Информационно-измерительная техника и электроника

 
 
 
 
В. П. Иванников 
 
 
 
 
 
 
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ 
ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
1 

УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
И18 
 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор Ломаев Г. В. 
 
 
 
Иванников, В. П. 
И18   
Информационно-измерительная техника и электроника : учебное пособие / В. П. Иванников. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 
356 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1072-4 
 
Рассмотрены физические основы микроэлектроники, основные типы полупроводниковых электронных приборов, этапы совершенствования и «ступени интеграции» электронной аппаратуры, схемотехника и ключевые технологии производства интегральных микросхем. Представлены интегральные схемы 
на биполярных и полевых транзисторах; основные схемотехнические решения 
интегральных схем цифровой и аналоговой электроники: логические элементы 
и комбинационные логические схемы; счетчики, регистры, запоминающие 
устройства; преобразователи кодов, индикаторы.  
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов 
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»; 13.04.01 «Теплоэнергетика и 
теплотехника»; 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»; 20.04.01 «Техносферная безопасность». 
 
УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1072-4 
” Иванников В. П., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие .............................................................................................................. 6 
РАЗДЕЛ I. ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ 
.................................................................. 10 
Глава 1. Основы физики кристаллов .................................................................. 13 
 I.1.1. Идеальные кристаллы 
........................................................................ 13 
I.1.2. Реальные кристаллы ........................................................................... 27 
Глава 2. Виды химической связи в кристаллах ................................................ 41 
I.2.1. Классификация кристаллов по видам химической связи  
между атомами ............................................................................................ 41 
I.2.2. Равновесное состояние решетки....................................................... 46 
Глава 3. Диффузия в твердых телах .................................................................. 52 
I.3.1. Механизм диффузии  ........................................................................... 52 
I.3.2. Математическая теория диффузионных процессов ...................... 57 
I.3.3. Диффузия примесей в германии и кремнии ....................................... 65 
I.3.4. Окисление кремния .............................................................................. 70 
Резюме ...................................................................................................................... 72 
 
РАЗДЕЛ II.  ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ .............. 75 
Глава 1. Классификация твердых тел по механизму  
электропроводности ............................................................................................. 76 
II 1.1. Электронная теория проводимости металлов 
.............................. 76 
II 1.2. Электропроводность полупроводников и изоляторов 
................... 78 
Глава 2. Основы квантовой теории электропроводности ............................ 82 
II.2.1. Теория атома Бора ............................................................................ 82 
II.2.2. Элементы зонной теории твердого тела 
....................................... 86 
II.2.3. Возможные типы зонных структур ............................................... 88 
II.2.4. Зоны запрещенных энергий ............................................................... 92 
II.2.5. Электропроводность полупроводников........................................... 97 
Глава 3. Явления переноса носителей заряда в полупроводниках 
............... 104 
II.3.1. Контакт двух полупроводников ..................................................... 104 
II.3.2. Основные типы полупроводниковых электронных приборов ..... 112 
II.3.3. Схемы применения полупроводниковых триодов ......................... 116 
II.3.4. Полупроводниковые выпрямители ................................................. 118 
II.3.5. Полупроводниковые усилители 
....................................................... 119 
Резюме .................................................................................................................... 124 
 
РАЗДЕЛ III. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМОТЕХНИКА.  
ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 
........................................................................... 126 
3 

III.1.  Основные постулаты алгебры логики ........................................... 132 
III.2. Самые простые вентильные схемы: И, ИЛИ, НЕ ИЛИ  
и НЕ И 
........................................................................................................... 138 
III.3. Цифровые стандартные блоки ....................................................... 148 
III.4. Логические цепи ................................................................................. 151 
III.5. Аналого-цифровые преобразователи .............................................. 158 
III.6. Дополнительные замечания по поводу АЦП 
................................... 166 
III.7. Мультиплексоры и демультиплексоры ........................................... 170 
III.8. Шифраторы, дешифраторы и семисегментные индикаторы ... 172 
III.9. Тристабильные элементы. Буферы ................................................ 174 
III.10.  Полупроводниковая память .......................................................... 175 
Резюме .................................................................................................................... 178 
 
РАЗДЕЛ IV. СХЕМОТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА  
ИМС 
........................................................................................................................ 182 
Глава 1. Основы развития современной микроэлектроники ....................... 186 
IV.1.1. Компоненты микроэлектроники и современные основания 
развития микроэлектроники ..................................................................... 187 
IV.1.2. Этапы совершенствования и «ступени интеграции» 
электронной аппаратуры .......................................................................... 198 
IV.1.3. Ключевые технологии производства интегральных  
микросхем (ИМС) ........................................................................................ 201 
IV.1.4. Методы изоляции элементов ИМС .............................................. 210 
IV.1.5. Большие и сверхбольшие интегральные схемы  .......................... 214 
Глава 2. Литография – базовый инструмент планарной технологии  
производства ИМС .............................................................................................. 219 
IV.2.1. Фотолитография 
............................................................................ 219 
IV.2.2. Этапы фотолитографического процесса ................................... 221 
IV.2.3. Виды и технологии литографии.................................................... 231 
Глава 3. Технологические возможности и ограничения  
миниатюризации ИМС 
....................................................................................... 235 
IV.3.1. Процесс создания совершенных кристаллов 
................................ 235 
IV.3.2. Окисление 
......................................................................................... 238 
IV.3.3. Литография и травление 
............................................................... 239 
IV.3.4. Легирование ..................................................................................... 244 
IV.3.5. Металлизация, напыление и нанесение пленок ............................ 249 
IV.3.6. Подготовка кристаллов ИМС к сборке в корпусах .................... 249 
Глава 4. Критерии и ограничения миниатюризации изделий  
микроэлектроники 
............................................................................................... 252 
4 

IV.4.1. Критерии миниатюризации ИМС ................................................ 252 
IV.4.2. Технологические ограничения производства 
и миниатюризации изделий микроэлектроники ...................................... 254 
IV.4.3. Топологические пределы микроминиатюризации ....................... 261 
IV.4.4. Физические пределы микроминиатюризации .............................. 268 
IV.4.5. От микроэлектроники и микроэлектронных технологий 
к наноэлектронике и наноэлектронным технологиям 
............................ 275 
Резюме .................................................................................................................... 280 
 
РАЗДЕЛ V.  ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА  
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
.................................................... 285 
V.1. Роль информационных процессов в развитии человеческого  
общества 
...................................................................................................... 286 
V.2. Возможности использования персонального компьютера ............ 287 
V.3. Информационные возможности персонального компьютера ...... 289 
V.4. Вычислительные ресурсы персонального компьютера .................. 297 
V.5. Профессионал-непрограммист вместо  
программиста-профессионала .................................................................. 300 
V.6. Назначение и основные функции измерительно- 
информационных систем (ИИС) ............................................................... 302 
V.7. Применение ИИС и измерительно-вычислительных комплексов 
в промышленном производстве и управлении .......................................... 303 
V.8. Примеры применения ИИС в промышленном производстве  
......... 311 
 
Литература .......................................................................................................... 345 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Электроника – отрасль науки и техники, изучающая физические основы 
функционирования электронных приборов, а также устройств и систем, построенных на базе электронных приборов (вакуумных, газонаполненных, полупроводниковых).  
Начиная с сороковых годов XX века наступает период развития электроники, связанный с появлением элементов на твердом теле и характеризующегося неиссякаемым потоком новых ошеломляющих достижений. Работы  
А. Ф. Иоффе и его школы, М. А. Бонч-Бруевича, О. В. Лосева, С. И. Шапошникова и других физиков привели к широкому применению полупроводников 
в физическом эксперименте, и различных областях техники. В последнее время разработаны и успешно применяются многочисленные полупроводниковые 
приборы, из которых в первую очередь нужно отметить полупроводниковые 
диоды и триоды.  
Быстрые темпы развития полупроводниковой электроники привели к тому, что в настоящее время во многих областях электроники и радиотехники полупроводниковые приборы полностью вытеснили электронные лампы и стали 
основными элементами электронных приборов.  
Наиболее употребительным материалом для изготовления всего многообразия полупроводниковых приборов, в частности диодов, транзисторов и т. п. 
становится кремний. В этой связи, к концу XX века активно развивается технология изготовления интегральных микросхем, обеспечивающая возможность 
производить такие кристаллы, на основе которых, оказывается возможным, создавать большие интегральные схемы (БИС), микропроцессоры, калькуляторы, 
вычислительные машины и даже «говорящие машины». И всё это объединяется 
одним понятием – микроэлектроника. Более того, развитие технологии производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) открывает новые возможности создания ещё более замечательных и уникальных устройств. 
XXI век вообще немыслим без электроники, что неразрывно связано с появлением полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые 
находят широкое применение в энергетике, вычислительной технике, информационно-измерительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике и 
телевидении, биологии, медицине и т. п.  
В данном учебном пособии рассматриваются основы электроники и информационно-измерительной техники.  
Принятая структура и изложение материала полностью соответствует целям и задачам дисциплины. Излагаемый материал предполагает знание студентами основ высшей математики и информатики, основ физики в объеме курсов 
6 

электротехнических и энергетических университетов, институтов и факультетов. 
Автор счёл целесообразным начать изложение материала с основ физики 
кристаллов, подчеркнув, что наиболее важной кристаллической структурой, 
для полупроводниковой электроники является модификация гранецентрированной решетки – решетка типа алмаза, в которой кристаллизуются также 
кремний и германий. Решетка типа алмаза состоит из двух гранецентрированных кубических решеток, сдвинутых одна относительно другой на четверть 
диагонали куба. Кратчайшее расстояние меду атомами в этой решетке равно 
3 / 4
a
, 
где а – постоянная решетки. Особенностью, важной для микроэлектроники, является то, что такая  решетка имеет относительно широкие каналы вдоль определенных направлений, что способствует диффузии примесей вглубь кристалла 
в германии и кремнии. В этом же разделе коротко рассмотрена математическая 
теория и механизм диффузионных процессов. Последний параграф первого 
раздела посвящён технологии окисления кремния, очень важному процессу, 
способствующему существенному развитию микроэлектронных технологий. 
Второй раздел учебного пособия посвящён изложению материала по физическим основам микроэлектроники. Изучив особенности классификации металлов, полупроводников и изоляторов по механизму электропроводности, выходим на изучение основ квантовой теории электропроводности, явлений переноса носителей заряда через контакт двух полупроводников изучение основных 
типов и схем включения полупроводниковых приборов. Приведены параметры, 
характеристики и примеры некоторых, широко известных, электронных схем.  
Третий раздел учебного пособия посвящён изложению основ технологий 
производства интегральных микросхем.  
Такая последовательность изложения материала данного раздела обусловлена тем, что в современной измерительной технике и технологиях нашли 
широкое применение большинство типов электронных устройств, выполняющих функции выработки и преобразования информационных электрических 
сигналов, формирования управляющих воздействий и сигналов индикации. К 
таким электронным устройствам относим следующие: 
– Аналоговые электронные устройства, работающие с информационными 
сигналами, адекватно отражающими физические параметры объекта наблюдения в любой момент времени. 
– Логические электронные устройства с аппаратно заданной («жесткой») 
логикой преобразования информационных электрических сигналов, которые 
7 

применяются главным образом для реализации относительно несложных функций преобразования. 
– Микропроцессорные устройства и ЭВМ, обладающие возможностью 
реализации сколько угодно сложных функций преобразования информационных сигналов благодаря программированию логических операций. 
В этой связи, в четвёртом разделе учебного пособия, особое внимание 
уделено математическим основам цифровой техники и измерительным информационным системам, так называемой цифровой электронике. Рассмотрены 
основные постулаты алгебры логики, простые вентильные схемы, логические 
цепи, цифровые стандартные блоки, аналого-цифровые преобразователи, 
мультиплексоры и демультиплексоры, шифраторы, дешифраторы и семисегментные индикаторы, тристабильные элементы, буферы, полупроводниковая 
память.  
Информационно-измерительная техника и информационные технологии – 
это часть информационной электроники, включающая в себя приборы и 
устройства для измерения, передачи, обработки и отображения измерительной 
информации. Усилители и генераторы сигналов, логические элементы и цифровые схемы, индикаторные устройства, измерительные преобразователи и приборы, информационно-измерительные системы – все это устройства информационной электроники. В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в прямой зависимости от хозяйственной деятельности, общественных, религиозных и других факторов жизни общества. В 
этой связи, в пятом разделе учебного пособия анализируются информационные 
возможности компьютера и роль информационных процессов в развитии человеческого 
общества, 
назначение 
и 
основные 
функции 
измерительновычислительных и информационных систем, конкретные примеры применения 
ИИС и информационных технологий в промышленном производстве и управлении технологическими процессами.  
Учебное пособие написано автором на основе многолетнего применения 
в педагогической практике электронных средств обучения и опыта преподавания дисциплины «Информационно-измерительная техника и электроника» по 
направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки/специализация «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Некоторые подходы, описанные в книге, основаны на собственных результатах автора. При подготовке текста автор опирался на стиль, обозначения и подбор материалов, принятые в современной научной литературе на 
русском языке. Для каждого раздела приведена небольшая библиография, которая не претендует на полноту, но может помочь обучающимся сориентироваться в потоке современной учебной и научной литературы на эту тему.  
8 

Учебное пособие соответствует ФГОС и утверждённым учебным программам по направлениям подготовки специалистов 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» (уровень магистратуры); 13.04.01 «Теплоэнергетика и 
теплотехника» (уровень магистратуры); 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» (уровень магистратуры); 20.04.01 «Техносферная безопасность» (уровень магистратуры). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 

РАЗДЕЛ  I 
 
ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ 
 
Все тела состоят из атомов. К пониманию «атомной гипотезы», смысл 
которой передается этой фразой, наука пришла только к концу XVIII века. Это 
означает, что все вещества состоят из маленьких материальных частиц (атомов), которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, и отталкиваются, если попытаться их прижать плотнее одно к 
другому. 
Чтобы показать силу идеи атома, представим себе размером 0,5 см ее, то 
ничего, кроме воды, спокойной, сплошной воды, мы не увидим. Если мы будем 
пристально разглядывать капельку воды диаметром 0,5 см с помощью лучшего 
оптического микроскопа при 2000-кратном увеличении, то мы практически ничего не сможем различить. То есть, увидим, по-прежнему, относительно спокойную воду, разве что по ней начнут шнырять какие-то «футбольные мячи». 
Это парамеция – очень интересная штука. На этом можно, конечно же, задержаться и заняться изучением парамеций, а на дальнейшее увеличение махнуть 
рукой. Но парамециями занимается биология, а нам необходимо еще лучше 
разглядеть воду. Допустим с помощью электронного микроскопа, мы увеличили изображение капли ещё в 2000 раз. Условно говоря, это равноценно тому, 
что размеры капли вырастут до диаметра в 20 км, и тогда мы увидим, в воде 
что-то активно движется.  
Чтобы рассмотреть это лучше, увеличим изображение ещё в 250 раз и тогда мы увидим нечто похожее на то, что показано на рисунке I.1. 
 
 
 
Рис. I.1. Условное изображение капли воды  
(увеличенной в миллиард раз) 
 
Теперь, так же, как мы это сделали выше с каплей воды, посмотрим на 
такой же объём пара (см. рис. I.2).  Рисунок этот также плох, как и рисунок I.1, 
однако при выбранном нами увеличении, с большой долей сомнения на таком 
же маленьком рисунке окажется 1÷2 молекулы воды.  
10