Что такое физическая электроника

ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Санкт-Петербургский государственный технический университет

В публикации дано современное определение науки “физическая электроника”, приведена история ее становления и подведены итоги ее развития к концу XX века. Определены новейшие направления на ближайшие годы. Обоснована главная направленность физической электроники – физика активных сред (рабочих) сред электроники. управляющих (обеспечивающих управление) функционированием разнообразных систем (в том числе и биологических объектов), изготовленных человеком для своей деятельности.

Определение физической электроники

Прежде всего, необходимо определиться с предметом этой отрасли знаний, тем более, что современное общепризнанное определение отсутствует. Первая попытка сформулировать это понятие была предпринята на кафедре физической электроники ЛПИ в 1986 г. в сборнике “Проблемы физической электроники” [1], следующим шагом было определение Н.Д.Девяткова и А.С.Тагера в энциклопедическом словаре “Электроника” (1991) [2]. Современной физической электронике я бы дал такое определение:

Физическая электроника (ФЭ) – наука, изучающая взаимодействия частиц и электромагнитных излучений с полями, конденсированным веществом (включая биологические объекты) и друг с другом, а также разрабатывающая научные основы использования этих взаимодействий в практических целях.

Немного истории

Исходный момент зарождения ФЭ – обнаружение эмиссионных явлений (термоэмиссии и внешнего фотоэффекта) в конце XIX и начале XX вв., хотя катодное распыление было открыто уже в середине XIX в. Начало активного периода развития ФЭ связано с её востребованностью в деле создания и совершенствования радиоламп. В 30-е годы произошло формирование 3-х разделов эмиссионной электроники в соответствии с физическим принципом явления: эмиссия, транспортировка, уход частиц из рабочего вещества. Именно эти базовые разделы стали фундаментом развития ФЭ. Однако уже в 50-е годы рамки её стали раздвигаться в связи с созданием полупроводниковых приборов, а значит, необходимостью изучения эмиссионных явлений не в вакуум, а в другие материальные среды.

Физическая электроника сегодня как физическая основа всех ветвей электроники

Какова же главная направленность ФЭ в последние годы? Если обобщить направленность всех традиционных ветвей электроники, то это – физика активных (рабочих) сред электроники, управляющих (обеспечивающих управление) функционированием разнообразных электронных устройств, изготовленных человеком для своей деятельности. В этом смысле можно говорить о ФЭ как науке, обеспечивающих физическую базу развития всех ветвей электроники (количество ветвей электроники и, соответственно, число их названий в справочных изданиях уже превысило 30).

Активные (рабочие) среды современной электроники и их использование в современной наукоемкой промышленности

Итак, даже самый поверхностный и неполный обзор указывает на великое разнообразие рабочих сред и, соответственно, объектов изучения, анализа и использования.

Итоги развития физической электроники к концу XX века.

Диагностические и технологические аспекты физической электроники.

Общеизвестны давно используемые в науке и промышленности установки для анализа твердого тела, основанные на вторично-эмиссионных явлениях – главный пример, подтверждающий выше изложенный тезис. В последние же годы ФЭ всё больше начинает определять весь технологический цикл создания прибора как формирование объекта при непрерывном контроле процесса. Что характерно для современных научных подходов в области технологии микрообъектов? Поскольку в создании маломерных объектов счет идет на отдельные атомы, на первый план выступают квантовые явления и закономерности. Основой процесса создания элементов с новыми, точно запрограммированными свойствами является математическое моделирование и компьютерная обработка результатов. Достоверность полученной модели будет зависеть, прежде всего, от объема знаний, полученных при анализе элементов предыдущего поколения и возможностей оперативного и комплексного анализа получаемых экспериментальных образцов.

Технологические “запросы” микроэлектроники

Что нужно знать о материале (образце) на элементарном уровне?

Почти все эти параметры можно определить в настоящее время эмиссионными методами, а некоторые, особенно в случае маломерных объектов, только эмиссионными. Таким образом эмиссионная электроника не только не “умерла” с концом эры вакуумных радиоламп, а оказалось в центре современных наукоёмких технологий, для которых характерна неразрывность контроля и самого технологического процесса.

Некоторые проблемы физической электроники в области технологии.

В этом перечне я намеренно коснулся, в основном, тех проблем, которые с ФЭ часто не увязываются или звучат приглушенно, хотя без её специфических подходов не могут быть продвинуты и решены, и не упомянул важнейшие традиционные проблемы, например процессы при ионной имплантации и ионном облучении.

Новейшие направления физической электроники.

Современное развитие цивилизации на первый план выдвигает изучение окружающий человека мир, биологические объекты и самого человека. Обладая таким грандиозным арсеналом исследовательских средств, естественно применить его не только для создания специальных приборов и устройств, являющихся частью информационных систем (которые, впрочем, можно использовать более широко опять-таки не в военно-промышленных, а в эколого-медицинских аспектах), но и к анализу жизненно важных процессов и выработке методик положительного на них воздействия. Одна из первых таких попыток была предпринята в 50-е годы узбекской школой физэлектронщиков во главе с акад. У.А.Арифовым (облучение семян хлопчатника). Большой вклад в это направление внес акад. Н.Д.Девятков (стимулирование работ на кафедре ФЭ ЛПИ по Кирлиан эффекту, ныне всё чаще используемого в медико-биологических исследованиях, создание научной школы по применению для лечения ряда серьезных заболеваний миллиметрового излучения). В конце 80-х годов медико-биологические программы были разработаны на кафедрах ФЭ в Разани, Каунасе, Ленинграде. Отрадно видеть, что это направление достойно представлено на нынешней конференции. Велики возможности ФЭ в этом деле, но велики и сложности, связанные с кумулятивностью действия, долговременностью процессов, их многопараметричностью.

Заключение

Главным вопросом в науке всегда являлся вопрос уровня подготовки ученых. Особенности ФЭ. требуют специалистов широкого профиля, экспериментаторов с большим теоретическим багажом и теоретиков, глядящих в перспективу использования научных достижений. Главными центрами нашей науки долгие годы были три республики: Россия, Украина, Узбекистан. Мощная и разветвленная ташкентская школа физэлектронщиков, имеющая богатый опыт и традиции, всегда отличалась умением контактировать со многими научными центрами и организовывать так необходимые для стимулирования развития науки собрания ученых. Нынешняя конференция – последний пример. Я желаю ей успешной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

От редакционной коллегии

Эта публикация представляет собой авторский конспект последнего, ранее не опубликованного доклада, который сделал на I Конференции по Физической электронике в г. Ташкенте (Узбекистан) 1 ноября 1995 г. Заслуженный деятель науки РФ, проф. Н.Н.Петров (1931-1998). Николай Николаевич Петров возглавлял ведущую в СССР и РФ кафедру физической электроники в ЛПИ (СПбГТУ) на протяжении белее четверти века (1971-1998). Заслуга Н.Н.Петрова, прежде всего, в том, что он опроверг представление о физической электронике как только об эмиссионной электронике и доказал, что это – основополагающая наука, обеспечивающая физическую базу развития всех ветвей электроники.

В публикуемой работе дано, на наш взгляд, самое точное на сегодняшний день определение физической электроники как науки, проведен исторический экскурс, дан глубокий анализ решаемых в настоящее время проблем, а также поставлены задачи, над которыми должны работать в настоящее время и ближайшем будущим специалисты в области физической электроники. Представление Николая Николаевича о Физической электронике как науке основополагающей подтверждается и тем, что практически во всех лабораториях ИАнП РАН, в том числе по тематике, казалось бы, достаточно далекой от классической физической электроники (экология, математическое моделирование), успешно работают выпускники кафедры, которую он возглавлял.

Рукопись подготовил к публикации с.н.с. ИАнП РАН В.Н.Петров.

Полный текст статьи в формате Word 97 в zip-архиве (16 kB) Вы можете получить здесь

PHYSICAL ELECTRONICS AND HIGH TECHNOLOGIES

© N.N.Petrov

Saint-Petersburg Technical University

A modern definition of the physical electronics science is given in this publication, the history of its formation is outlined and the results of its development by the end of the 20th century are summarized. The most recent trends for the nearest future are defined and main line of its further development, namely, the physics of active (working) media of electronics that control (support) functioning of various man-made systems (including biological objects) is justified.

Источник

Что такое физическая электроника

Физическая электроника – область науки и техники, занимающаяся исследованием физических явлений, составляющих основу для разработок и создания новых электронных приборов и устройств.

Ниже мы ответили на некоторые наиболее часто интересующие Вас вопросы о данной специальности.

Какой будет моя квалификация после окончания данной специальности?

После окончания в дипломе будет указана престижная и наиболее востребованная на сегодня квалификация: «Физик. Инженер.»

Какие специализации есть на специальности «физическая электроника»?

— микро- и наноэлектроника;
— электроника информационных технологий;
— биомедицинская электроника;
— радиоэлектронные и телекоммуникационные системы;
— интеллектуальные системы;
— математические методы в электронике.

Какие дисциплины я буду изучать на данной специальности?

Изучают следующие курсы специализаций: физико-химические основы сенсорики, лазерные технологии в твердотельной электронике, электронные процессы в приборных структурах металл-окисел-полупроводник, технологии сбис и убис, современные методы диагностики материалов и структур твердотельной электроники, материалы и приборы наноэлектроники; моделирование процессов и систем; автоматизированное проектирование технологий и приборов электроники; телекоммуникационные системы; системы медицинской диагностики; программируемая электроника; электроника информационно-измерительных систем и др.

Где я сделаю карьеру после окончания данной специальности?

Места распределения выпускников в 2017-2018 годах: компании и фирмы, занимающиеся разработкой электронной техники и наукоемкого программного обеспечения, предприятия и учреждения, использующие современную электронную технику и передовые технологии, фирмы и компании Парка высоких технологий в том числе: «НТЛаб-системы», «Интеграл», ИООО «ЭПАМ Системз», «ИССОФТ СОЛЮШЕНЗ», «Итранзишэн», «Белагропромбанк», «Элилинк Консалтинг», «Софтаком», «АйБиЭй АйТи Парк», ГЦ «Белмикроанализ» филиала НТЦ «Белмикросистемы», Планар, предприятия ВПК, институты НАНБ и др.

Источник

Что такое физическая электроника

Физическая электроника – область науки и техники, занимающаяся исследованием физических явлений, составляющих основу для разработок и создания новых электронных приборов и устройств.

Ниже мы ответили на некоторые наиболее часто интересующие Вас вопросы о данной специальности.

Какой будет моя квалификация после окончания данной специальности?

После окончания в дипломе будет указана престижная и наиболее востребованная на сегодня квалификация: «Физик. Инженер.»

Какие специализации есть на специальности «физическая электроника»?

— микро- и наноэлектроника;
— электроника информационных технологий;
— биомедицинская электроника;
— радиоэлектронные и телекоммуникационные системы;
— интеллектуальные системы;
— математические методы в электронике.

Какие дисциплины я буду изучать на данной специальности?

Изучают следующие курсы специализаций: физико-химические основы сенсорики, лазерные технологии в твердотельной электронике, электронные процессы в приборных структурах металл-окисел-полупроводник, технологии сбис и убис, современные методы диагностики материалов и структур твердотельной электроники, материалы и приборы наноэлектроники; моделирование процессов и систем; автоматизированное проектирование технологий и приборов электроники; телекоммуникационные системы; системы медицинской диагностики; программируемая электроника; электроника информационно-измерительных систем и др.

Где я сделаю карьеру после окончания данной специальности?

Места распределения выпускников в 2017-2018 годах: компании и фирмы, занимающиеся разработкой электронной техники и наукоемкого программного обеспечения, предприятия и учреждения, использующие современную электронную технику и передовые технологии, фирмы и компании Парка высоких технологий в том числе: «НТЛаб-системы», «Интеграл», ИООО «ЭПАМ Системз», «ИССОФТ СОЛЮШЕНЗ», «Итранзишэн», «Белагропромбанк», «Элилинк Консалтинг», «Софтаком», «АйБиЭй АйТи Парк», ГЦ «Белмикроанализ» филиала НТЦ «Белмикросистемы», Планар, предприятия ВПК, институты НАНБ и др.

Источник

Физическая электроника и нанофизика, нанотехнологии и наноматериалы, общие замечания

Нано-электроника появилась в процессе естественной микроми­ниатюризации элементной базы современных электронных устройств и систем, где каждый шаг дается с большим трудом и часто диктует необхо­димость привлечения новых (иногда принципи­ально) физических путей и методов. В нано-электронике за ее масштаб принято значение в 100 нм. Это определение планарного элемента наноэлектроники можно обобщить, считая нано-объектом (наноструктурой) все, что имеет харак­терный размер

элемент­ной базы современной микроэлектроники.

Ваку­ум, газы и конденсированные среды мо­гут контактировать друг с другом. Для конденси­рованных сред при этом вводят понятие границы раздела этих сред или понятие поверхности. Тра­диционно под поверхностью понималась область резкого, скачкообразного изменения свойств ве­щества. Реально вблизи собственно геометриче­ской границы материальной среды существует некоторая область конечной толщины, в которой ее свойства существенно отличаются от свойств вещества в объеме.

Нанообъекты могут существовать и в виде частиц соответствующего размера (наночастицы), а также нанокомпозиты, образованные ансамблем таких частиц. Многообразие возможных видов наночастиц весьма велико.

Од­ним из основных физических признаков принад­лежности к наномиру является равенство или превышение поверхностной энергии наночастицы по сравнению с ее объемной энергией. Поэтому отличительным свойством наночастиц является их активность за счет наличия на их поверхности оборванных связей. В общем случае обычно это трехмер­ные объекты (3D).

Источник

Физическая электроника

Программа курса

1. Основы физики полупроводников.

Уравнение Шредингера для кристалла. Одноэлектронное приближение. Движение электрона в периодическом поле. Теорема Блоха. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Периодичесие граничные условия. Энергетические зоны. Эффективная масса. Закон дисперсии. Разница между металлами и полупроводниками. Примесные полупроводники.

2. Статистика электронов и дырок в полупроводниках.

Плотность состояний с заданной энергией. Функция Ферми-Дирака. Концентрация электронов и дырок в зонах. Невырожденные полупроводники. Вырожденные полупроводники. Уровень Ферми в собственном полупроводнике. Концентрация носителей и уровень Ферми в примесном полупроводнике.

3. Неравновесные электроны и дырки.

Среднее время жизни носителей. Уравнения кинетики. Решение уравнений кинетики для одномерного полупроводника. Подвижность носителей и коэффициенты диффузии. Квазиуровень Ферми. Свойства квазиуровней Ферми.

4. Электронно-дырочные переходы.

Двойной электрический слой. Принцип работы солнечных электрических батарей. Инжекция неосновных носителей через р/n-переход. Изменение квазиуровней Ферми в переходной области. Концентрация носителей на границе р/n-перехода. Ширина переходной области. Контактная разность потенциалов. Емкость р/n-перехода. Статическая вольт-амперная характеристика р/n-перехода.

5. р/n-переход при переменном напряжении.

Плотность тока, протекающего через переход. Диффузионная емкость и диффузионная проводимость. Эквивалентная схема перехода на низких и высоких частотах. Переходные процессы в диодах. Пробой р/n-перехода.

Литература

1. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника / Л. Росадо. – М. : Высш. шк.,1991.

2. Шалимова К. В. Физика полупроводников / К. В. Шалимова. – М. : Энергоатомиздат, 1995.

3. Жеребцов И. П. Основы электроники / И. П. Жеребцов. – Л.: Энергоатомиздат,1989г.

4. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. – М. : Наука, 1988.

5. Давыдов А. С. Теория твердого тела / А. С. Давыдов. – М. : Наука, 1989.

6. Моллер Р. Элементы интегральных схем / Р. Моллер, Т. Кейтис. – М. : Мир, 1998.

Пример решения типовой задачи

Задача

1. Докажите, что в полупроводнике n-типа

, (1)

, (2)

где N_d – концентрация внедренной примеси;

n_i – концентрация носителей в собственном полупроводнике;

n_n и p_n – концентрации основных и неосновных носителей, соответственно.

2. Найти концентрацию носителей n_n и p_n в практически важном случае n_i / N_d

Для полупроводника n-типа выражения (3), (4) примут вид:

Решение данной системы уравнений дается формулами (1), (2).

2. Разлагая в (1), (2) радикал в ряд с точностью до первого члена, получим

; ,

то есть >> .

Вопросы для тестирования

1. Одноэлектронное приближение

Какое из ниже перечисленных приближений не выполняется для аморфных веществ?

а) адиабатическое приближение,

б) модель идеального кристалла,

в) приближение самосогласованного поля.

2. Чем отличаются понятия импульс и квазиимпульс?

а) направлением движения,

б) абсолютной величиной,

в) неоднозначностью определения.

3. Где находится уровень Ферми для невырожденного полупроводника?

а) в запрещенной зоне,

б) в зоне проводимости,

в) в валентной зоне.

4. Чем определяется различие между полупроводниками и металлами с точки зрения зонной теории?

а) шириной запрещенной зоны,

б) отсутствием запрещенной зоны,

в) перекрытием валентной зоны и зоны проводимости.

5. Какие примеси определяют вид носителей заряда в полупроводнике n-типа?

в) доноры и акцепторы.

6. Какими процессами определяется среднее время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках?

а) столкновением носителей,

б) рекомбинацией электронно-дырочной пары,

в) различие несущественное.

7. Укажите различие между понятиями уровней Ферми и квазиуровней Ферми:

б) различие принципиальное,

в) различие несущественное.

8. Пусть к р/n-переходу приложено постоянное смещение. При каком смещении возрастает ширина переходной области?

а) при прямом смещении,

б) при обратном смещении.

9. Пусть к р/n-переходу приложено постоянное смещение. При каком смещении уменьшается величина барьерной емкости?

а) при прямом смещении,

б) при обратном смещении.

10. Какой составляющей электрического тока обусловлена барьерная емкость р/n-перехода?

а) постоянной составляющей,

б) переменной составляющей.

11.Что изменится в эквивалентной схеме диода на высоких частотах по сравнению с низкими частотами?

а) добавится дополнительная емкость,

б) добавится дополнительное сопротивление,

в) добавятся дополнительные емкость и сопротивление.

Источник