ВВЕДЕНИЕ
Электроника
– это область науки и техники, изучающая эффекты взаимодействия электронов,
движущихся в различных средах, с электромагнитными полями, и использующая эти
эффекты для преобразования энергии и обработки информации [1].
Современная
электроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей человеческих знаний, и проникла буквально
повсюду. Её развитие привело к созданию сложных электронных систем (ЭС), и
процесс их усложнения продолжается. Материальным воплощением электронных систем
является электронная аппаратура (ЭА). Изучение любых сложных объектов или
систем сильно облегчается, если оказывается возможной их структуризация и
классификация по тем или иным признакам. Это справедливо и для ЭС. Электронные
системы любой сложности состоят из небольшого числа принципиально различных
элементов. Принята следующая классификация (рис.1)
Рис.1. Структурная схема электронной системы.
Электронная аппаратура состоит из устройств, которые, в свою очередь, делятся на узлы, а последние – на детали и элементы. Примером современной ЭС является персональный компьютер. Он состоит из устройств отображения информации (монитор), ввода- вывода информации (клавиатура, принтер), обработки информации и питания (системный блок). Каждое из перечисленных устройств содержит несколько узлов. Например, в системном блоке находятся центральный процессор, ОЗУ, ПЗУ, звуковая и видео платы, блок питания. Узлы состоят из отдельных элементов, которые соединяются между собой с помощью деталей. Элементы ЭА распадаются на две большие группы: пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, и активные элементы – электронные приборы. Пассивные элементы неуправляемы, они поглощают энергию протекающих через них токов, вносят фазовые сдвиги, но не изменяют частоты. Активные элементы могут усиливать сигналы (увеличивать их энергию), преобразовывать их частоты и фазы, преобразовывать один вид энергии в другой, в том числе генерировать электромагнитное излучение.
Работа
активных элементов ЭА основана на управлении движением носителей заряда (НЗ) в
ограниченном объеме – рабочем пространстве. Электронные приборы
классифицируют по ряду признаков.
1. В зависимости от среды, заполняющей рабочее
пространство, электронные приборы делятся на три группы:
- электровакуумные приборы,
в которых рабочее пространство изолировано газонепроницаемой оболочкой и
откачано до высокого вакуума 
. Действие электровакуумных приборов основано на явлениях
электронной эмиссии, образования пространственного заряда (ПЗ) и электронных
потоков (пучков);
- газоразрядные или газо-плазменные приборы,
в которых рабочее пространство заполнено газом или парами конденсированных
веществ под давлением 
. Действие приборов основано на явлении газового разряда;
- полупроводниковые приборы.
Рабочим пространством служит полупроводниковый кристалл, а действие их основано
на явлениях в электрических переходах.
2.
Электронные приборы можно разделить на две большие функциональные группы:
- приборы, предназначенные для преобразования
энергии; примерами служат: преобразование
переменного тока в постоянный (выпрямление); преобразование энергии
электромагнитного излучения в энергию электрического тока (солнечные элементы);
преобразование энергии тока низкой частоты в энергию электромагнитных колебаний
высокой частоты (генерация электромагнитных колебаний). В этих случаях
первостепенное значение имеет к.п.д. преобразования.
- приборы, предназначенные для обработки
сигналов, то есть преобразования мгновенных
значений амплитуд, частот и фаз токов и напряжений. Важнейшее значение имеет
при этом надежное, с минимальной потерей информации, выделение сигнала на фоне
шумов.
Приборы обеих групп принято классифицировать в соответствии с Табл.1.
|
Входной сигнал прибора |
Выходной сигнал прибора |
Класс
приборов |
Примеры |
|
Электрический |
Электрический |
Электропре- образовательные |
Диод, транзистор,
тиристор, генераторная
лампа |
|
Электрический |
Световой
(оптический) |
Электросветовые |
Светодиод, инжекционный
лазер, гелий-неоновый
лазер |
|
Световой
(оптический) |
Электрический |
Фотоэлектрические |
ФЭУ, фотодиод, фоторезистор, солнечный
элемент |
Полупроводниковые
электросветовые и фотоэлектрические
приборы часто объединяют в единый класс оптоэлектронных приборов.
3.
По диапазону частот f
или длин волн 
обрабатываемых или
генерируемых сигналов электронные приборы подразделяют на:
-
низкочастотные (НЧ) приборы –
;
-
высокочастотные (ВЧ) приборы –
;
- сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы –
;
- субмиллиметровые приборы –
;
- приборы оптического диапазона –
;
4.
В зависимости от величины преобразуемой мощности электронные приборы относят к сильноточным
либо к слаботочным. За условную границу между двумя группами можно
принять мощность 1000Вт. Слаботочные приборы применяются главным образом
для обработки сигналов, минимальная мощность которых составляет доли
микроватта. Сильноточные приборы осуществляют преобразование и коммутацию
энергии электрического тока. Современные тиристоры коммутируют токи до 5000А
при напряжениях порядка 10000В, то есть мощности 
. Генераторы сигналов могут принадлежать как к одной, так и к
другой группе. Соответственно преобразуемой мощности изменяются и
геометрические размеры приборов. Электропреобразовательные приборы в
интегральном исполнении достигли размеров 
, размеры дискретных приборов составляют 
. В то же время размеры мощных генераторов высокочастотного и оптического излучения достигают нескольких
метров и даже десятков метров.
Научную
основу для понимания электронных приборов создает физическая электроника,
изучающая процессы взаимодействия электронов с веществом и излучением. Она, в
свою очередь, базируется на таких разделах физики, как электродинамика,
квантовая механика, статистическая термодинамика, физика твердого тела.
Разработкой и применением электронных приборов занимается техническая
электроника. В ней примерно до 1970-х годов выделялись
элементно-технологическая и аппаратно-конструкторская ветви. Технологии принадлежал
синтез новых электронных материалов, а конструирование включало создание
элементов и аппаратуры. С 1970-х годов
начался и к концу века завершился процесс слияния технологии с
конструированием, схемо- и системотехникой, прикладной математикой. Это слияние
обусловлено переходом к производству больших
интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем
(СБИС). Проектирование такого электронного прибора начинается с разработки
электрической схемы, под которую создается физическая структура и технология её
изготовления. Сложность структуры и внутренней организации СБИС на много
порядков превосходят соответствующие показатели ЭС на дискретных элементах.
Последние, тем не менее, не утратили своего самостоятельного значения и поныне.
На них базируется сильноточная НЧ (силовая) электроника. Кроме того, понимание
свойств ИС возможно только на основе свойств дискретных элементов.
Разнообразие
свойств электронных приборов есть макроскопическое проявление фундаментальных
процессов, протекающих в рабочем
пространстве. Цель курса
«Вакуумная и плазменная электроника» состоит в изучении этих фундаментальных
процессов на основе простых физических и математических моделей, и их применение
для описания свойств электровакуумных,
газо-плазменных и полупроводниковых приборов.
- ОСНОВНЫЕ ВЕХИ В РАЗВИТИИ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Современные
ЭС есть результат столетнего развития электроники (рис. 2).
Начало
отсчета - 1897 год. В этом году Дж. Дж. Томсон и
Э. Вихерт экспериментально доказали существование главного объекта
электроники – электрона, и измерили его удельный заряд. Установление
атомистической природы электричества позволило применить для его описания
законы статистической механики. На этой основе О. Ричардсон в 1901
году объяснил явление термоэлектронной эмиссии, открытое в 1883 году Т.
Эдисоном, но не понятое в то время. Как только стала понятной физика
термоэмиссии, Дж. Флемминг изобрел
в 1904 году первый дискретный электронный прибор - электровакуумный
диод. С этого события ведет свою историю силовая электроника.
Спустя
ещё три года Ли де Форест изобрел
электровакуумный триод. Эти два изобретения заложили один из четырех
краеугольных камней в здание
электроники. Они открыли ламповую эру в её истории. Электронные
лампы стали почти на пятьдесят лет основой элементной базы ЭС.
На
рубеже веков были заложены ещё три камня в основание электроники. Второй камень
заложил Г. Герц. В 1887 году он экспериментально доказал
существование электромагнитных волн. Г.А. Лоренц и М. Абрагам
теоретически показали, что электромагнитные волны испускаются электронами,
движущимися с ускорением. В 1895 году А.С. Попов показал
принципиальную возможность осуществления с помощью электромагнитных волн
передачи и приема информации на расстоянии. Для определения этого вида связи
стали использовать термин радио
(от латинского radius
– луч). Бурное развитие радиосвязи началось после изобретения А. Мейсснером
в 1913 году триодного генератора. Наступила эпоха
радиоэлектроники.
Третий
краеугольный камень был заложен К. Брауном. В 1897 году он
изобрел электроннолучевую трубку. Развитие заложенных в ней
потенциальных возможностей позволило Б.Л. Розингу в 1911 году
реализовать прием телевизионного сигнала и воспроизведение на экране простых
геометрических фигур. Двадцать лет спустя, в 1931 году, его ученик В.К.
Зворыкин создал работоспособную передающую электроннолучевую трубку,
открыв эпоху телевидения.
Развитие
радиосвязи шло по пути освоения все более коротких электромагнитных волн. К
тридцатым годам выкристаллизовалась идея радиолокации, то есть обнаружения
удаленных объектов (прежде всего военных
целей) с помощью отраженных электромагнитных волн. В течение
десятилетия были созданы работоспособные образцы радиолокационных станций
(РЛС), сыгравших большую роль во Второй мировой войне. Для этого пришлось
провести огромный цикл теоретических и экспериментальных исследований по
проблемам генерации, распространения и приема электромагнитных волн метрового,
дециметрового и сантиметрового диапазонов. Элементная база обогатилась новыми
генераторными приборами – клистронами и магнетронами, усилительными
лампами обратной и бегущей волны, линиями передачи электромагнитной
энергии – волноводами и специальными антеннами. Эти достижения
открыли эпоху электроники сверхвысоких частот (СВЧ). В настоящее время к
электронике СВЧ принадлежит не только радиолокация, но и значительная часть
сектора радиосвязи.
Экспансия
электроники в область миллиметровых и субмиллиметровых электромагнитных волн
потребовала разработки совершенно новых способов их генерации и усиления. Эта
задача была выполнена рядом советских и зарубежных физиков, в первую очередь А.М.
Прохоровым, Н.Г. Басовым, Ч. Таунсом. В 1951 – 1952 годах они создали
теоретические основы, а в 1954 году изготовили квантовые генераторы
СВЧ диапазона на молекулярных пучках NH3.
В настоящее время за этими приборами закрепился термин мазеры,
происходящий от аббревиатуры английского эквивалента Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. С создания мазеров началась эпоха
квантовой электроники. Спустя шесть лет, в 1960 году, были созданы
твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ), или лазеры
(от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Тем самым произошло соединение
квантовой электроники с физикой газоразрядной плазмы, ведущей своё начало от
пионерской работы Дж. Таунсенда 1901 года, в которой он исследовал самостоятельный
газовый разряд и построил его теорию. Она-то и была четвертым краеугольным
камнем в фундаменте электроники. В те же 1950 – е годы началось интенсивное
исследование взаимодействия плазмы с электронными пучками и электромагнитными
волнами. В СВЧ – электронике выделилось направление плазменной электроники.
Наконец,
отметим рождение в 1945 году одного из главных нынешних потребителей элементной
базы электроники и главного двигателя её прогресса – вычислительной техники,
или, в современной терминологии, компьютеров.
Первый
компьютер ENIAC
был создан в США в 1945 году на элементной базе ламповой эры. Но уже в конце
1940-х годов на смену ей пришла транзисторная эра. Первый транзистор
создали в декабре 1947 года У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн, а 30
июня 1948 года он был продемонстрирован широкой публике. Создание транзистора
стало возможным благодаря глубокому проникновению в сущность электронных и
атомных процессов в кристаллических полупроводниках. Первый транзистор по своим
габаритам был сопоставим с современными ему электронным лампами. Однако
совершенствование технологии пошло столь быстро, что через десять лет были
созданы первые интегральные схемы. Это событие произошло в фирмах “Fairchild Semiconductor” и “Texas Insnruments” по
руководством Дж. Килби, Г. Мура и Р. Нойса.
В
1950-е – 1960-е годы преобразовалась и силовая электроника. На смену
электровакуумным и газоразрядным диодам, тиратронам, фотоэлементам пришли их полупроводниковые
аналоги – диоды, стабилитроны, тиристоры, солнечные элементы.
Таким
образом, современная электроника состоит из пяти ветвей, выросших из единого
корня – силовой электроники, радиоэлектроники, телевидения, СВЧ – электроники,
квантовой электроники, и произросшей сначала независимо, но впоследствии
проникшей во все ветви, компьютерной техники.
2.ВАУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.
2.1.ОБОБЩЁННАЯ
СТРУКТУРА ПРИБОРА ВАКУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.
Свойства
электронных приборов объясняются на основе закономерностей движения носителей
зарядов (НЗ) в рабочем объёме под действием электромагнитных полей. В вакуумной
электронике носителями заряда являются электроны. Структурно любой прибор
вакуумной электроники состоит из нескольких функциональных элементов,
соответствующих основным физическим процессам в нём (рис. 2.1.1).
Эмиттер
электронов
Э поставляет свободные электроны в рабочий объём, ограниченный вакууммированным
баллоном Б. Система формирования СФ
образует из них направленный электронный поток. Система управления СУ предназначена для внесения изменений в
движение потока в соответствии с
законом, заданным источником управляющего
сигнала ИУС. Коллектор К собирает
электроны и выводит их во внешнюю цепь. Выходной
сигнал ВС снимается с коллектора и подаётся на последующие устройства либо
воспринимается непосредственно экспериментатором. Блок питания БП, не входящий, как и ИУС, в состав прибора, создаёт
необходимые потенциалы на структурных элементах.
Свойства
реальных приборов определяются свойствами структурных элементов. При этом
каждый структурный элемент может быть реализован различными способами. В
соответствии со структурной схемой мы изучим физику процессов электронной
эмиссии, формирования электронных потоков, управления ими и преобразования их
энергии в выходной сигнал или другие виды энергии.
Рис.
2.1.1 Структурная схема электронного прибора