR2 |
|
2(R2 + Z 2 )3 / 2 , |
(3.8) |
где R – средний радиус катушки; I – сила протекающего тока; z – расстояние по оси катушки;
Фокусное расстояние магнитной линзы определяется соотношением:
f = |
98RФ |
, |
(3.9) |
I 2 × N 2
где Ф – энергия электронов; R – средний радиус катушки; I – сила тока; N – число витков;
Кроме указанных выше, существуют цилиндрические электронные линзы, в которых распределение потенциала не зависит от одной из координат в декартовой системе (например, диафрагма с узким щелевидным отверстием) и квадрупольные линзы, которые не обладают симметрией вращения.
52
3.4. Аберрации электронных линз
Так же как и в геометрической, в электронной оптике наблюдаются различные искажения изображения – аберрации. К ним относятся:
1.Геометрические аберрации – искажения изображения, связанные с тем, что траектории большинства электронов в той или иной степени непараксиальны.
2.Реальные пучки электронов немонокинетичны, т.е. имеет место некоторый разброс по скоростям, который приводит к появлению так называемых хроматических аберраций.
3.Электроны, создавая некоторый объемный заряд, взаимодействуют друг с другом, что также может привести к искажению изображения.
4.Причиной искажения может явиться также влияние дифракции электронов, нарушение осевой симметрии полей, образующих линзы и другие.
3.5. Электронно-оптические системы (ЭОС) электронно-лучевых приборов
Существует много типов различных электронно-лучевых приборов, важнейшими из которых являются:
∙приемные электронно-лучевые трубки – кинескопы;
∙осциллографические и радиолокационные трубки;
∙запоминающие электронно-лучевые трубки (потенциалоскопы);
∙передающие телевизионные приборы – иконоскопы, супериконоскопы, ортиконы, суперортиконы, видиконы;
∙электроннооптические преобразователи и усилители яркости изображения;
∙электронно-лучевые индикаторы;
∙электронные микроскопы.
Несмотря на многообразие типов электронно-лучевых приборов в них можно выделить ряд общих элементов. Этими элементами являются:
∙баллон (оболочка прибора);
∙источник электронов – катод, который может иметь самые различные конструкции и работать на основе термо-, фото- или автоэлектронной эмиссии;
∙фокусирующее устройство, служащее для получения электронных пучков требуемой конфигурации и интенсивности;
∙отклоняющее устройство, позволяющее изменять нужным образом направление сфокусированных электронных потоков;
∙приемник электронного пучка, который в обычных электронно-
лучевых приборах и является тем элементом, где при
53
взаимодействии с электронами пучка происходит основной эффект, на который рассчитан прибор.
В качестве фокусирующих устройств могут быть использованы с учетом требований к прибору описанные выше электростатические или магнитные линзы и их комбинации. Но отдельные линзы для фокусировки электронных пучков в электронно-лучевых приборах не используются.
Дело в том, что к электронному лучу в приборе предъявляются ряд требований:
∙электронный пучок должен иметь минимальное поперечное сечение;
∙плотность тока пучка должна быть достаточно высокой;
∙должна быть возможность плавно регулировать величину тока в пучке в широких пределах;
∙пучок должен не расфокусироваться при инерционном движении от фокусирующей системы до экрана.
Выполнение этих требований с использованием только одной электронной линзы оказывается практически невозможным. Действительно, катодная линза, создавая сечение минимальных размеров, является короткофокусной и после ее прохождения пучок быстро расходится. Применение только длиннофокусной линзы, например одиночной, позволит получить на экране изображение источника электронов, которое при достаточно большой силе тока в пучке имеет большие размеры. Поэтому обычно применяют электронно-оптические системы, состоящие из двух или более линз.
Схема электронно-оптической системы с двумя линзами (тетродная ЭОС) приведена на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Схема электронно-оптической системы с двумя линзами
Первая, ближайшая к катоду, линза такой пушки обладает высокой оптической силой и сильно уменьшает изображение катода. Вторая линза
является сравнительно слабой и проектирует на экран сечение наиболее узкой части пучка, сфокусированного первой линзой. Если бы все электроны
эмитировались с катода с одинаковыми скоростями и не взаимодействовали друг с другом, первая линза сфокусировала бы электронный поток в
54
геометрическую точку. Однако учет начальных скоростей электронов и их
взаимодействия в пучке приводит к некоторому минимальному сечению пучка, которое называют скрещением или кроссовером. Можно подобрать оптическую силу второй линзы так, чтобы она давала на экране изображение скрещения. При этом на экране получается пятно наименьших размеров, так
как размеры области скрещения меньше и размеров катода и его промежуточного изображения.
Рассмотрим некоторые практические конструкции электронных пушек. На рис. 3.10 приведены варианты схем пушек с электростатической фокусировкой.
Рис. 3.10. Схемы электронных пушек с электростатической фокусировкой
В варианте а) катод, модулятор и начало первого анода ЭОС образуют иммерсионный объектив, который образует область скрещения вблизи первого анода. Изменение силы тока в пучке можно осуществить, подавая на модулятор небольшие отрицательные напряжения. Первый и второй аноды образуют иммерсионную линзу, которая фокусирует изображение области скрещения на экране. Независимая регулировка оптических сил обоих линз невозможна, так как они имеют общий элемент – первый анод.
55