Физические основы электроники и наноэлектроники

 
 
 
 
 
 
 
 
А. Л. Тимофеев 
 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию  
в области электроники и связи в качестве учебного пособия для группы направлений  
и специальностей 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

 
УДК 
621.38 
ББК 
32.85 
Т41 
 
 
Рецензент: 
к. т. н., доцент Уфимского университета науки  
и технологий (УУНиТ) Мешков И. К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тимофеев, А. Л. 
Т41   
Физические основы электроники и наноэлектроники : учебное пособие /  
А. Л. Тимофеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 172 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1671-9 
 
Описаны основные виды электронных устройств от электронно-вакуумной электроники до функциональной электроники и наноэлектроники.  
Для подготовки бакалавров и магистров по группе направлений и специальностей «Электроника, радиотехника и системы связи».  
 
УДК 621.38 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1671-9 
” Тимофеев А. Л., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
1. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ................. 6 
1.1. Общие сведения ........................................................................................... 6 
1.2. Основы эмиссионной электроники 
............................................................ 7 
1.3. Электронно-управляемые лампы 
............................................................. 10 
1.4. Электронные лампы .................................................................................. 11 
1.5. СВЧ-приборы ............................................................................................. 19 
1.6. Электронно-лучевые приборы ................................................................. 23 
1.7. Приборы с накоплением заряда ............................................................... 27 
1.8. Фотоэлектронные приборы ...................................................................... 30 
2. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ............. 32 
2.1. Ионные приборы 
........................................................................................ 32 
2.2. Приборы обработки и отображения информации 
.................................. 33 
3. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА .................................................................... 37 
3.1. Поглощение и рассеяние света 
................................................................. 37 
3.2. Рекомбинация и излучение света 
............................................................. 39 
3.3. Квантово-электронный модуль ................................................................ 43 
3.4. Квантовый генератор ................................................................................ 44 
3.5. Квантовый усилитель 
................................................................................ 45 
4. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА ................................................................................... 46 
4.1. Физические основы оптоэлектроники 
..................................................... 47 
4.2. Оптоэлектронные устройства. 
.................................................................. 48 
5. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА .......................................................................... 50 
5.1. Элементы интегральной оптики .............................................................. 50 
5.2. Устройства и элементная база интегральной оптики ............................ 51 
5.3. Интегрально-оптические схемы 
............................................................... 54 
5.4. Фотоника и оптроника .............................................................................. 57 
5.5. Элементная база 
......................................................................................... 57 
5.6. Оптоэлектронные устройства обработки информации ......................... 60 
6. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ....................... 63 
6.1. Голография ................................................................................................. 63 
6.2. Голографические запоминающие устройства ........................................ 65 
3 
 

6.3. Когерентные оптические системы аналоговой  
обработки информации ...................................................................................... 66 
7. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 
...................................................... 68 
7.1. Краткая историческая справка ................................................................. 68 
7.2. Начала функциональной электроники .................................................... 70 
7.3. Физические основы ................................................................................... 74 
7.4. Динамические неоднородности ............................................................... 75 
7.5. Континуальные среды 
............................................................................... 77 
7.6. Генераторы динамических неоднородностей 
......................................... 79 
7.7. Устройство управления динамическими неоднородностями 
............... 81 
7.8. Детектирование динамических неоднородностей ................................. 84 
7.9. Приборы функциональной акустоэлектроники ..................................... 85 
7.10. Линии задержки......................................................................................... 86 
7.11. 
Устройства частотной селекции ........................................................... 90 
7.12. 
Генераторы на ПАВ ............................................................................... 92 
7.13. 
Усилители 
................................................................................................ 93 
7.14. 
Нелинейные устройства 
......................................................................... 94 
8. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ..... 97 
8.1. Динамические неоднородности в полупроводниках ............................. 97 
8.2. Генераторы динамических неоднородностей 
......................................... 99 
8.3. Устройства управления динамическими неоднородностями ............. 101 
8.4. Детекторы динамических неоднородностей ........................................ 105 
8.5. Приборы и устройства функциональной полупроводниковой 
электроники ....................................................................................................... 106 
9. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ .................................. 120 
9.1. Физические принципы наноэлектроники ............................................. 125 
9.2. Принцип квантования и квантовое ограничение ................................. 126 
9.3. Структуры с двумерным электронным газом (квантовые ямы) ......... 127 
9.4. Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити)...... 128 
9.5. Структуры с нульмерным электронным газом (квантовые точки) .... 128 
9.6. Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барьеров 
............ 128 
9.7. Фазовая интерференция электронных волн 
.......................................... 129 
9.8. Приборы на интерференционных эффектах 
......................................... 129 
9.9. Структуры с вертикальным переносом  
и квантовые сверхрешетки 
............................................................................... 132 
4 
 

9.10. 
Одноэлектронное туннелирование ..................................................... 133 
9.11. 
Резонансное туннелирование .............................................................. 137 
9.12. 
Спиновые эффекты 
............................................................................... 139 
9.13. 
Гигантское магнитосопротивление .................................................... 140 
9.14. 
Спин-зависимое туннелирование ....................................................... 141 
9.15. 
Манипулирование спинами носителей  
заряда в полупроводниках 
................................................................................ 141 
9.16. 
Эффект Кондо ....................................................................................... 142 
9.17. 
Спинтронные приборы ........................................................................ 143 
9.18. 
Cвойства индивидуальных частиц.  
Металлические нанокластеры ......................................................................... 145 
9.19. 
Нанотранзисторные структуры 
........................................................... 147 
9.20. 
Наноэлектронные запоминающие устройства .................................. 150 
9.21. 
Углеродные наноструктуры ................................................................ 153 
9.22. 
Углеродные кластеры .......................................................................... 154 
9.23. 
Углеродные нанотрубки ...................................................................... 156 
9.24. 
Объемные наноструктурированные материалы 
................................ 157 
9.25. 
Технологии создания твердотельных наноструктур ........................ 160 
9.26. 
Саморегулирующиеся процессы......................................................... 164 
10. 
ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В ПРИБОРАХ 
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ....................................................................................... 166 
10.1. 
Квантово-точечные клеточные автоматы и беспроводная  
электронная логика ........................................................................................... 166 
10.2. 
Нанокомпьютеры 
.................................................................................. 168 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
.............................................. 170 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

 
1. 
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
1.1. Общие сведения 
Электровакуумным прибором называется устройство, в котором рабочее 
пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой (баллоном), имеет 
высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или 
газами) и действие которого основано на электрических явлениях, связанных с 
движением заряженных частиц в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные (газоразрядные). 
В электронном электровакуумном приборе (ЭВП) электрический ток обусловлен движением только свободных электронов в вакууме. Семейство электронных вакуумных приборов весьма обширно и объединяет такие группы 
приборов, как электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектронные приборы и др. 
Принцип действия ионного электровакуумного прибора основан на использовании свойств электрического разряда в газе или парах металлов. Эти приборы называют также газоразрядными (ГРП). К ним относятся газоразрядные 
приборы дугового, тлеющего, высокочастотного разрядов и др. 
Любой электровакуумный и газоразрядный прибор состоит из системы 
электродов, предназначенных для управления физическими процессами внутри 
баллона, отделяющего внешнюю среду от рабочего внутреннего пространства 
прибора. 
В каждом типе электровакуумных и газоразрядных приборов создаются 
свои специфические системы электродов. Однако во всех типах электровакуумных и большинстве типов газоразрядных приборов имеются: катоды – электроды, испускающие (эмитирующие) электроны, и аноды – электроды, собирающие (коллектирующие) электроны. Для управления потоками заряженных частиц во многих приборах используются управляющие электроды, выполненные 
в виде сеток или профилированных пластин, и специальные электромагнитные 
элементы конструкции (катушки). В приборах отображения информации в 
наглядной (визуальной) форме (ЭЛТ, индикаторы и другие приборы) широко 
используются специальные конструктивные элементы – экраны, с помощью которых энергия электронного потока или электрического поля преобразуется в 
оптическое излучение (свечение) тела. Конструкции электродов очень разнообразны и определяются назначением приборов и условиями их работы. 
Баллоны электровакуумных и газоразрядных приборов изготавливаются самой разнообразной формы из стекла, металла, керамики, а также из различных 
комбинаций этих материалов. Выводы от электродов делаются через цоколь, 
торцевые и боковые поверхности баллонов. 
 
 
 
6 
 

1.2. Основы эмиссионной электроники 
 
Работа выхода 
Чтобы сформировать поток свободных электронов, перемещающихся в вакууме или газе под действием электрических и магнитных полей, необходимо 
обеспечить выход электронов из твердого тела (чаще всего металла, полупроводника). Испускание электронов твердым телом называется эмиссией и осуществляется путем подведения к телу энергии от внешнего источника. Энергия, 
равная разности энергии Е0 электрона, покоящегося в свободном пространстве 
на расстоянии, где силами, действующими на электрон со стороны поверхности 
твердого тела, можно пренебречь, и энергии Еф, соответствующей уровню 
электро-химического потенциала системы электронов в твердом теле (уровню 
Ферми), т. е. А = Е0 – Еф, называется работой выхода, обычно выражается в 
электронвольтах или просто в вольтах. 
Работа выхода электрона складывается в основном из работы по преодолению силы, действующей на электрон со стороны двойного слоя, и силы зеркального отображения. Двойной электрический слой образуется вылетевшими с поверхности катода электронами и положительными ионами решетки материала 
катода, эмитирующего (испускающего) электроны. Двойной слой образует тормозящее электрическое поле для электронов, вылетающих с поверхности катода. 
При удалении от поверхности тела на электрон действует удерживающая кулоновская сила, возникающая между удаляющимся электроном и наведенным в 
теле катода зеркально расположенным положительным электрическим зарядом 
(сила зеркального отображения). Работа выхода большинства чистых металлов, 
используемых в качестве катодов, лежит в интервале 1,8...5 эВ. 
Для уменьшения работы выхода на поверхность металлической основы 
(керна) наносят вещество с меньшей работой выхода, электроны которого переходят в керн. Вследствие этого на поверхности катода появляются положительные ионы, которые вместе с электронами, ушедшими в керн, формируют 
внутренний двойной электрический слой. Электрическое поле, создаваемое 
этим слоем, ускоряет вылетающие электроны, т. е. уменьшает работу выхода 
электронов. Например, при нанесении одноатомного слоя бария на поверхность 
вольфрама работа выхода уменьшается с 4,5 эВ (чистый W) до 1,56 эВ (активированный W). 
В зависимости от вида энергии, подводимой к веществу, различают термо-, 
фото-, вторичную и электростатическую электронные эмиссии частиц. 
Термоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева вещества. При 
некоторой температуре вещества тепловая энергия, полученная электронами, 
будет достаточной для совершения ими работы выхода. Зависимость плотности 
тока термоэмиссии J0 от температуры тела (катода) Т определяется следующим 
выражением: 
 
J0=A0T2exp[–(E0 – Eф)/(kT)], 
 
7 
 

где A0 – константа, зависящая от материала катода; для различных веществ  
A0 = 10...300 А/см2, k – постоянная Больцмана. 
 
Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия обусловлена сильным электрическим полем, воздействующим на поверхность катода. При большом положительном относительно катода потенциале электрода, расположенного рядом с катодом, у поверхности последнего происходит значительное уменьшение величины энергетического барьера и его толщины. В результате этого 
уменьшается работа выхода электронов, и при некоторой величине напряженности электрического поля İ может возникнуть значительный ток эмиссии 
за счет туннельного перехода через барьер электронов с поверхности катода во 
внешнее пространство. Это явление называется электростатической (автоэлектронной) эмиссией. Напряженности электрических полей, необходимые для 
этого вида эмиссии, должны достигать значения порядка 106 В/см и более. 
Вторичная электронная эмиссия происходит при бомбардировке поверхности тела потоками быстрых заряженных частиц. Если используются потоки, то 
отношение общего числа вторичных, выбитых с поверхности тела электронов 
n2, к числу первичных электронов n1, попадающих на поверхность тела из электронного потока, называют коэффициентом вторичной эмиссии ı. Для большинства металлов и полупроводников максимальное значение ı a 1. У сложных соединений, включающих элементы с малой работой выхода, ı может достигать нескольких единиц. 
Фотоэлектронная эмиссия обусловлена действием внешнего электромагнитного излучения, воздействующего на поверхность вещества. Катод, использующий фотоэлектронную эмиссию, называется фотоэлектронным, или фотокатодом. В основе фотоэлектронной эмиссии лежат законы фотоэффекта  
А. Г. Столетова и А. Эйнштейна. Согласно закону Столетова, фототок Iф пропорционален световому потоку Ф, облучающему тело: 
 
Iф = kФ, 
 
где k – коэффициент пропорциональности. 
 
Кинетическая энергия эмитированных электронов определяется частотой 
оптических колебаний ȣ и в соответствии с законом Эйнштейна вычисляется 
как 
 
2
,
2
X
X
m
h
A
 

 
 
где h – постоянная Планка; А – работа выхода; ȣ – скорость эмитированный 
электронов. 
 
Частота падающего света, при которой кинетическая энергия равна нулю 
(hȣ = А), называется пороговой частотой фотоэлектронной эмиссии ȣкр (длинноволновая граница фотоэффекта). Поскольку различные вещества имеют раз8 
 

личную работу выхода, фотоэлектронная эмиссия для разных фотокатодов 
возникает при определенной ȣкр. Чувствительность фотокатода оценивается 
отношением числа эмитированных электронов к числу падающих фотонов 
(квантовый выход). 
 
Катоды электронных ламп 
Термокатоды. В большинстве электровакуумных приборов применяются 
термоэлектронные катоды (термокатоды), использующие термоэмиссию. 
Наиболее распространены однородные металлические, активированные металлические, полупроводниковые и металлополупроводниковые термокатоды. По 
способу нагрева термокатоды делятся на прямонакальные и подогревные. 
Прямонакальные катоды выполнятся различной формы из тонкой проволоки (или ленты), которую закрепляют в массивных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала. Подогревные катоды (косвенного накала) содержат изолированную нить подогрева (подогреватель) и собственно катод, 
выполняемый обычно в виде металлического цилиндра с активированной 
внешней поверхностью. Прямонакальные катоды, как правило, запитываются 
постоянным током накала, а подогревные могут нагреваться и переменным. 
Прямонакальные катоды из чистых металлов используются относительно 
редко. Применяются в электрометрических, мощных и электронных лампах с 
высоким анодным напряжением, так как наиболее стойки к разрушению под 
действием бомбардировки ионов, возникающих за счет ионизации остаточных 
газов в рабочем пространстве. 
Активированные металлические катоды имеют достаточно много конструктивных модификаций. В любом из них поверхность W или Мо активируется металлами с малой работой выхода: барием, торием, стронцием и др. Активированные металлические катоды применяются в самых разнообразных 
электронных приборах. Они обладают существенно большей плотностью тока 
эмиссии 
(до 
10 
А/см2) 
и 
имеют 
меньшую 
рабочую 
температуру  
(Tраб ~1500...1700 ƒС), чем однородные, многие из них стойки к ионной бомбардировке, отравлению газами, хорошо работают в сильных электрических 
полях. 
 В полупроводниковых и металлополупроводниковых термокатодах в качестве эмитирующего слоя используются полупроводники. Наибольшее распространение в электронных и газоразрядных приборах получил оксидный катод, 
представляющий собой никелевый или вольфрамовый керн с нанесенным полупроводниковым слоем из смеси окислов бария, стронция и кальция. Общим 
положительным свойством всех оксидных катодов является малая рабочая температура (Траб < 1000 ƒС), высокая эмиссионная способность, достигающая в 
импульсном режиме величины Jе ~150 А/см2. 
Фотокатоды чаще всего выполняются в виде тонкого светочувствительного 
слоя металла с окисленной поверхностью, на которую осаждена тонкая пленка 
цезия.  
 
 
9 
 

1.3. Электронно-управляемые лампы 
Создание электронных ламп позволило создать системы радиосвязи, радиовещания. Разработка и производство электронно-лучевых приборов способствовали возникновению и развитию телевидения. В 20–50-е гг. прошлого века 
сформировалась как самостоятельная отрасль вакуумная электроника. В середине прошлого века на основе приборов вакуумной электроники было создано первое поколение вычислительных машин. 
Качественно новый этап развития вакуумной электроники наступил при 
освоении области частот выше 500 МГц. С увеличением частоты и уменьшением длины волны излучения увеличивается возможность концентрации электромагнитного излучения в узкий луч. Использование остронаправленных лучей 
радиодиапазона обеспечивает снижение взаимных помех одновременно работающих радиолокаторов, увеличивает дальность действия радиосистем, позволяет достичь высокой точности определения координат объектов. Были разработаны принципы динамического управления электронным потоком. Появились приборы новых классов – клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны 
(ЛБВ) и другие, основанные на взаимодействии электронов с электромагнитными полями. Электромагнитные волны СВЧ-диапазона обладают 
большой информативной емкостью. В системах радиосвязи это позволяет увеличить число каналов связи. В космической связи особенно важен механизм 
прохождения электромагнитного излучения через ионизированные слои атмосферы. Наиболее проницаемы эти слои атмосферы для излучения СВЧдиапазона. Все это позволило сформировать СВЧ-электронику как самостоятельное направление в вакуумной электронике. 
В зависимости от принципа действия, назначения приборы и устройства вакуумной электроники делятся на электронные лампы, СВЧ-приборы, электронно-лучевые приборы, фотоэлектронные и рентгеновские приборы. 
Классификация приборов вакуумной электроники: 
Электровакуумные приборы: электронные лампы, СВЧ-приборы, электронно-лучевые, фотоэлектронные, рентгеновские. 
1. Электронные лампы: 
Приемно-усилительные (ПУЛ), комбинированные, мощные ПУЛ, лучевые 
тетроды, мощные генераторные. 
2. СВЧ-приборы: 
Лампы с электростатическим управлением, диодные генераторы СВЧ, магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны, лампы обратной волны. 
3. Электронно-лучевые: 
Преобразователи 
сигнал-свет, 
свет-сигнал, 
свет-свет 
(электроннооптические преобразователи), сигнал-сигнал, электронно-полупроводниковые. 
4. Фото-электронные: 
Электронно-оптические преобразователи, электронные проекторы, фотоэлементы, фотоумножители, вторично-электронные умножители, усилители 
яркости. 
 
10