Классическая электроника и наноэлектроника

Рекомендовано УМО по образованию

 в области телекоммуникаций в качестве учебного
 пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки дипломированных 

специалистов 210400 – «Телекоммуникации»

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

КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 
И НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

4-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА» 
2022

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73

И26

Игнатов А.Н.

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

И26

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73

В книге изложены физические основы полупроводниковых электронных 
приборов. Рассмотрены основные типы радиокомпонентов, элементы 
и узлы аналоговых и цифровых микроэлектронных устройств и 
систем, интегральные схемы высоких степеней интеграции. Показана 
целесообразность и возможности перехода от классической элек троники 
к наноэлектронике. Рассмотрены физические и технологические основы 
наноэлектроники; наноэлектронные транзисторы, фотоприемники 
и лазеры; приборы на основе углеродных нанотрубок; возможности 
создания квантовых компьютеров; наноэлектронные изделия для компьютеров, 
информационных и телекоммуникационных систем; основы 
функциональной электроники; вопросы стандартизации и надежности 
электронной аппаратуры.

Для студентов и инженерно-технических работников, свя занных с 

проектированием и эксплуатацией электронной аппаратуры с использованием 
микроэлектронной и наноэлектронной элементных баз.

ISBN 978-5-9765-0263-5 
© Игнатов А.Н., Фадеева Н.Е., 
     Савиных В.Л., 2017
© Издательство «ФЛИНТА», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

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

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

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

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

Предисловие

В курсах классической электроники основное внимание уде-
ляется биполярным и полевым транзисторам и функциональным 
узлам на их основе. Поэтому в данном пособии авторы сочли не-
обходимым рассмотрение физических основ электроники, радио-
компонентов, элементов и узлов аналоговых и цифровых устройств 
(главы 1–4).
В настоящее время уровень развития телекоммуникационных 
и информационных систем однозначно зависит от степени внедре-
ния в них изделий микроэлектроники и наноэлектроники.
За сорок пять лет развития микроэлектроники разработана ши-
рокая номенклатура интегральных микросхем. Для специалистов в 
области проектирования и эксплуатации телекоммуникационных и 
информационных систем (ТК и ИС) важны знания о возможностях 
современной микроэлектронной элементной базы. Поэтому в насто-
ящее пособие включены материалы по изучению свойств и примене-
ний аналоговых и цифровых интегральных микросхем (главы 5 и 6).
С 2000 г. начался переход от микроэлектроники к наноэлектро-
нике. Уменьшение топологических норм транзисторных структур 
до 100 нм и ниже обусловлено непрерывным прогрессом в совер-
шенствовании технологии изготовления микросхем.
За последние годы в наноэлектронике достигнуты значи-
тельные практические результаты. Созданы высокоэффективные 
лазеры и светоизлучающие диоды на основе гетероструктур, вы-
сокочувствительные фотоприемники на квантовых ямах, сверхвы-
сокочастотные транзисторы, различного рода сенсоры и др., являю-
щиеся базовыми элементами для современных ТК и ИС. Налажен 
серийный выпуск микросхем ультрабольшой и гигантской степеней 
интеграции (УБИС и ГИС). В этой связи рассмотрению возможно-
стей нанотехнологий и наноэлектроники в данном пособии уделя-
ется существенное внимание. Изложение материала глав 7–9 носит 
обзорный характер. Здесь обобщены результаты, опубликованные 

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

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Классификация и области применения
электронных приборов

Основными типами электронных приборов являются:
Электронные электровакуумные приборы, к которым относят-
ся электронные лампы, а также электронно-лучевые трубки (ЭЛТ): 
осциллографические (применяемые в приборах для визуального 
наблюдения электрических процессов), кинескопы (применяемые 
в телевизионных приемниках) и др.
Ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, прин-
цип действия которых основан на взаимодействии электронов с 
ионной плазмой. К ионным приборам относятся тиратроны, ион-
ные разрядники, газоразрядные стабилитроны (стабилизаторы 
напря жения) и др.
Полупроводниковые приборы, действие которых основано на 
использовании свойств полупроводников – веществ, занимающих 
промежуточное положение между проводниками и диэлектриками 
по величине их удельного электрического сопротивления. Основ-
ными классами полупроводниковых приборов являются диоды, би-
полярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и 
оптоэлектронные приборы.
Интегральные микросхемы (ИС) – приборы, использующие 
свойства полупроводниковых веществ и представляющие собой 
совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзис-
торов, диодов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином техноло-
гическом цикле на полупроводниковых или диэлектриче ских под-
ложках и выполняющих функцию преобразования инфор мации.
В зависимости от вида физических сигналов на входах и вы-
ходах различают четыре основных вида электронных приборов: 
электропреобразовательные с электрическими сигналами на вхо дах 
и выходах; электросветовые с электрическими сигналами на входе и 
световыми на выходе; фотоэлектрические, на входах которых свето-
вые сигналы, на выходах – электрические; тер моэлектрические, на 
входах которых тепловые сигналы, на выходах электрические.

В электронике можно выделить четыре главных области при-
менения электронных приборов – электросвязь, радиоэлект ронную 
аппаратуру широкого применения, вычислительную техни ку и тех-
ническую кибернетику, промышленную электронику.
Электросвязь охватывает несколько направлений техники: 
радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, авто-
матическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиоре-
лейную связь, космическую связь, волоконно-оптическую связь.
К радиоэлектронной аппаратуре широкого применения отно-
сятся радиоприемники, телевизоры, электрофоны, магнитофоны, 
ра диолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой ав-
томатики, электронные часы, электронные игрушки и др.
Вычислительная техника и техническая кибернетика связана 
с разработкой и применением ЭВМ, автоматизированных систем 
управления (АСУ), систем автоматизированного проектирования 
(САПР), автоматизированных информационных систем, автомати-
зированных обучающих и контролирующих систем, гибких авто-
матизированных производств (ГАП) и др.
Промышленная электроника включает аппаратуру производ-
ственной связи, измерительную аппаратуру, устройства электро пи-
тания, промышленное телевидение, станки с числовым програм мным 
управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, теле  метрии, 
медицинскую аппаратуру, электротехническое и энер гетическое обо-
рудование, аппаратуру радиолокации и радионави гации, лазерную 
технику, ядерную электронику, биологическую электронику и др.
Специфика отдельных областей электроники заключается в ис-
пользовании электронных устройств, особенностях их техни ческих 
решений и характеристик. Номенклатура электронных устройств 
чрезвычайно разнообразна. Основные классы элект ронных устройств 
и систем широкого применения рассматриваются в этой книге.

1.2. Принцип работы электровакуумных приборов

Электровакуумными называют приборы, принцип действия ко-
торых основан на использовании электрических явлений в вакууме 
или газе. Электровакуумные приборы подразделяют на электрон-
ные и ионные.

В электронных электровакуумных приборах прохождение 
электрического тока осуществляется свободными электронами. 
Рабочей средой этих приборов является вакуум, обеспечиваемый 
газонепроницаемой оболочкой. Семейство электронных электро-
вакуумных приборов объединяет несколько групп приборов: элек-
тронные лампы, электронно-лучевые приборы, электрова куумные 
фотоэлектронные приборы и др.
Принцип действия электронных электровакуумных приборов 
основан на управлении свободными электронами с помощью элек-
трических  или  магнитных  полей.  Для  получения  потока свобод-
ных электронов в электронных приборах используют специальный 
металлический или полупроводниковый электрод – катод. Процесс 
выхода электронов из катода называется элект ронной эмиссией.
Выходу электронов из катода препятствуют силы двойного 
электрического слоя у его поверхности. Этот слой создается элек-
тронами, находящимися на границе между катодом и окру жающей 
средой, а также некомпенсированными положительными ионами, 
образовавшимися из атомов, которые потеряли элект роны, ушедшие 
с поверхности катода. Для выхода из катода электронам необходи-
мо преодолеть тормозящее действие этого слоя, для чего требуется 
дополнительная энергия. Работу, которую совершает электрон для 
выхода из катода, называют работой выхода и обозначают АВЫХ.
В зависимости от способа сообщения электронам добавочной 
энергии различают следующие виды электронной эмиссии:
• термоэлектронная, при которой дополнительная энергия сообщается 
электронам при нагреве катода;
• вторичная электронная, являющаяся результатом бомбардировки 
катода потоком электронов и ионов, двигающихся 
с большой скоростью;
• фотоэлектронная, при которой на поверхность катода воздействует 
электромагнитное излучение;
• электростатическая, при которой выход электронов из катода 
обеспечивает сильное электрическое поле у его поверхности.
В электронных приборах широкое применение находит явление 
термоэлектронной эмиссии. С этой целью используют термо катоды 
прямого и косвенного накала.
В катодах прямого накала ток накала проходит непосредст венно 
по катоду, который одновременно является подогревателем. Като-

ды прямого накала обычно изготавливают из вольфрама, который 
необходимо разогревать до очень высоких температур. Это требует 
больших затрат энергии от источников постоянного напряжения. 
При использовании источника переменного напря жения температура 
катода зависит от частоты питающего напряжения, что приводит 
к нарушению нормального режима работы прибора.
Меньшей работой выхода электронов обладают активированные 
катоды. У них на поверхность основного металла наносят слой 
активных металлов (например, тория). Активированный слой создает 
у поверхности основного металла электрическое поле  некомпенсированных 
положительных ионов, которое способст вует выходу 
электронов из катода. Однако в процессе работы электронного 
прибора активированный слой постепенно разру шается, что приводит 
к выходу прибора из строя.
 Недостатки катодов прямого накала существенно снижены 
в катодах косвенного накала. Этот тип катодов является наиболее 
распространенным. Катод косвенного накала выполняют в виде полого 
цилиндра, внутри которого помещают спираль подогре вателя, 
изолированную от катода. Наружную поверхность ци линдра покрывают 
оксидной пленкой, представляющей собой смесь окислов. 
Поэтому такие катоды называют оксидными. Оксидные катоды отличаются 
высокой экономичностью и питаются обычно от источ-
ника переменного напряжения. В баллонах электронных приборов 
должен быть высокий вакуум, чтобы уменьшить вероятность по-
вреждения поверхности катода при бомбардировке ее ионами оста-
точного газа.
Катоды косвенного накала обладают значительной тепловой 
инерцией: выход электронов происходит лишь через некоторое вре-
мя с момента подачи напряжения питания (1...2 мин).

1.3. Принцип работы ионных приборов

В ионных приборах используется электрический разряд в газе. 
Поэтому их часто называют газоразрядными. В зависимости от 
вида электрическою разряда различают приборы тлеющего разря-
да, дугового разряда и др. Ионный прибор обычно представляет 
собой стеклянный баллон, заполненный инертным газом, водо-

родом или парами ртути, внутри которого помещаются электро-
ды. Рабочее давление газа в приборах разных типов колеблется в 
пределах (0,l...1,5)·103 Па.
Ионные  приборы отличаются от  электронных  тем, что в их 
работе используются  как свободные электроны, так и  ионы газа. 
При небольших напряжениях между катодом и выходным электро-
дом – анодом ток в приборе в основном определяется движением 
свободных электронов к аноду. Свободные электроны между като-
дом и анодом образуются вследствие ионизации газа и вторичной 
эмиссии из катода под действием различных внешних факторов. 
Эти электроны называются первичными.
С ростом анодного напряжения возрастает число электронов, 
достигающих анода, и положительных ионов, достигающих катода. 
При некотором значении анодного напряжения рост анодного тока 
прекращается и наступает режим насыщения. Появление тока насы-
щения объясняется тем, что число заряженных частиц, имеющихся 
в газе за счет действия внешних ионизаторов, равно числу частиц, 
достигающих анода и катода за тот же промежуток времени. Ток на-
сыщения можно увеличить только путем увеличения интенсивно-
сти внешних ионизаторов.
При дальнейшем повышении анодного напряжения происходит 
увеличение скорости первичных электронов. Это приводит к росту 
интенсивности ударной ионизации, способствующей появлению 
новых свободных электронов, называемых вторичными.
При высоких напряжениях между анодом и катодом ионы вы-
бивают из катода новые свободные электроны и создают вторичную 
электронно-ионную эмиссию. Описанный тип разряда называется 
несамостоятельным, так как для его поддержания требуются внеш-
ние ионизаторы.
Если напряжение на газоразрядном приборе достигает напря-
жения возникно вения разряда, то процессы ионизации и вторич-
ной электронно-ионной эмиссии протекают лавинообразно. Про-
водимость прибора при этом увеличивается скачком, и возникает 
самостоятельный электрический разряд, для поддержания кото-
рого не требуется внешних ионизаторов. В этом случае происходит 
перераспределение напряжения источника питания между резисто-
ром, включенным в цепь анода, и уменьшившимся сопротивлением 
участка «анод – катод» прибора. 

Если теперь уменьшать сопротивление резистора в цепи анода, 
то в приборе возникает нормальный тлеющий разряд, приводящий к 
еще большему снижению сопротивления прибора. При дальнейшем 
уменьшении сопротивления резистора в цепи анода наблюдается 
рост тока при практическом постоянстве напряжения на приборе. Это 
происходит за счет вовлечения в процесс вторичной электронно-ион-
ной эмиссии большей части поверхности катода. Наконец наступает 
момент, когда вся поверхность катода охвачена эмиссией. Рост тока 
в приборе возможен теперь лишь при повышении анодного напряже-
ния, что усилит процесс вторичной эмиссии из катода. При этом бу-
дет наблюдаться аномальный тлеющий разряд. Наряду с процессами 
ионизации в приборе происходят процессы рекомбинации (электро-
ны с положительными ионами образуют нейтральные атомы). В дан-
ном случае энергия выделяется в виде фотонов, в результате чего газ 
светится. Цвет свечения определяется родом газа-наполнителя.
При дальнейшем увеличении анодного напряжения электриче-
ский разряд переходит в дуговой самостоятельный разряд, характе-
ризуемый большими токами и малыми падениями напряжения.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) ионного прибора изо-
бражена на рис. 1.1, а. На этой кривой участок ОА соответствует неса-
мостоятельному разряду, АВ – начальной стадии самостоятельного 
разряда, ВС – переходной области от са мостоятельного к тлеющему 
разряду, CD – области нормального тлеющего разряда, DE – области 
аномального тлеющего разряда, EF – области термо электронной и 
электростатической эмиссии, FG – области дугового разряда.

                                     
     а)                                            б) 
Рис. 1.1. К объяснению принципа работы ионного прибора:
а) ВАХ, б) схема включения

I

U
О

A

B
C

D

F
E

G

+
-

R
RA

UA
UП
А

К