Классическая электроника и наноэлектроника

А.Н. Игнатов, Н.Е. Фадеева, В.Л. Савиных








    КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА


Учебное пособие





4-е издание, стереотипное





Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 210400 - «Телекоммуникации»






Москва Издательство «ФЛИНТА» 2022

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
     И26








     Игнатов А.Н.
И26 Классическая электроника и наноэлектроника : учебное пособие / А.Н. Игнатов, Н.Е. Фадеева, В.Л. Савиных. — 4-е изд., стер. - Москва : ФЛИНТА, 2022. — 728 с. — ISBN 978-5-9765-0263-5. — Текст : электронный.

          В книге изложены физические основы полупроводниковых электронных приборов. Рассмотрены основные типы радиокомпонентов, элементы и узлы аналоговых и цифровых микроэлектронных устройств и систем, интегральные схемы высоких степеней интеграции. Показана целесообразность и возможности перехода от классической электроники к наноэлектронике. Рассмотрены физические и технологические основы наноэлектроники; наноэлектронные транзисторы, фотоприемники и лазеры; приборы на основе углеродных нанотрубок; возможности создания квантовых компьютеров; наноэлектронные изделия для компьютеров, информационных и телекоммуникационных систем; основы функциональной электроники; вопросы стандартизации и надежности электронной аппаратуры.
          Для студентов и инженерно-технических работников, связанных с проектированием и эксплуатацией электронной аппаратуры с использованием микроэлектронной и наноэлектронной элементных баз.

УДК 621.38(075.8)
                                               ББК 32.85я73







ISBN 978-5-9765-0263-5

                 © Игнатов А.Н., Фадеева Н.Е., Савиных В.Л., 2017
© Издательство «ФЛИНТА», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие ............................................ 8
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ........................10
  1.1. Классификация и области применения электронных приборов ... 10
  1.2. Принцип работы электровакуумных приборов ....... 11
  1.3. Принцип работы ионных приборов.................. 13
  1.4. Общие сведения о полупроводниках................ 16
  1.5. Электропроводность полупроводников ............. 17
  1.6. Токи в полупроводнике .......................... 23
  1.7. Электронно-дырочный переход......................27
2. РАДИОКОМПОНЕНТЫ .....................................37
  2.1. Основные радиокомпоненты электронных устройств . 37
  2.2. Пассивные радиокомпоненты и их применение ...... 37
     2.2.1. Резисторы ................................. 39
     2.2.2. Конденсаторы .............................. 46
     2.2.3. Индуктивности.............................. 53
  2.3. Полупроводниковые диоды ........................ 56
     2.3.1. Общие сведения ............................ 56
     2.3.2. Выпрямительные диоды ...................... 58
     2.3.3. Стабилитроны и стабисторы ................. 62
     2.3.4. Универсальные и импульсные диоды .......... 66
     2.3.5. Варикапы .................................. 67
  2.4. Полевые транзисторы..............................69
     2.4.1. Общие сведения ............................ 69
     2.4.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом 70
     2.4.3. Полевой транзистор с изолированным затвором.73
     2.4.4. Полевой транзистор с барьером Шоттки ...... 75
     2.4.5. Статические характеристики ПТ...............76
     2.4.6. Дифференциальные параметры полевых транзисторов...82
  2.5. Биполярные транзисторы ......................... 87
     2.5.1. Общие сведения ............................ 87
     2.5.2. Принцип действия биполярного транзистора....89
     2.5.3. Токи в транзисторе......................... 92
     2.5.4. Статические характеристики биполярных транзисторов ... 96
     2.5.5. Дифференциальные параметры биполярног транзистора......................................103
     2.5.6. Модели БТ .................................104
     2.5.7. Эксплуатационные параметры транзисторов....112

3

  2.6. Свойства транзисторов ............................114
     2.6.1. Частотные свойства полевых транзисторов......114
     2.6.2. Шумовые свойства транзисторов ...............127
  2.7. Тиристоры ........................................132
  2.8. Приборы силовой электроники ......................136
  2.9. Фотоэлектрические и светоизлучающие приборы ......143
3. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ .................151
  3.1. Классификация аналоговых устройств................151
  3.2. Усилители.........................................151
  3.3. Работа транзисторов с нагрузкой ..................170
  3.4. Усилительные свойства транзисторов ...............173
  3.5. Интегральные операционные усилители ..............175
  3.6. Обратная связь в усилителях ......................184
  3.7. Функциональные узлы на основе ОУ .................188
  3.8. Электронные регуляторы и аналоговые ключи ........201
  3.9. Импульсные устройства ............................203
     3.9.1. Общие сведения ..............................203
     3.9.2. Импульсные усилители.........................206
     3.9.3. Генераторы прямоугольных импульсов ..........210
     3.9.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения .217
4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ...................221
  4.1. Общие сведения....................................221
  4.2. Основы алгебры логики.............................222
  4.3. Параметры цифровых интегральных микросхем ........227
  4.4. Электронные ключи на транзисторах.................231
  4.5. Базовые логические элементы ......................240
  4.6. Комбинационные устройства ........................265
  4.7. Триггеры .........................................272
  4.8. Счетчики .........................................280
  4.9. Регистры..........................................290
  4.10. Цифровые потенциометры........................296
5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ ВЫСОКИХ СТЕПЕНЕЙ ИНТЕГРАЦИИ ..................................306
  5.1. Состояние и перспективы развития элементной базы электроники ...................................306
  5.2. Упрощенные структуры микропроцессоров ............309
  5.3. Структура микроЭВМ ...............................313
  5.4. Виды запоминающих устройств ......................315
  5.5. Оперативные запоминающие устройства ..............316
  5.6. Постоянные запоминающие устройства................319

4

  5.7. Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства.321
  5.8. Флеш-память.........................................324
     5.8.1. Виды флеш-памяти...............................324
     5.8.2. Флеш-память с многоуровневым хранением заряда .327
     5.8.3. Флеш-память с зеркальным битом ................327
  5.9. Кэш-память .........................................328
  5.10. Базовые матричные кристаллы .......................329
  5.11. Программируемые логические интегральные схемы .....337
  5.12. Цифровые и аналоговые мультиплексоры ..............341
6. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ...................................................343
  6.1. Классификация преобразователей .....................343
  6.2. Аналоговые перемножители сигналов ..................344
  6.3. Микроэлектронные компараторы........................349
  6.4. Микроэлектронные выпрямители и стабилизаторы напряжения..........................................353
  6.5. Цифро-аналоговые преобразователи....................356
  6.6. Аналогово-цифровые преобразователи .................357
  6.7. Нелинейные устройства ..............................359
     6.7.1. Диодные ограничители...........................359
     6.7.2. Управляемые пороговые устройства и ограничители.363
     6.7.3. Логарифматор и антилогарифматор................366
  6.8. Преобразователи на основе интегральных микросхем ФАПЧ.367
7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ...372
  7.1. Введение в нанотехнологии ..........................372
  7.2. Литография .........................................374
     7.2.1. Классическая фотолитография ...................374
     7.2.2. Введение в литографию наноизделий..............376
     7.2.3. Литография экстремальным ультрафиолетом........379
     7.2.4. Электронно-лучевая литография .................381
     7.2.5. Ионная литография .............................383
     7.2.6. Рентгеновская литография ......................384
     7.2.7. Нанопечатная литография .......................385
     7.2.8. Литографически индуцированная самосборка наноструктур....................................386
  7.3. Молекулярно-лучевая эпитаксия ......................387
  7.4. Введение в технику микроскопии......................392
  7.5. Просвечивающие электронные микроскопы ..............394
  7.6. Сканирующие электронные микроскопы .................396
  7.7. Сканирующие зондовые и оптические микроскопы .......398

5

     7.7.1. Общие сведения ..........................398
     7.7.2. Сканирующий туннельный микроскоп ........400
     7.7.3. Атомно-силовой микроскоп ................402
     7.7.4 Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (СОМБП)....................................404
  7.8. Методы сканирующей зондовой микроскопии.......406
     7.8.1. Введение ................................406
     7.8.2. Методы получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне с помощью СЗМ..........408
8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ................434
  8.1. Общие сведения................................434
  8.2. Закон Мура ...................................436
  8.3. Элементы зонной теории .......................439
  8.4. Гетероструктуры и барьеры Шоттки .............443
  8.5. Квантовые ямы, нити, точки ...................448
  8.6. Электрофизические свойства наночастиц ........453
  8.7. Закон масштабирования и его применение в НЭ...466
  8.8. Основы одноэлектроники ...................... 469
9. НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ.................478
  9.1. Общие сведения................................478
  9.2. Наноэлектронные конденсаторы и аккумуляторы ..479
     9.2.1. Наноэлектронные конденсаторы ............479
     9.2.2. Наноэлектронные аккумуляторы энергии и топливные элементы............................485
  9.3. Наноэлектронные диоды и транзисторы...........490
     9.3.1. Введение ................................490
     9.3.2. Нанотранзисторы на основе структур кремний на сапфире......................................493
     9.3.3. Нанотранзисторы с гетеропереходами ......501
     9.3.4. Нанодиоды и нанотранзисторы с резонансным туннелированием.................................508
     9.3.5. Нанодиоды и нанотранзисторы на основе нанотрубок.513
  9.4. Наноэлектронные лазеры .......................518
     9.4.1. Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами....................................518
     9.4.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами....................................521
  9.5. Оптические модуляторы ........................532
  9.6. Дисплеи и осветительные приборы с использованием наноматериалов......................................534

6

     9.6.1. Дисплеи и осветительные приборы на основе нанотрубок ........................................ 534
     9.6.2. Перспективы создания дисплеев-невидимок .....537
  9.7. Наноэлектронные фотоприемники ....................538
     9.7.1. Фотоприемники на квантовых ямах..............538
     9.7.2. Фотоприемники на основе квантовых точек .....542
  9.8. Логические элементы для нанокомпьютеров ..........549
     9.8.1. Квантово-точечные клеточные автоматы ........549
     9.8.2. Молекулярные переключатели ..................552
     9.8.3. Одноэлектронные транзисторы .................557
  9.9. Квантовые компьютеры..............................558
     9.9.1. Введение ....................................558
     9.9.2. Квантовые вычисления ........................561
     9.9.3. Кубит........................................563
     9.9.4. Структура квантового компьютера .............565
     9.9.5. Квантовый регистр............................566
     9.9.6. Квантовый процессор .........................567
     9.9.7. Основные требования для реализации КК .......568
     9.9.8. Практическая реализация КК...................569
     9.9.9. Перспективы развития квантовых компьютеров...576
  9.10. Наноэлектронные системы .........................577
     9.10.1. Однокристальные системы.....................577
     9.10.2. Системы для компьютеров ....................580
     9.10.3. Наноэлектронные системы беспроводной связи .585
  9.11. Перспективы развития наноэлектронных систем......588
10. ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ....................596
  10.1. Введение в функциональную электронику ...........596
  10.2. Приборы с зарядовой связью ......................596
  10.3. Фотоприемные ПЗС.................................599
  10.4. КМОП-фотодиодные СБИС............................602
  10.5. Акустоэлектронные приборы .......................607
  10.6. Магнитоэлектронные приборы ......................614
11. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ...................................621
  11.1. Стандартизация...................................621
  11.2. Надежность ......................................695
Библиография ........................................... 715
Приложение A. Перечень принятых обозначений .............717
Приложение Б. Перечень принятых сокращений ..............723

Предисловие


    В курсах классической электроники основное внимание уделяется биполярным и полевым транзисторам и функциональным узлам на их основе. Поэтому в данном пособии авторы сочли необходимым рассмотрение физических основ электроники, радиокомпонентов, элементов и узлов аналоговых и цифровых устройств (главы 1-4).
    В настоящее время уровень развития телекоммуникационных и информационных систем однозначно зависит от степени внедрения в них изделий микроэлектроники и наноэлектроники.
    За сорок пять лет развития микроэлектроники разработана широкая номенклатура интегральных микросхем. Для специалистов в области проектирования и эксплуатации телекоммуникационных и информационных систем (ТК и ИС) важны знания о возможностях современной микроэлектронной элементной базы. Поэтому в настоящее пособие включены материалы по изучению свойств и применений аналоговых и цифровых интегральных микросхем (главы 5 и 6).
    С 2000 г. начался переход от микроэлектроники к наноэлектронике. Уменьшение топологических норм транзисторных структур до 100 нм и ниже обусловлено непрерывным прогрессом в совершенствовании технологии изготовления микросхем.
    За последние годы в наноэлектронике достигнуты значительные практические результаты. Созданы высокоэффективные лазеры и светоизлучающие диоды на основе гетероструктур, высокочувствительные фотоприемники на квантовых ямах, сверхвысокочастотные транзисторы, различного рода сенсоры и др., являющиеся базовыми элементами для современных ТК и ИС. Налажен серийный выпуск микросхем ультрабольшой и гигантской степеней интеграции (УБИС и ГИС). В этой связи рассмотрению возможностей нанотехнологий и наноэлектроники в данном пособии уделяется существенное внимание. Изложение материала глав 7-9 носит обзорный характер. Здесь обобщены результаты, опубликованные

8

в открытой печати, в частности, в книгах, изданных под редакцией А.Л. Асеева [9], В.П. Драгунова, И.Г. Неизвестного, В.А. Гридчина [4], Ю.А. Чаплыгина [11], Ч. Пула и Ф. Оуэнса [14], Н. Кобаяси [8], М.К. Рока [10], И.П. Суздалева [15], А.И. Гусева [23], Э.Г. Ракова [24], К.А. Валиева и А.А. Конина [35], Г.П. Бермана, Г.Д. Дулена, Р. Майньери и В.И. Цифриновича [36] и др.
    Перспективным направлением микроэлектроники и наноэлектроники является функциональная электроника, использующая при создании устройств и систем объемные эффекты в твердом теле и новые физические явления. Введению в функциональную электронику посвящена глава 10.
    Огромное разнообразие типов электронных изделий обусловливает важность рассмотрения вопросов стандартизации и надежности. Этому посвящена глава 11.
    Распределение авторского участия при написании пособия сложилось следующим образом. Глава 1 написана А.Н. Игнатовым; глава 2 написана совместно А.Н. Игнатовым, Н.Е. Фадеевой и В.Л. Савиных; главы 3 и 4 написаны совместно А.Н. Игнатовым, В.Л. Савиных и С.В. Воробьевой; главы 5, 6, 8 написаны А.Н. Игнатовым; главы 7 и 9 написана совместно А.Н. Игнатовым и Н.Е. Фадеевой; глава 10 написана А.Н. Игнатовым; глава 11 написана В.Я. Вайспапиром.
    Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры технической электроники СибГУТИ А.С. Игнатовой, О.С. Матвеевой, С.В. Полянскому, В.А. Петухову, Д.Ц. Жамбаловой, А.И. Жидкой, Е.Н. Купиной, И.Ю. Егорову и другим за помощь в подготовке книги к изданию.
    Пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики. Оно будет также полезным студентам родственных вузов и учащимся колледжей электронного и радиотехнического профилей.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ



1.1. Классификация и области применения электронных приборов

    Основными типами электронных приборов являются:
    Электронные электровакуумные приборы, к которым относятся электронные лампы, а также электронно-лучевые трубки (ЭЛТ): осциллографические (применяемые в приборах для визуального наблюдения электрических процессов), кинескопы (применяемые в телевизионных приемниках) и др.
    Ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой. К ионным приборам относятся тиратроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны (стабилизаторы напряжения) и др.
    Полупроводниковые приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников - веществ, занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине их удельного электрического сопротивления. Основными классами полупроводниковых приборов являются диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы.
    Интегральные микросхемы (ИС) - приборы, использующие свойства полупроводниковых веществ и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках и выполняющих функцию преобразования информации.
    В зависимости от вида физических сигналов на входах и выходах различают четыре основных вида электронных приборов: электропреобразовательные с электрическими сигналами на входах и выходах; электросветовые с электрическими сигналами на входе и световыми на выходе; фотоэлектрические, на входах которых световые сигналы, на выходах - электрические; термоэлектрические, на входах которых тепловые сигналы, на выходах электрические.



10