Информационно-измерительная техника и электроника


В. П. Иванников





                ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА




Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.3.049.77
ББК 32.844.1
     И18




Рецензент:
доктор технических наук, профессор Ломаев Г. В.




    Иванников, В. П.
И18       Информационно-измерительная техника и электроника : учебное по-
     собие / В. П. Иванников. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -356 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1072-4

     Рассмотрены физические основы микроэлектроники, основные типы полупроводниковых электронных приборов, этапы совершенствования и «ступени интеграции» электронной аппаратуры, схемотехника и ключевые технологии производства интегральных микросхем. Представлены интегральные схемы на биполярных и полевых транзисторах; основные схемотехнические решения интегральных схем цифровой и аналоговой электроники: логические элементы и комбинационные логические схемы; счетчики, регистры, запоминающие устройства; преобразователи кодов, индикаторы.
     Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»; 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»; 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»; 20.04.01 «Техносферная безопасность».

                                                        УДК 621.3.049.77
                                                        ББК 32.844.1








ISBN 978-5-9729-1072-4

     © Иванников В. П., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие......................................................6
РАЗДЕЛ I. ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ.....................................10
Глава 1. Основы физики кристаллов...............................13
     1.1.1. Идеальные кристаллы.................................13
     1.1.2. Реальные кристаллы..................................27
Глава 2. Виды химической связи в кристаллах.....................41
     1.2.1. Классификация кристаллов по видам химической связи между атомами..............................................41
     I.2.2. Равновесное состояние решетки.......................46
Глава 3. Диффузия в твердых телах...............................52
     1.3.1. Механизм диффузии ..................................52
     I.3.2. Математическая теория диффузионных процессов........57
     I.3.3. Диффузия примесей в германии и кремнии..............65
     I.3.4. Окисление кремния...................................70
Резюме..........................................................72

РАЗДЕЛ II. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ...................75
Глава 1. Классификация твердых тел по механизму электропроводности..............................................76
     II   1.1. Электронная теория проводимости металлов........ 76
     II   1.2. Электропроводность полупроводников и изоляторов. 78
Глава 2. Основы квантовой теории электропроводности.............82
     II.2.1. Теория атома Бора..................................82
     II.2.2. Элементы зонной теории твердого тела...............86
     II.2.3. Возможные типы зонных структур.....................88
     II.2.4. Зоны запрещенных энергий...........................92
     II.2.5. Электропроводность полупроводников.................97
Глава 3. Явления переноса носителей заряда в полупроводниках...104
     II.3.1. Контакт двух полупроводников......................104
     II.3.2. Основные типы полупроводниковых электронных приборов.112
     II.3.3. Схемы применения полупроводниковых триодов........116
     II.3.4. Полупроводниковые выпрямители.....................118
     II.3.5. Полупроводниковые усилители.......................119
Резюме.........................................................124

РАЗДЕЛ III. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМОТЕХНИКА. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА...........................................126


3

     III......................1. Основные постулаты алгебры логики.................132
     II  I.2. Самые простые вентильные схемы: И, ИЛИ, НЕ ИЛИ и НЕ И...................................................138
     I  II.3. Цифровые стандартные блоки......................148
     II  I.4. Логические цепи.................................151
     III.......................5. Аналого-цифровые преобразователи..................158
     III. 6. Дополнительные замечания, по поводу АЦП..........166
     II  I.7. Мультиплексоры и демультиплексоры...............170
     I  II.8. Шифраторы, дешифраторы и семисегментные индикаторы ... 172
     II  I.9. Тристабильные элементы. Буферы..................174
     III..............................10. Полупроводниковая память.........................175
Резюме........................................................178

РАЗДЕЛ IV. СХЕМОТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИМС...........................................................182
Глава 1. Основы развития современной микроэлектроники.........186
     IV.1  .1. Компоненты микроэлектроники и современные основания развития микроэлектроники................................187
     IV. 1.2. Этапы совершенствования и «ступени интеграции» электронной аппаратуры...................................198
     IV........1.3. Ключевые технологии производства интегральных микросхем (ИМС)..........................................201
     IV. 1.4. Методы изоляции элементов ИМС...................210
     IV.1 .5. Большие и сверхбольшие интегральные схемы ......214
Глава 2. Литография - базовый инструмент планарной технологии производства ИМС..............................................219
     IV.2. 1. Фотолитография..................................219
     IV. 2.2. Этапы фотолитографического процесса.............221
     IV..........................2.3. Виды и технологии литографии.....................231
Глава 3. Технологические возможности и ограничения миниатюризации ИМС............................................235
     IV. 3.1. Процесс создания совершенных кристаллов.........235
     IV.3 .2. Окисление.......................................238
     IV.3. 3. Литография и травление..........................239
     IV.3 .4. Легирование.....................................244
     IV. 3.5. Металлизация, напыление и нанесение пленок......249
     IV.3 .6. Подготовка кристаллов ИМС к сборке в корпусах...249
Глава 4. Критерии и ограничения миниатюризации изделий микроэлектроники..............................................252

4

     IV.4. 1. Критерии миниатюризации ИМС.....................252
     IV.4.2 . Технологические ограничения производства и миниатюризации изделий микроэлектроники................254
     IV.4..........3. Топологические пределы микроминиатюризации.....261
     IV. 4.4. Физические пределы микроминиатюризации..........268
     IV.4..5. От микроэлектроники и микроэлектронных технологий к наноэлектронике и наноэлектронным технологиям........275
Резюме........................................................280

РАЗДЕЛ V. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ...................................285
     V.1. Роль информационных процессов в развитии человеческого общества.................................................286
     V.2. Возможности использования персонального компьютера..287
     V.3. Информационные возможности персонального компьютера.289
     V.4. Вычислительные ресурсы персонального компьютера.....297
     V.5. Профессионал-непрограммист вместо программиста-профессионала...............................300
     V.6. Назначение и основные функции измерительноинформационных систем (ИИС)..............................302
     V.7. Применение ИИС и измерительно-вычислительных комплексов в промышленном производстве и управлении.................303
     V.8. Примеры применения ИИС в промышленном производстве.311

Литература....................................................345


5

ПРЕДИСЛОВИЕ


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

6

электротехнических и энергетических университетов, институтов и факультетов.
     Автор счёл целесообразным начать изложение материала с основ физики кристаллов, подчеркнув, что наиболее важной кристаллической структурой, для полупроводниковой электроники является модификация гранецентрированной решетки - решетка типа алмаза, в которой кристаллизуются также кремний и германий. Решетка типа алмаза состоит из двух гранецентрированных кубических решеток, сдвинутых одна относительно другой на четверть диагонали куба. Кратчайшее расстояние меду атомами в этой решетке равно

a V3 / 4 ,

где а - постоянная решетки. Особенностью, важной для микроэлектроники, является то, что такая решетка имеет относительно широкие каналы вдоль определенных направлений, что способствует диффузии примесей вглубь кристалла в германии и кремнии. В этом же разделе коротко рассмотрена математическая теория и механизм диффузионных процессов. Последний параграф первого раздела посвящён технологии окисления кремния, очень важному процессу, способствующему существенному развитию микроэлектронных технологий.
      Второй раздел учебного пособия посвящён изложению материала по физическим основам микроэлектроники. Изучив особенности классификации ме

таллов, полупроводников и изоляторов по механизму электропроводности, выходим на изучение основ квантовой теории электропроводности, явлений переноса носителей заряда через контакт двух полупроводников изучение основных типов и схем включения полупроводниковых приборов. Приведены параметры, характеристики и примеры некоторых, широко известных, электронных схем.
     Третий раздел учебного пособия посвящён изложению основ технологий производства интегральных микросхем.
     Такая последовательность изложения материала данного раздела обусловлена тем, что в современной измерительной технике и технологиях нашли широкое применение большинство типов электронных устройств, выполняющих функции выработки и преобразования информационных электрических сигналов, формирования управляющих воздействий и сигналов индикации. К таким электронным устройствам относим следующие:
     -       Аналоговые электронные устройства, работающие с информационными сигналами, адекватно отражающими физические параметры объекта наблюдения в любой момент времени.
     -       Логические электронные устройства с аппаратно заданной («жесткой») логикой преобразования информационных электрических сигналов, которые

7

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

8

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

9

            РАЗДЕЛ I

            ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ



      Все тела состоят из атомов. К пониманию «атомной гипотезы», смысл которой передается этой фразой, наука пришла только к концу XVIII века. Это означает, что все вещества состоят из маленьких материальных частиц (атомов), которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, и отталкиваются, если попытаться их прижать плотнее одно к другому.
      Чтобы показать силу идеи атома, представим себе размером 0,5 см ее, то ничего, кроме воды, спокойной, сплошной воды, мы не увидим. Если мы будем пристально разглядывать капельку воды диаметром 0,5 см с помощью лучшего оптического микроскопа при 2000-кратном увеличении, то мы практически ничего не сможем различить. То есть, увидим, по-прежнему, относительно спокойную воду, разве что по ней начнут шнырять какие-то «футбольные мячи». Это парамеция - очень интересная штука. На этом можно, конечно же, задержаться и заняться изучением парамеций, а на дальнейшее увеличение махнуть рукой. Но парамециями занимается биология, а нам необходимо еще лучше разглядеть воду. Допустим с помощью электронного микроскопа, мы увеличили изображение капли ещё в 2000 раз. Условно говоря, это равноценно тому, что размеры капли вырастут до диаметра в 20 км, и тогда мы увидим, в воде что-то активно движется.
      Чтобы рассмотреть это лучше, увеличим изображение ещё в 250 раз и тогда мы увидим нечто похожее на то, что показано на рисунке 1.1.


Рис. 1.1. Условное изображение капли воды (увеличенной в миллиард раз)

      Теперь, так же, как мы это сделали выше с каплей воды, посмотрим на такой же объём пара (см. рис. I.2). Рисунок этот также плох, как и рисунок I.1, однако при выбранном нами увеличении, с большой долей сомнения на таком же маленьком рисунке окажется 1V2 молекулы воды.


10

Рис. I.2. Условное изображение капли пара (увеличенной в миллиард раз)


     На такой площадке, скорее всего, не окажется ни одной частицы. Но ведь надо что-то нарисовать, чтоб рисунок не был совсем пустым.
     Глядя на пар, проще увидеть характерные черты молекул воды. Для простоты на рисунке угол между атомами водорода взят 120°. На самом же деле он равен 105°3', а промежуток между центрами атомов кислорода и водорода равен 0,957 А°.
     Вернемся вновь к нашей капельке воды и посмотрим, что с ней будет, когда температура понизится. Нетрудно увидеть, что хаотичные движения молекул воды с понижением температуры постепенно утихают. Поскольку между молекулами, существуют силы притяжения, то с понижением температуры притянувшимся друг к другу молекулам труднее двигаться. На рисунке I.3 показано, что бывает при низких температурах. Мы видим уже нечто новое.


Рис. I.3. Условное изображение капли воды, увеличенной в миллиард раз (ниже, температуры замерзания)

     Образовался лед. Конечно, картинка эта опять условна - у льда не два измерения, как здесь изображено, а три, но в общих чертах картинка справедлива. Лёд - это уже не жидкость, это твёрдое тело. И очевидно, что в замёрзшей воде (твёрдом теле), у каждого атома есть свое место. То есть, из-за жесткой структуры атомных связей возникнет определенная правильная расстановка томов в твёрдом теле - в отличие от воды, в которой эта правильная расстановка разрушена интенсивными движениями атомов.


11

     Разница между твердыми и жидкими телами и состоит в том, что в твердых телах атомы расставлены в особом порядке, называемом кристаллической структурой. То есть, положение атома на одном конце кристалла определяется положением атомов на другом конце, пусть между ними находятся хоть миллионы атомов. Это называется «дальний порядок». В жидкостях же, на больших расстояниях, порядка в расположении атомов не существует. Поэтому говорят только о «ближнем порядке».
     Таким образом, на примере воды показано, что в природе существует три вида веществ - газообразное, жидкое (текучее) и кристаллическое (твердое).
     Соль - также твердое тело. Кристалл, в котором «атомы соли» (NaCl) расставлены правильными рядами. На рисунке I.4 показано трехмерное строение обычной соли (хлористого натрия) - структура кристалла соли. Строго говоря, кристалл состоит не из атомов, а из ионов. Ионы - это атомы с излишком или с нехваткой электронов. В кристалле соли мы находим ионы хлора (атомы хлора с лишним электроном) и ионы натрия (атомы натрия, лишенные одного электрона).


Рис. I.4. Условное изображение структуры кристалла соли

12

        ГЛАВА 1


        ОСНОВЫ ФИЗИКИ КРИСТАЛЛОВ


    1.1.1. Идеальные кристаллы

     Кристаллом называется твердое тело, состоящее из атомов (ионов или молекул), расположенных с периодической повторяемостью в трех измерениях.
     В наиболее простых кристаллах структурная единица состоит из одного атома. В более сложных кристаллах структурная единица может содержать несколько атомов или молекул.
     Идеальный кристалл можно построить путем бесконечного закономерного повторения в пространстве одинаковых структурных единиц.


Рис. I.5. Условный образ структурной единицы кристаллической решётки


    Понятие о кристаллической решетке

Трансляционная решетка Браве
     Любую кристаллическую структуру можно описать с помощью периодически повторяющейся в пространстве элементарной части кристаллической решетки, называемой элементарной ячейкой (имеющей форму параллелепипеда), с каждой точкой которой связана некоторая группа атомов [1].
     Эта группа атомов называется базисом; базис повторяется в пространстве и образует кристаллическую решетку. Впервые понятие кристаллической решетки ввел Огюст Браве - 1848 г. Введём три независимых базисных вектора ai, а2, аз исходящих из одной точки и построим результирующий вектор

r — n1 a 1 + n2 a₂ + n₃ a3.           (I.1)


13