Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Квантовые устройства

Материал из Онлайн справочника
< Электроника:Полупроводники‎ | Теория твердотельных приборов
Версия от 12:06, 20 июля 2021; Valemak (обсуждение | вклад) (Новая страница: «{{Панель управления/Электроника}} {{Перевод от valemak}} {{Myagkij-редактор}} =Введение в теорию тв...»)
(разн.) ← Предыдущая версия | Текущая версия (разн.) | Следующая версия → (разн.)
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak)
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Введение в теорию твердотельных устройств[1]

Большинство интегральных схем являются цифровыми, основанными на МОП-транзисторах. Каждые пару лет, начиная с конца 1960-х годов, происходит уменьшение размеров, увеличивая плотность схемы – на той же площади умещалось ещё больше микросхем при меньших затратах. На момент написания этой статьи (2006 г.) длина затвора МОП-транзистора составляла 65 нм при самых передовых технологиях производства, а в течение года ожидается уменьшение до 45 нм. Размеры такого порядка сопоставимы с длиной волн в рентгеновском диапазоне, что делает токи утечки слишком заметными. При переходе на 45-нм нужны героические инновации, чтобы минимизировать эти утечки. Ожидается, что увеличение плотности в МОП-транзисторах остановится при достижении 20–30 нм, хотя некоторые считают, что предел – 1–2 нм. Фотолитография и прочие литографические методы будут совершенствоваться, обеспечивая всё более мелкую размеры. Однако не ожидается, что стандартные МОП-транзисторы будут использоваться при размерах, меньших 20–30 нм.

Инновационные методы фотолитографии, скорее всего, будут применяться к другим типам транзисторов с размерами менее 20-30 нм. Нежелательные токи утечки МОП-транзисторов возникают из-за квантово-механических эффектов – туннелирования электронов, проходящих через оксид затвора и узкий канал. Таким образом, эффекты квантовой механики являются барьером для обычных МОП-транзисторов всё меньшего размера. Устройствам с ещё меньшей геометрией в будущем – это уникальные активные устройства, на практике использующие принципы квантовой механики. Поскольку физические размеры достигли наноразмеров, на таких масштабах электрон рассматривается как квантово-механический волновой эквивалент. К устройствам, использующим принципы квантовой механики, относятся резонансные туннельные диоды, квантово-туннельные транзисторы, металлические диоды с металлическими диэлектриками и квантовые точечные транзисторы.

Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование: это когда электрон преодолевает изолирующий барьер, который слишком тонкий по сравнению с длиной волны электрона де Бройля, о котором мы говорили в 1-м разделе «Квантовая физика» этой главы. Если электрон-волна, велика по сравнению с барьером, то существует вероятность того, что волна проявится по обе стороны барьера.

Рис. 1. Классический взгляд на то, преодолевает электрон барьер или нет. Квантовая механика позволяет электрону туннелировать через барьер. Вероятность (зелёный цвет) связана с толщиной барьера (чем толще барьер, тем ниже вероятность).

В классической физике электрону нужная достаточная энергия, чтобы преодолеть барьер. В противном случае он отскочит от преграды (рисунок 1 выше). Квантовая механика допускает вероятность того, что электрон окажется по ту сторону барьера. Если рассматривать электрон как волну, он может выглядеть довольно большим по сравнению с толщиной барьера. Даже если рассматривать как волну, существует лишь небольшая вероятность того, что волна проявится по ту сторону толстого барьера (см. зелёную часть кривой на рисунке 1 выше). Утончение барьера повышает вероятность того, что электрон окажется по другую сторону.

Туннельный диод

Туннельный диод: Когда речь идёт о туннельном диоде, обычно подразумевается туннельный диод Эсаки, одно из первых квантовых устройств. Диод с обратным включением образует обеднённую область, изолирующую проводящий анод от катода. Эта обеднённая область слишком тонкая по сравнению с длиной волны электронов при сильном легировании – в 1000 раз больше, чем у выпрямительного диода. При правильном включении возможно квантовое туннелирование. Подробнее об этом рассказано в следующей 3-й главе.

Резонансный туннельный диод (РТД)

РТД, резонансный туннельный диод: это квантовое устройство, которое не следует путать с туннельным диодом Эсаки (диодам посвящена следующая глава) обычно сильно легированным биполярным полупроводником. Электроны туннелируют через пару барьеров, разделённых углублением в истоке, и попадают в сток резонансного туннельного диода. Туннелирование также известно как квантово-механическое туннелирование. Поток электронов контролируется смещением диода. Это согласует уровни энергии электронов в стоке с квантованным уровнем в яме, чтобы электроны могли туннелировать через барьеры. Уровень энергии в яме квантуется, потому что яма мала. Когда уровни энергии равны, наблюдается резонанс, позволяющий электронам проходить через барьеры, как показано на рисунке 2.б ниже. Отсутствие смещения или слишком большое смещение на рисунках ниже 2.а и 2.в соответственно приводит к рассогласованию энергии между истоком и стоком, а также отсутствию проводимости.

Рис. 2. Резонансный туннельный диод (РТД): (а) нет смещения, уровни энергии источника и ямы не согласованы, нет проводимости; (б) небольшое смещение согласует уровни энергии (резонанс); в результате появляется проводимость; (в) дальнейшее смещение приводит к несоответствию уровней энергии, уменьшая проводимость.

Когда на РТД смещение увеличивается от нуля, ток увеличивается, а затем уменьшается, что соответствует смене состояний «Выкл.» → «Вкл.» → «Выкл.». Это делает возможным упрощение обычных транзисторных схем за счёт замены пары РТД на два транзистора. Например, пара РТД/транзистор, подключённых друг к другу, образует ячейку памяти с использованием меньшего количества компонентов, меньшей площади и меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Возможное применение РТД – уменьшение количества компонентов, площади и рассеиваемой мощности обычных транзисторных схем путём замены некоторых (хотя и не всех) транзисторов. РТД, как было показано, работают на частоте до 712 ГГц.

Двухслойный туннельный транзистор (ДТТ, Deltt)

ДТТ, двухслойный туннельный транзистор: (также известный как Deltt, от англ. Double-layer tunneling transistor) построен из пары проводящих потенциальных ям, разделённых диэлектриком или высокой запрещённой зоной полупроводника (рисунок 3 ниже). Ямы настолько тонкие, что электроны фактически ограничены двумя измерениями. Это так называемые квантовые ямы. Пара таких квантовых ям изолирована тонким слоем GaAlAs с большой шириной запрещённой зоны (плохо проводящей). Электроны могут туннелировать через изолирующий слой, если электроны в обеих квантовых ямах имеют одинаковый импульс и энергию. Ямы настолько тонкие, что электрон можно рассматривать как волну, в соответствии с квантово-механическим дуализмом частиц и волн. Верхний и дополнительный нижний управляющие вентили можно отрегулировать для выравнивания уровней энергии (резонанса) электронов, что позволит обеспечить проводимость от истока к стоку. На рисунке 3 ниже красные столбцы диаграммы барьеров показывают неравные уровни энергии в ямах, что соответствует состоянию «Выкл.». Правильное смещение затворов уравнивает уровни энергии электронов в ямах, что соответствует состоянию «Вкл.». Полосы уровней энергии будут на одном уровне на диаграмме.

Рис. 3. Двухслойный туннельный транзистор (ДТТ) состоит из двух электронных ям, разделённых непроводящим барьером. Напряжения на затворе можно регулировать так, чтобы энергия и импульс электронов в ямах были равны, что позволяет электронам туннелировать через непроводящий барьер. (Уровни энергии показаны неравными на диаграмме барьеров.)

Если смещение затвора превышает необходимое для туннелирования, уровни энергии в квантовых ямах больше не совпадают, туннелирование запрещается, ток истока к стоку уменьшается. Резюмируя: увеличение смещения затвора от нуля приводит к смене состояний «Вкл.», потом «Выкл.» и снова «Вкл.». Это позволяет размещать пару ДТТ, словно это дополнительная пара МОП-транзисторов; вот только разные транзисторы p- и n-типа при этом не требуются. Напряжение питания составляет около 100 мВ. Были изготовлены экспериментальные ДТТ, которые работают при температурах около 4,2 К, 77 К и 0°C. Ожидаются версии, работающие при комнатной температуре.

Металл-Диэлектрик-Диэлектрик-Металл (МДДМ)

МДДМ-диод: металл-диэлектрик-диэлектрик-металл диод (сокращённо по англ. MIIM от Metal-Insulator-Insulator-Metal) – это устройство квантового туннелирования, а не полупроводниковое (см. рисунок 4 ниже). Слои диэлектрика должны быть тоньше длины волны электронов де Бройля, чтобы было возможно квантовое туннелирование. Для диодного эффекта должно быть предпочтительное направление туннелирования, приводящее к резкому изгибу прямой линии характеристической кривой диода. МДДМ-диод имеет более резкую прямую кривую, чем диод с металлическим диэлектриком (ДМД), который здесь не рассматривается.

Рис. 4. МДДМ-диод: поперечное сечение диода. Уровни энергии для отсутствия включения, прямого включения и обратного включения.

Там, где «Без включения» – уровни энергии M1 и M2. И всё же (тепловые) электроны не могут течь из-за высоких барьеров I1 и I2. Электроны в металле M2 имеют более высокий уровень энергии при «обратном включении» на рисунке 4 выше, но всё же не могут преодолеть барьер в виде диэлектрика. По мере увеличения «прямого включения» между диэлектриками образуется квантовая яма (область, где могут существовать электроны). Электроны могут проходить через диэлектрик I1, если M1 находится на том же уровне энергии, что и квантовая яма. Простое объяснение состоит в том, что путь через диэлектрики меньше. Более подробное объяснение состоит в том, что по мере увеличения смещения вероятность наложения электронной волны от M1 на квантовую яму увеличивается.

МДДМ-устройства работают на более высоких частотах (3,7 ТГц), чем СВЧ-транзисторы. Если добавить третий электрод к МДДМ-диоду, то получим транзистор.

Квантовый точечный транзистор

Квантовый точечный транзистор: изолированный проводник может взять на себя заряд, измеряемый в кулонах для больших объектов. Для изолированного нано-проводника, известного как квантовая точка, заряд измеряется в электронах. Квантовая точка размером от 1 до 3 нм может принимать дополнительный заряд в один электрон. Это суть транзистора с квантовыми точками, также известного как одноэлектронный транзистор.

Квантовая точка, помещённая на тонкий диэлектрик над истоком, богатым электронами, известна как одноэлектронный ящик (рисунок 5.а ниже). Энергия, необходимая для переноса электрона, зависит от размера точки и количества электронов, уже находящихся в точке.

Электрод затвора над квантовой точкой может регулировать уровень энергии точки так, чтобы было возможно квантово-механическое туннелирование электрона (как волны) от истока через диэлектрик (рисунок 5.б ниже). Таким образом, одиночный электрон может туннелировать к точке.

Рис. 5. (а) Одноэлектронный ящик, изолированная квантовая точка, отделённая от истока электронов диэлектриком. (б) Положительный заряд на затворе поляризует квантовую точку, туннелируя электрон от истока к точке. (в) Квантовый транзистор: канал заменён квантовой точкой, окруженной туннельным барьером.

Если квантовая точка окружена туннельным барьером и встроена между истоком и стоком обычного полевого транзистора, как на рисунке 5.в выше, заряд на точке модулирует поток электронов от истока к стоку. По мере увеличения напряжения затвора ток между истоком и стоком увеличивается до определённого значения. Дальнейшее увеличение напряжения затвора снижает ток стока. Это похоже на поведение РТД и резонансных ДТТ-устройств. Для добавления дополнительного логического элемента требуется только один тип транзистора.

Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор: если пара проводников, сверхпроводников или полупроводников разделена парой туннельных барьеров (диэлектриком), окружающих крошечный «островок проводимости», например квантовую точку, поток одного заряда (куперовская пара для сверхпроводников) может управляться затвором. Это т.н. одноэлектронный транзистор, подобный изображенному на рисунке 5.в выше. Увеличение положительного заряда на затворе позволяет электрону туннелировать на пресловутый «островок». Если он достаточно мал, низкая ёмкость приведёт к значительному росту точечного потенциала из-за одного-единственного электрона. Электроны больше не могут туннелировать на «островок» из-за электронного заряда. Это т.н. кулоновская блокада. Электрон, который туннелирует на «островок», может туннелировать в сток. Одноэлектронные транзисторы работают почти при абсолютном нуле. Исключение составляет одноэлектронный транзистор на основе графена, имеющий графеновый «островок». Но это всё пока что экспериментальные устройства.

Транзистор с графеном и углеродными нанотрубками

Графеновый транзистор: графит, аллотроп углерода, не имеет жёсткой взаимосвязанной кристаллической алмазной структуры. Тем не менее, он имеет кристаллическую структуру толщиной в один атом, т.н. двумерную структуру. Графит – это трёхмерный кристалл. Однако его можно разделить на тонкие листы. Экспериментаторы, доводя это до крайности, производят «пылинки» микронного размера толщиной в один атом, известный как графен (рисунок 6.а ниже). Эти мембраны обладают уникальными электронными свойствами. В частности, у них высочайшая проводимость, осуществляемая либо электронами, либо «дырками», без какого-либо легирования.

Слои графена можно разрезать на транзисторные структуры литографическими методами. Такие транзисторы чем-то похожи на полевые МОП-транзисторы. Затвор, ёмкостно связанный с графеновым каналом, контролирует проводимость.

По мере масштабирования кремниевых транзисторов до меньших размеров утечка увеличивается вместе с рассеиваемой мощностью. И каждые пару лет размеры транзисторов сокращаются вдвое. Графеновые транзисторы рассеивают совсем мало энергии. И они коммутируют со сверхскоростью. По всей видимости, в будущем графен – замена кремнию.

Из графена можно сделать устройства размером до шестидесяти атомов в ширину. Квантовые точки графена внутри такого маленького транзистора служат одноэлектронными транзисторами. Предыдущие одноэлектронные транзисторы, созданные либо из сверхпроводников, либо из обычных полупроводников, работают только при температурах, близких до абсолютного нуля. Одноэлектронные графеновые транзисторы работают только при комнатной температуре.

В настоящее время графеновые транзисторы – это лабораторная диковинка. Если через пару десятилетий они будут запущены в производство, на тот момент уже будут должны производиться графеновые пластины. Как первый шаг, производство графена методом химического осаждения из паровой фазы, был осуществлено пока в лабораторных масштабах. Впрочем, графеновых пластин пока нет.

Рис. 6. (а) Графен: отдельный лист графитового аллотропа углерода. Атомы расположены в гексагональной структуре с атомом углерода на каждом пересечении. (б) Углеродная нанотрубка: свернутый лист графена.

Транзистор с углеродными нанотрубками: если свернуть двумерный лист графена, полученная одномерная структура известна как углеродная нанотрубка (рисунок 6.б выше). Причина, по которой она считается одномерной, заключается в том, что трубка обладает высокой проводимостью. Электроны проходят через углеродную нанотрубку, не рассеиваясь на кристаллической решетке. Сопротивление в обычных металлах вызвано рассеянием электронов на металлической кристаллической решётке. Если электроны избегают этого рассеяния, считается, что проводимость осуществляется за счёт баллистического переноса. Были получены как металлические (действующие), так и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Полевые транзисторы можно изготовить из углеродных нанотрубок, если разместить контакты истока и стока на концах и использовать ёмкостную «связь» затвора с нанотрубкой между контактами. Изготовлены подобные транзисторы как p-, так и n-типа. Откуда такой стойкий интерес к транзисторам из углеродных нанотрубок? Полупроводники на нанотрубках меньше, быстрее и потребляют меньше энергии по сравнению с кремниевыми транзисторами.

Спинтроника

Спинтроника: обычно полупроводники контролируют поток электронных заряженных частиц (ток). Цифровых состояния представлены триггером – или ток «Вкл.» или ток «Выкл.». По мере того, как полупроводники уплотняются и уменьшаются, рассеиваемая в виде тепла мощность возрастает до такой степени, что от неё сложно избавиться. Электроны обладают свойствами, отличными от заряда, такими как спин. Если утрированно объяснить, что такое спин электрона – то это вращение распределённого заряда электрона вокруг его оси вращения, это аналогично суточному вращению Земли. Контурные токи, создаваемые движением заряда, образуют магнитное поле. Однако электрон по своей природе больше похож на точечный заряд, чем на распределённый заряд. Поэтому, аналогия вращающегося распределённого заряда, по сути, не является правильным объяснением спина. Электронный спин может принимать одно из двух состояний: вверх или вниз, что можно интерпретировать как два возможных цифровых состояния. Если точнее, квантовое спиновое число (ms) может быть ±½ квантового числа углового момента (l).

Управление спином электронов вместо управления заряженным потоком значительно снижает рассеиваемую мощность и увеличивает скорость коммутации. Спинтроника (англ. spintronics является акронимом от spin transport electronics, т.е. спиновая транспортировочная электроника), пока широко не распространена из-за сложности генерации, управления и определения спина электронов. Однако энергонезависимая магнитная спиновая память высокой плотности производится с использованием модифицированных полупроводниковых процессов. Это связано с магнитной считывающей головкой с вращающимся клапаном, используемой в компьютерных жёстких дисках, но в рамках этой книги эти вопросы не разбираются.

Простой магнитный туннельный переход (МТП) показан на рисунке 7.а ниже, состоящий из пары ферромагнитных слоёв с сильными магнитными свойствами, таких как железо (Fe), разделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны туннелируют через достаточно тонкий диэлектрик благодаря своим квантово-механическим свойствам (используется волновая природа электронов). Ток, протекающий через МТП, является функцией намагниченности (спиновой полярности ферромагнитных слоёв). Сопротивление МТП низкое, если магнитный спин верхнего слоя имеет такое же направление (полярность), что и нижний слой. Если магнитные спины двух слоёв противоположны, сопротивление выше.

Рис. 7. Магнитный туннельный переход (МТП): (а) пара ферромагнитных слоёв, разделённых тонким слоем диэлектрика (сопротивление меняется в зависимости от полярности намагничивания верхнего слоя); (б) смещаемый антиферромагнитный магнит и закреплённый нижний ферромагнитный слой увеличивает чувствительность сопротивления к изменениям полярности верхнего ферромагнитного слоя.

Изменение сопротивления может быть усилено добавлением антиферромагнетика, материала со спинами, выровненными, но противоположными (изображены под нижним слоем на рисунке 7.б выше). Этот смещаемый магнит удерживает спин нижнего ферромагнитного слоя в одной неизменной полярности. Намагниченность (спин) верхнего слоя может быть перевёрнута для представления данных путем приложения внешнего магнитного поля (на рисунке не показано). На закреплённый слой не действуют внешние магнитные поля. Опять же, сопротивление МТП является самым низким, когда спин верхнего ферромагнитного слоя имеет то же значение, что и нижний закреплённый ферромагнитный слой. МТП можно усовершенствовать, разделив закреплённый ферромагнитный слой на два слоя, разделённых буферным слоем (рисунке 8.а ниже). Это изолирует верхний слой. Нижний ферромагнитный слой закреплён антиферромагнетиком, как и на предыдущем рисунке. Ферромагнитный слой наверху буфера притягивается нижним ферромагнитным слоем. Противоположные заряды притягиваются. Таким образом, спиновая полярность дополнительного слоя противоположна таковой в нижнем слое (поскольку там притяжение). Нижний и средний ферромагнитные слои остаются неподвижными. Верхний ферромагнитный слой может быть настроен на любую полярность вращения за счёт высоких токов в соседних проводниках (на рисунке не показано). Собственно, так хранятся данные. Данные считываются по разнице тока, протекающего через туннельный переход. Сопротивление является минимальным, если слои с обеих сторон изоляционного слоя имеют одинаковый спин.

Рис. 8. (a) Разделение закреплённого ферромагнитного слоя на (б) буферный стабилизирующий слой и изолированный верхний ферромагнитный незакреплённый слой. Данные хранятся в верхнем ферромагнитном слое на основе спиновой полярности (б) МТП-ячейки, встроенной в линии считывания полупроводникового кристалла – показан один из многих МТП. Адаптировано из документации IBM.

Массив магнитных туннельных переходов может быть встроен в кремниевую пластину с проводниками, соединяющими верхнюю и нижнюю клеммы для считывания битов данных с МТП с помощью традиционной схемы КМОП (о которой подробно будет рассказано в V томе). Один такой МТП показан на рисунке 8.б выше со считывающими проводниками. Другой перекрёстный массив проводников (на рисунке не показан), несущий большие токи записи, переключает магнитный спин верхнего ферромагнитного слоя, в котором хранятся данные. Ток подаётся к одному из многих проводников «X» и «Y». Один МТП в массиве намагничен под пересечением проводников. Данные считываются, когда с помощью обычных кремниевых полупроводниковых схем измеряется ток МТП.

Главнейшая причина интереса к памяти на магнитных туннельных переходах заключается в том, что она энергонезависима. Память не теряет данные при выключенном питании. Другие типы энергонезависимой памяти могут иметь только ограниченные циклы хранения. Память МТП также имеет более высокую скорость, чем большинство типов полупроводниковой памяти. В настоящее время (2006 год) это успешно продаваемый коммерческий продукт.

А вот что пока что не является коммерческим продуктом и даже пока что существующее в виде концепции, так это теоретически возможный спиновой транзистор, который однажды может сделать возможными спиновые логические вентили. Спиновый транзистор является производной от теоретически возможного спинового диода. В какой-то момент стало известно, что электроны, протекающие через ферромагнетик кобальт/железо, поляризуются по спину. Ферромагнетик действует как фильтр, пропускающий преимущественно электроны с одним спином. Эти электроны могут течь в соседний немагнитный проводник (или полупроводник), сохраняя спиновую поляризацию на короткое время, буквально наносекунды. Однако спин-поляризованные электроны могут распространяться на значительное расстояние по сравнению с размерами полупроводника. Спин-поляризованные электроны могут быть обнаружены ферромагнитным слоем никель/железо, смежным с полупроводником.

Также было установлено, что поляризация электронного спина возникает, когда свет с круговой поляризацией освещает некоторые полупроводниковые материалы. Таким образом, должна быть возможность внедрять поляризованные по спину электроны в полупроводниковый диод или транзистор. Интерес к транзисторам и затворам на основе спина вызван недиссипативной (нерассеиваемой) природой распространения спина по сравнению с диссипативным потоком заряда. По мере уменьшения размеров обычных полупроводников рассеиваемая мощность увеличивается. В какой-то момент дальнейшее уменьшение масштаба потеряет практический смысл. Исследователи ищут замену традиционному транзистору на основе заряженного потока. Вполне возможно, что на замену придут устройства, основанные на спинтронике.

Итог

  • Поскольку оксид затвора МОП-транзистора становится всё более тонким с каждым поколением транзисторов меньшего размера, чрезмерная утечка в затворе вызывает неприемлемое рассеяние мощности и нагрев. Предел уменьшения традиционной геометрии полупроводников находится в пределах размеров волн видимого света.
  • Резонансный туннельный диод (РТД): в РТД используются квантовые механические эффекты, которые разрушают обычные полупроводники. Поток электронов через достаточно тонкий диэлектрик обусловлен волновой природой корпускулярно-волнового дуализма электронов. РТД работает как усилитель.
  • Двухслойный туннельный транзистор (Deltt): Deltt – это транзисторная версия РТД. Включение затвора контролирует способность электронов туннелировать через тонкий диэлектрик из одной квантовой ямы в другую (от истока к стоку).
  • Транзистор с квантовыми точками: квантовая точка, способная удерживать заряд, окруженная тонким туннельным барьером, заменяющим затвор обычного полевого транзистора. Заряд квантовой точки управляет истоком, отводящим ток.
  • Спинтроника: электроны обладают двумя основными свойствами: зарядом и вращением. Обычные электронные устройства контролируют поток заряда, рассеивая энергию. Устройства спинтроники управляют электронным спином, распространяющимся и недиссипативным процессом.

См.также

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

Внешние ссылки

  1. ↑ www.allaboutcircuits.com - Introduction to Solid-state Device Theory
Теория по электронике
Постоянный ток
Основные концепты электричества • Статическое электричество • Проводники, диэлектрики и поток электронов • Что такое электрические цепи • Напряжение и электроток • Сопротивление • Напряжение и электроток в реальной цепи • Условный ток и поток электронов
Закон Ома • Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом • Аналогия для закона Ома • Мощность в электрических цепях • Расчёт электрической мощности • Резисторы • Нелинейная проводимость • Построение цепи • Полярность перепада напряжения • Компьютерная симуляция электрических цепей
Правила электробезопасности • Важность правил электробезопасности • Воздействие электричества на психологическое состояние • Путь, который ток проходит перед ударом • Закон Ома (снова!) • Техника безопасности • Первая медицинская помощь при ударе током • Распространённые источники опасности • Проектирование электроцепей с учётом требований безопасности • Безопасное использование приборов для измерения электрических показателей • Данные о влиянии удара током на тело человека
Экспоненциальная запись и метрические приставки • Экспоненциальная запись • Арифметические операции для экспоненциальной записи • Метрические обозначения • Преобразование метрических приставок • Используем ручной калькулятор • Экспоненциальная форма в программе SPICE
Последовательные и параллельные электрические цепи • Что такое «последовательные» и «параллельные» электрические цепи • Простая последовательная цепь • Простая параллельная цепь • Электропроводность • Рассчитываем мощность • Правильно используем закон Ома • Анализ отказов компонентов цепи • Строим простые резистивные цепи
Схемы с делителями напряжения и правила Кирхгофа • Схемы с делителем напряжения • Правило напряжений Кирхгофа (ПНК) • Цепи – делители тока и формула делителя тока • Правило Кирхгофа для силы тока (ПКТ)
Комбинированные последовательно-параллельные схемы • Что такое последовательно-параллельная цепь • Методы анализа последовательно-параллельных резисторных цепей • Перерисовываем избыточно усложнённые схемы • Анализ отказов компонентов (продолжение) • Построение простых резисторных цепей
Измерения в электрических цепях постоянного тока • Что такое измеритель? • Как устроен вольтметр • Как вольтметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен амперметр • Как амперметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен омметр • Высоковольтный омметр • Мультиметры • Кельвиновское 4-проводное измерение сопротивления • Мостовые схемы • Как устроен ваттметр • Как самостоятельно сделать ручной калибратор
Сигналы электрического оборудования • Аналоговые и цифровые сигналы • Системы сигналов напряжения • Системы сигналов силы тока • Тахогенераторы • Теромопары • Измерения pH • Тензодатчики
Анализ сети постоянного тока • Что такое сетевой анализ? • Метод токов ветвей • Аналитический метод контурных токов • Метод узловых потенциалов • Введение в сетевые теоремы • Теорема Миллмана • Теорема о суперпозиции • Теорема Тевенена • Теорема Нортона • Эквивалентность схем Тевенена и Нортона • И вновь о теореме Миллмана • Теорема о передаче максимальной мощности • Δ-Y и Y-Δ преобразования
Батареи и системы питания • Поведение электронов при химических реакциях • Батарейные конструкции • Рейтинг батарей • Батареи специального назначения • Практические рекомендации при использовании батарей
Физика проводников и диэлектриков • Введение в физику проводников и диэлектриков • Размеры проводов• Допустимые токовые нагрузки на провода • Предохранители • Удельное сопротивление • Температурный коэффициент сопротивления • Сверхпроводимость • Пробивное напряжение диэлектрика
Конденсаторы • Электрическое поле и ёмкость • Конденсаторы и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на ёмкость конденсатора • Последовательное и параллельное соединение конденсаторов • Практические соображения - Конденсаторы
Магнетизм и электромагнетизм • Постоянные магниты • Электромангетизм • Единицы измерения магнитных величин • Магнитная проницаемость и насыщение • Электромагнитная индукция • Взаимная индукция
Катушки индуктивности • Магнитные поля и индуктивность • Катушки индуктивности и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на индуктивность • Катушки индуктивности в последовательных и параллельных соединениях • Практические соображения – Катушки индуктивности
Постоянные времени в RC и L/R цепях • Переходные процессы в электрических цепях • Переходные процессы в цепях с конденсатором • Переходные процессы в цепях с катушкой индуктивности • Расчёт напряжения и силы тока • Почему L/R, а не LR? • Комплексные расчёты напряжения и тока • Сложные схемы • Расчёт неизвестного времени
Переменный ток
Основы теории переменного тока • Что такое переменный ток? • Формы волн переменного тока • Измерение величин переменного тока • Расчёт простейшей цепи переменного тока • Фаза переменного тока • Принципы радио
Комплексные числа • Введение в комплексные числа • Векторы и волны переменного тока • Сложение простых векторов • Сложение сложных векторов • Полярная и алгебраическая запись комплексных чисел • Арифметика комплексных чисел • И ещё по поводу полярности переменного тока • Несколько примеров с цепями переменного тока
Реактанс и импеданс – Индуктивность • Резистор в цепи переменного тока (Индуктивность) • Катушка индуктивности в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-индуктивные цепи • Параллельные резистивно-индуктивные цепи • Особенности катушек индуктивности • Что такое «скин-эффект»?
Реактанс и импеданс – Ёмкость • Резистор в цепи переменного тока (Ёмкость) • Конденсатор в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-ёмкостные цепи • Параллельные резистивно-ёмкостные цепи • Особенности конденсаторов
Реактанс и импеданс – R/L/C-цепи • Обзор R, X и Z (сопротивление, реактанс и импеданс) • Последовательные R/L/C-цепи • Параллельные R/L/C-цепи • Последовательно-параллельные R/L/C-цепи • Реактивная проводимость и адмиттанс • R/L/C-цепи – что в итоге?
Резонанс • Электрический маятник • Простой параллельный резонанс (колебательный контур) • Простой последовательный резонанс • Применение резонанса • Резонанс в последовательно-параллельных цепях • Добротность и полоса пропускания резонансной цепи
Сигналы переменного тока смешанной частоты • Сигналы переменного тока смешанной частоты - Введение • Прямоугольные волновые сигналы • Другие волновые формы • Подробнее о спектральном анализе • Эффекты в электрических цепях
Фильтры • Что такое фильтр? • Низкочастотные фильтры • Высокочастотные фильтры • Полосовые фильтры • Полосно-заграждающие фильтры • Резонансные фильтры • Подводя итоги по фильтрам
Трансформаторы • Взаимная индуктивность и основные операции • Повышающие и понижающие трансформаторы • Электрическая изоляция • Фазировка • Конфигурации обмотки • Регулировка напряжения • Специальные трансформаторы и приложения • Практические соображения – Трансформаторы
Многофазные цепи переменного тока • Однофазные системы питания • Трёхфазные системы питания • Чередование фаз • Устройство многофазного двигателя • Трёхфазные Y- и дельта-конфигурации • Трёхфазные цепи с трансформатором • Гармоники в многофазных энергосистемах • Гармонические фазовые последовательности
Коэффициент мощности • Мощность в резистивных и реактивных цепях переменного тока • Истинная, реактивная и полная мощность • Расчёт коэффициента мощности • Практическая коррекция коэффициента мощности
Измерение цепей переменного тока • Вольтметры и амперметры переменного тока • Измерение частоты и фазы • Измерение мощности • Измерение качества электроэнергии • Мостовые схемы переменного тока • Измерительные преобразователи переменного тока
Двигатели переменного тока • Введение в двигатели переменного тока • Синхронные двигатели • Синхронный конденсатор • Двигатель с магнитным сопротивлением • Шаговые двигатели • Бесщёточный двигатель постоянного тока • Многофазные асинхронные двигатели Теслы • Асинхронные двигатели с фазным ротором • Однофазные асинхронные двигатели • Прочие специализированные двигатели • Сельсин-двигатели (синхронизированные двигатели) • Коллекторные двигатели переменного тока
Линии передачи • Кабель на 50 Ом? • Электрические цепи и скорость света • Характеристический импеданс • Линии передачи конечной длины • «Длинные» и «короткие» линии передачи • Стоячие волны и резонанс • Преобразование импеданса • Волноводы
Полупроводники
Усилители и активные устройства • От электрики к электронике • Активные и пассивные устройства • Усилители • Коэффициент усиления • Децибелы • Абсолютные дБ-шкалы • Аттенюаторы
Теория твердотельных приборов • Введение в теорию твердотельных устройств • Квантовая физика • Валентность и кристаллическая структура • Зонная теория твёрдых тел • Электроны и «дырки» • P-N-переход • Полупроводниковые диоды • Транзисторы с биполярным переходом • Полевые транзисторы • Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) • Тиристоры • Методы производства полупроводников • Сверхпроводящие устройства • Квантовые устройства • Полупроводниковые приборы в SPICE
Диоды и выпрямители • Диоды и выпрямители – Введение • Проверка диодов мультиметром • Номинальные характеристики диодов • Схемы выпрямителей • Пиковый детектор • Схемы ограничителей напряжения • Схемы фиксаторов уровня • Умножители напряжения (удвоители, утроители, учетверители и т.д.) • Схемы коммутации индуктивных нагрузок • Диодные схемы коммутации • Что такое диод Зенера (стабилитрон)? • Диоды специального назначения • Прочие диодные технологии • Модели диодов в SPICE
Биполярные транзисторы • Транзисторы с биполярным переходом (ТБП) – Введение • Транзистор с биполярным переходом (ТБП) как переключатель • Проверка транзистора с биполярным переходом (ТБП) с помощью мультиметра • Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП) • Усилительный каскад с общим эмиттером • Усилительный каскад с общим коллектором • Усилительный каскад с общей базой • Каскодный усилитель • Методы смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Расчёт смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Взаимодействие входа и выхода в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Обратная связь в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Импеданс усилителя • Токовые зеркала в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Параметры и корпуса транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Особенности транзисторов с биполярным переходом (ТБП)
Полевые транзисторы • Полевые транзисторы (JFET) – Введение • Полевой транзистор (JFET) как переключатель • Проверка полевого транзистора (JFET) с помощью мультиметра • Активный режим работы полевого транзистора (JFET)
Полевые транзисторы с изолированным затвором • Полевые транзисторы с изолированным затвором – Введение • Обедняющие полевые транзисторы с изолированным затвором • Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Тиристоры • Гистерезис • Газоразрядные лампы • Диод Шокли (динистор) • DIAC (симметричный динистор) • Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR-тиристор) • TRIAC (симметричный тринистор, триак) • Оптотиристоры • Однопереходной транзистор • Управляемый кремниевый коммутатор (SCS-тиристор) • Тиристоры с полевым управлением
Операционные усилители • Операционные усилители (ОУ) – Введение • Несимметричные и дифференциальные усилители • «Операционный» усилитель • Отрицательная обратная связь • Делитель напряжения в цепи обратной связи • Аналогия для делителя напряжения в цепи обратной связи • Преобразование сигнала напряжения в сигнал тока • Схемы усреднителя и сумматора • Построение дифференциальных усилителей • Инструментальный (измерительный) усилитель • Схемы дифференциатора и интегратора • Положительная обратная связь • Практические аспекты ОУ • Модели операционных усилителей
Практические аналоговые полупроводниковые схемы • Электростатический разряд • Схемы источников питания • Схемы усилителей • Осцилляторные схемы • Радиосхемы • Вычислительные схемы • Измерительные схемы
Приводы двигателей постоянного тока • Широтно-импульсная модуляция
Электронные лампы • Электронные лампы – Введение • История электронных ламп – с чего всё началось • Триод • Тетрод • Силовой лучевой тетрод • Пентод • Комбинированные электронные лампы • Характеристики электронных ламп • Ионизированные (газовые) электронные лампы • Индикаторные электронные лампы • Микроволновые электронные лампы • Сравниваем электронные лампы и полупроводники
Цифровая электроника
Системы счисления • Числа и способы их выражения • Системы счисления • Сравниваем десятеричные и двоичные числа • Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления • Восьмеричные и шестнадцатеричные числа преобразовываем в десятеричные • Преобразование из десятеричной системы счисления
Двоичная арифметика • Числа и системы счисления • Двоичное сложение • Отрицательные двоичные числа • Двоичное вычитание • Двоичное переполнение • Наборы битов
Логические вентили • Цифровые сигналы и вентили • Вентили «НЕ» • «Буферные» вентили • Вентили с более чем одним входом • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «И-НЕ» и «И» • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «ИЛИ-НЕ» и «ИЛИ» • Схемы КМОП-вентилей • Специальные выходы в вентилях • Универсальность вентилей «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» • Уровни напряжения для «высоких» и «низких» логических сигналов • Вентильные DIP корпусы
Переключатели • Типы переключателей • Как устроены контакты переключателей • «Нормальное» состояние контакта и последовательное замыкание/размыкание • «Дребезжание» контактов
Электромеханические реле • Устройство реле • Контакторы • Реле с задержкой времени • Защитные реле • Твердотельные реле
Релейная логика • «Лестничные» диаграммы • Функции цифровой логики • Разрешающие и блокирующие схемы • Схемы управления двигателем • Отказоустойчивость • Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
Булева алгебра • Булева алгебра – Введение • Логическая арифметика • Булевы алгебраические тождества • Булевы алгебраические свойства • Логические правила для упрощения • Примеры упрощения схем • Функция «Исключающее ИЛИ»: вентиль XOR • Законы де Моргана • Преобразование таблиц истинности в логические выражения
Карты Карно • Карты Карно – Введение • Диаграммы Венна и множества • Булевы соотношения на диаграммах Венна • Преобразование диаграмм Венна в карты Карно • Карты Карно, таблицы истинности и логические выражения • Упрощение логики с помощью карт Карно • Бо́льшие карты Карно с 4-мя переменными • Минтермы и макстермы в реализациях • Обозначения сумм и произведений • Поля «безразличия» на картах Карно • Бо́льшие карты Карно с 5-ю и 6-ю переменными
Функции комбинационной логики • Функции комбинационной логики – Введение • Неполный сумматор • Полный сумматор • Декодер • Кодер • Демультиплексоры • Мультиплексоры • Совместное использование множественных комбинационных схем
Мультивибраторы • Цифровая логика с обратной связью • SR-защёлка • Вентильная SR-защёлка • D-защёлка • Защёлки с запуском по фронту сигнала: триггеры • JK-триггер • Триггеры с асинхронными входами • Моностабильные мультивибраторы
Схемы последовательностей • Двоичная счётная последовательность • Асинхронные счётчики • Синхронные счётчики • Конечные автоматы
Сдвиговые регистры • Сдвиговые регистры – Введение • Сдвиговые регистры: последовательный вход, последовательный выход (SISO) • Сдвиговые регистры: параллельный вход, последовательный выход (PISO) • Сдвиговые регистры: последовательный вход, параллельный выход (SIPO) • Универсальные сдвиговые регистры: параллельный вход, параллельный выход (PIPO) • Кольцевые счётчики
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования • Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразования – Введение • ЦАП R/2nR: цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенным входом • ЦАП R/2R: (цифро-аналоговый преобразователь) • Параллельные АЦП • Цифровые ступенчатые АЦП • АЦП с последовательным приближением • Отслеживающий АЦП • Скатные (интегрирующие) АЦП • Дельта-сигма АЦП • Практические аспекты схем АЦП
Цифровая связь • Цифровая связь – Введение • Сети и шины • Потоки данных • Типы электрических сигналов • Оптическая передача данных • Топология сети • Сетевые протоколы • Практические аспекты цифровой связи
Цифровое хранилище (память) • Почему «цифровое»? • Понятия и концепции цифровой памяти • Современная немеханическая память • Устаревшие немеханические технологии памяти • Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) • Память с движущимися частями: «Приводы»
Принципы цифровых вычислений • Двоичный сумматор • Таблицы поиска • Конечные автоматы • Микропроцессоры • Микропроцессорное программирование
Справочные материалы
Полезные уравнения и коэффициенты пересчёта • Уравнения и законы для цепей постоянного тока • Правила последовательных цепей • Правила параллельных цепей • Эквивалентные значения компонентов в последовательных и параллельных цепях • Уравнение ёмкости конденсатора • Уравнение катушки индуктивности • Уравнения постоянной времени • Уравнения цепей переменного тока • Уравнения для децибел • Метрические приставки и преобразования единиц измерения
Цветовая маркировка • Цветовая маркировка резисторов • Цветовая маркировка проводки • Инфографика цветовой маркировки проводки
Таблицы проводников и диэлектриков • Таблица калибров медной проволоки • Таблица допустимых нагрузок для медного провода • Коэффициенты удельного сопротивления • Таблица температурных коэффициентов сопротивления • Критические температуры для сверхпроводников • Диэлектрическая прочность изоляторов
Справочник по алгебре • Основные алгебраические тождества • Основные свойства арифметики • Свойства степеней • Извлечение корней • Важные константы • Логарифмы • Формулы сокращённого умножения • Квадратное уравнение • Прогрессии • Факториалы • Решение систем уравнений: метод подстановки и метод сложения
Справочник по тригонометрии • Тригонометрия прямоугольного треугольника • Тригонометрия произвольного треугольника • Тригонометрические формулы • Гиперболические функции
Справочник по исчислению • Формулы вычисления пределов • Производная числа • Общие производные • Производные показательных функций с основанием e • Производные простых тригонометрических функций • Правила вычисления производных • Первообразная (неопределённый интеграл) • Общие первообразные • Первообразные показательных функций от числа e • Правила вычисления первообразных • Определённые интегралы и основная теорема исчисления • Дифференциальные уравнения
Использование программы SPICE для моделирования электрических схем • Программа моделирования электрических цепей SPICE — Введение • История программы SPICE • Основы программирования в SPICE • Интерфейс командной строки • Компоненты электрических схем • Опции для проведения анализа • Странные особенности программы SPICE • Примеры электрических цепей и списков связей
Устранение неполадок – теория и практика • Вопросы, которые следует задать, прежде чем продолжить • Общие советы по устранению неполадок • Конкретные методы устранения неполадок • Вероятные сбои в проверенных системах • Вероятные сбои в непроверенных системах • Возможные ментальные ловушки
Схематические обозначения элементов цепи • Провода и соединения • Источники питания • Типы резисторов • Типы конденсаторов • Катушки индуктивности • Взаимные катушки индуктивности • Переключатели с ручным управлением • Управляемые процессом переключатели • Переключатели с электрическим приводом (реле) • Соединители • Диоды • Биполярные транзисторы • Переходные транзисторы с полевым эффектом (JFET) • Транзисторы с полевым эффектом с изолированным затвором (IGFET или MOSFET) • Гибридные транзисторы • Тиристоры • Интегральные схемы • Электронные лампы
Периодическая таблица химических элементов • Таблица Менделеева
Эксперименты
Введение • Электроника как точная наука • Обустраиваем домашнюю лабораторию
Основные концепции и испытательное оборудование • Использование вольтметра • Использование омметра • Очень простая схема • Использование амперметра при измерении силы тока • Закон Ома • Нелинейное сопротивление • Рассеяние мощности • Цепь с переключателем • Эксперимент по электромагнетизму • Эксперимент с электромагнитной индукцией
Электрические цепи постоянного тока • Электрические цепи постоянного тока – Введение • Последовательные источники питания • Параллельные источники питания • Делитель напряжения • Делитель тока • Потенциометр как делитель напряжения • Потенциометр как реостат • Прецизионный потенциометр • Ограничение диапазона реостата • Термоэлектричество • Мультиметр своими руками • Чувствительный детектор напряжения • Потенциометрический вольтметр • 4-проводное измерение сопротивления • Простейший компьютер • Картошка-батарейка • Зарядка и разрядка конденсатора • Индикатор скорости изменения
Электрические цепи переменного тока • Электрические цепи переменного тока – Введение • Трансформатор – блок питания • Сборка трансформатора • Переменный индуктор • Чувствительный аудиодетектор • Обнаружение магнитных полей переменного тока • Обнаружение электрических полей переменного тока • Альтернатор – автомобильный генератор • Асинхронный двигатель • Асинхронный двигатель побольше • Фазовый сдвиг • Погашение звука • Музыкальный синтезатор как генератор сигналов • ПК-осциллограф • Анализ волновых сигналов • Колебательный контур • Сигнальная связь
Дискретные полупроводниковые схемы • Дискретные полупроводниковые схемы – Введение • Коммутирующий диод • Полупериодный выпрямитель • Двухполупериодный мостовой выпрямитель • Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом • Цепь «выпрямитель/фильтр» • Регулятор напряжения • Транзистор как переключатель • Датчик статического электричества • Датчик импульсного света • Повторитель напряжения • Усилитель с общим эмиттером • Многокаскадный усилитель • Как построить схему токового зеркала • JFET – регулятор тока • Дифференциальный усилитель • Простой операционный усилитель • Аудио осциллограф • Ламповый аудио усилитель
Аналоговые интегральные схемы • Аналоговые интегральные схемы – Введение • Компаратор напряжения • Прецизионный повторитель напряжения • Неинвертирующий усилитель • Высокоимпедансный вольтметр • Интегратор • Аудио осциллограф на таймерной схеме 555 • Наклонный генератор на таймерной схеме 555 • ШИМ-контроллер мощности • Аудиоусилитель класса B
Цифровые интегральные схемы • Цифровые интегральные схемы – Введение • Основная функция вентилей • SR-защёлка на основе вентилей «ИЛИ-НЕ» • SR-защёлка на основе вентиля «И-НЕ» с входом разрешения • SR-триггер на основе вентиля «И-НЕ» • Светодиодный секвенсор • Простейший кодовый замок • 3-битный двоичный счётчик • 7-сегментный дисплей
Таймерные схемы 555 • Интегральный таймер 555 • Триггер Шмитта на интегральном таймере 555 • Гистерезисный осциллограф на интегральном таймере 555 • Моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555 • Минимальное количество комплектующих для КМОП-схемы 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на синих светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на светодиодах обратного хода • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Электроника:Полупроводники/Теория_твердотельных_приборов/Квантовые_устройства&oldid=1797816