Лекция 16. Принцип действия фотоизлучателей

Устройство, принцип действия и область применения оптронов

Лекция 17. Основы электровакуумной электроники.

Электронно – лучевые трубки.

Лекция 18. Полупроводниковые индикаторы,

жидкокристаллические индикаторы, плазменные дисплейные панели.

Список сокращений

Список использованных источников

ЛЕКЦИЯ 1. Введение

Дисциплина «Электронная техника» изучает теорию и практику применения электронных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных отраслей народного хозяйства.

Колоссальную роль в развитии технического прогресса оказало создание электронно-вычислительных машин (ЭВМ), в которых наиболее полно используются все новейшие достижения электроники. Устройства связи и вещания, телевизионные передатчики и приёмники, аппаратура передачи и приёма радиовещания, телеграфная аппаратура, электронные и квазиэлектронные АТС, аппаратура междугородной телефонной связи – все они созданы на основе применения электронных приборов. С каждым годом доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается.

Основой для создания первых электронных приборов явились изобретение в 1872 году известным русским электротехником А.Н. Лодыгиным электрической лампы накаливания и открытие американским исследователем Т.А. Эдисоном в 1883 году явления испускания электронов накаленным проводником.

В 1904году английским учёным Д.А. Флемингом была создана первая электронная лампа – диод. Первые лампы в России начали создаваться в 1914-1915 годах Н.Д. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевичем

Параллельно с электронными лампами шло создание и других видов электронных приборов. В 1897 году была создана первая электронно-лучевая трубка с холодным катодом В 1907 году профессор Петербургского технологического института Б.Л. Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для приёма телевизионного изображения.

Большое значение для создания фотоэлектронных приборов имело открытие основных законов фотоэффекта в 1888 году А. Г. Столетовым – крупным русским физиком. В двадцатые и тридцатые годы эти приборы совершенствовались и на их основе создавались всё более сложные устройства.

В 1947 году У. Браттейн, Дж. Бардин и У. Шокли создали транзисторы, обладающие большими преимуществами по сравнению с электронными лампами по габаритным размерам, массе, потребляемой энергии, сроку службы. Началось бурное развитие полупроводниковой техники.

В начале шестидесятых годов появляются интегральные микросхемы, в настоящее время ведутся интенсивные работы по их совершенствованию.

В перспективе развития микроэлектроники намечается функциональное укрупнение ИМС за счет использования новых физических явлений, позволяющих с помощью простых нерасчленяемых структур осуществлять функции, обычно реализуемые с помощью многоэлементной сложной цепи или устройства. Реализация такого принципа соответствует появлению новых изделий микроэлектроники, которые называют функциональными. Они преставляют собой новый этап развития электроники - функциональную микроэлектронику, которая будет создаваться на основе физической интеграции, по которой изготавливаются современные микросхемы.

Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально иной подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука).

В функциональной микроэлектронике начинают использовать:

Оптические явления (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнетооптика) – на их основе зародилась оптоэлектроника

Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника).

Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), в которых используются электромагнитные процессы на доменном уровне.

Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне (квантовая и молекулярная микроэлектроника).

Элементы на основе эффекта Ганна.

Явления холодной эмиссии, которые позволили создать электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением пленок.

Аморфные материалы (не имеющие кристаллического строения), обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой. Время переключения прибора составляет 1,5×10^-10 с. Наиболее перспективными из аморфных полупроводников (пленки толщиной не более 1 мкм) являются Si, Ge, As, Te, In, Se или их сплавы, а также диэлектрики на основе окислов этих полупроводников или окислов тугоплавких металлов переходной группы, например, Ti, Ta, Mo, Nb.

Приборы на эффекте Джозефсона, суть которого состоит в том, что через достаточно тонкую (порядка 2 нм) диэлектрическую прослойку между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствие разности потенциалов может протекать своеобразный туннельный ток, легко управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами.

Основные направления функциональной микроэлектроники можно свести в схему(рисунок1.1).

Рисунок1.1- Основные направления функциональной микроэлектроники

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 (структур с размером от единиц до десятков нанометров, 1 нм = 10^-9 м), их электронные и оптические свойства. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродействующих систем обработки информации.

Созданы образцы электронной памяти на базе углеродных нанотрубок. Инженерам удалось разместить на кремниевой пластине стандартного размера 10 млрд. ячеек памяти, каждая из которых состоит из нескольких нанотрубок.

Схема памяти представляет собой две пластинки из оксида кремния, расположенные одна над другой на расстоянии около 100 нм. Нанотрубки как бы подвешены на верхней пластинке. При подаче на нижнюю пластинку тока трубки меняют свое положение, соединяя две пластинки. Это состояние соответствует наличию в ячейке бита со значением "1". Если же трубка не замыкает пластин, то в ячейке находится бит со значением "0".

. Электрический импульс нужен лишь для изменения положения трубок. При этом на переключение требуется около 0,5 нс против примерно 10 нс у современной оперативной памяти.

Сегодня в практическую плоскость перешли разговоры о нанотранзисторах, появились их первые действующие прототипы. За радикальными количественными превращениями кроется принципиальное изменение качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной структурой вещества. Да и свойства самих электрических сигналов в наномире оказываются существенно иными, нежели в микромире, не говоря уж о макромире.

На расстояниях, меньших 1 нм, начинают проявляться волновые свойства электронов. Выражается это в том, что когда вещество берется в малых количествах, его не всегда можно однозначно отнести к изоляторам, проводникам или полупроводникам. Например, некоторые химические элементы, взятые в количестве, допустим, 20, 50 и 100 атомов, будут последовательно проходить стадию изолятора, полупроводника и проводника соответственно.

Нанотранзистор — это существенно квантовомеханический прибор. Однако он вовсе не обязан работать только с квантовой информацией. Доказано, что в базисе нанотранзисторов возможна реализация устройств обычной классической логики. Более того, разработка промышленных технологий создания нанометровых приборов классической логики — главная задача современной наноэлектроники. На ее решение брошены огромные финансовые ресурсы в крупнейших научных центрах мира.

Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами, однако при дальнейшем уменьшении размеров очень быстро нарастают проблемы. Область от 30 нм до 5 нм (так называемая область мезоструктур) следует считать переходной от классической твердотельной электроники к квантовой. Одно из основных требований к технологии изготовления нанотранзисторов — высокая производительность их получения. Например, с помощью нанометровых роботов-манипуляторов, использующих технику туннельной сканирующей микроскопии, можно собирать нанотранзисторы буквально по одному атому. В настоящее время идут интенсивные поиски технологических процессов, которые бы позволили с помощью небольшого числа операций одновременно производить большое число нанотранзисторов.

В конце ХХ — начале XXI веков были опробованы базовые идеи квантовомеханических и молекулярно-кластерных технологий в новой области — наноэлектронике. В настоящее время в исследовательских центрах идет проработка технологических процессов производства наноэлектронной техники. Прикладные работы, в силу их стратегической важности для экономики промышленно развитых стран, скрыты от глаз обозревателей, но уже сейчас ясно, что экономическую, социальную и военно-политическую значимость информационных нанотехнологий невозможно переоценить.

Раздел 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ приборы

Содержание этого раздела является основой для изучения всего последующего учебного материала, связанного с полупроводниковыми приборами.

Дата добавления: 2014-11-16