ФизФак

Кафедра электроники сегодня

Кафедра электроники была основана в 1962 году. Возглавил кафедру доцент Ф. М. Клементьев (1923-1990 гг.), окончивший Томский госуниверситет и защитивший там же кандидатскую диссертацию. Ф.М. Клементьев был крупным специалистом в области вакуумной электроники СВЧ.

Истоки кафедры

Он не совершал каких-то особенно громких открытий в радиофизике. Но у Федора Михайловича есть не менее, пожалуй, важная для настоящего ученого черта: это способность «открывать» людей, преданных делу всей душой.

Федора Михайловича Клементьева знают в университете с 1961 года, когда он пришел работать сюда доцентом кафедры радиофизики. С появлением нового, деятельного сотрудника на физическом факультете оживляется научная работа. Спустя год открывается кафедра электроники, ее возглавляет Ф.М. Клементьев. Под его руководством на кафедре развивается новое научное направление, которое остается актуальным и поныне: это проблема электромагнитной совместимости.

На факультете много говорили о «феномене» кафедры электроники – о ее молодом, но очень слаженном, работоспособном коллективе, быстро завоевавшем авторитет среди сотрудников. Здесь все выполняли свои обязанности добросовестно, с душой, не боясь мелочной опеки. Напротив, каждый знал, что встретит со стороны заведующего полное доверие, искреннее желание понять и помочь. Федор Михайлович и работу старался распределять между сотрудниками, учитывая склонности и способности каждого.

Хотя Ф.М. Клементьев был одним из самых старших на кафедре, с ним никогда не ощущался разницы в возрасте. Федор Михайлович был прежде всего старшим товарищем, внимательным добрым, всегда собранным в работе. Может быть эту внутреннюю собранность воспитал в себе Федор Михайлович в грозные военные годы, когда он, оставив свою самую мирную профессию – учителя, - стал курсантом пехотного училища. А после – уже как офицер артиллерийской разведки – сражался за Ленинград, воевал на Прибалтийском фронте.

Через год после капитуляции Германии Ф.М. Клементьев вернулся к мирной жизни, имея два ордена «Красной Звезды» и множество медалей. Тогда же, в сорок шестом, Федор Михайлович становится студентом одного из старейших вузов нашей страны – Томского государственного университета. Университетская группа, в которой учился бывший разведчик, называлась «боевой» не только потому, что состояла из студентов – участников войны, но и потому, что была лучшей в учебе, в комсомольских и партийных делах.

И, быть может, эта его внутренняя самодисциплина ещё более укрепилась после окончания учебы, когда Клементьев посвятил себя научной деятельности под руководством известного профессора А.В. Сапожникова – ученика одного из основоположников советской радиофизики М.А. Бонч-Бруевича. Тогда, в начале пятидесятых годов, Федор Михайлович совместно с Э.С. Воробейчиковым опубликовал первые в нашей стране работы, посвященные синхронизации автогенераторов СВЧ. Год спустя Ф.М. Клементьеву была присуждена ученая степень кандидата физико-математических наук.

Федор Михайлович сумел не только перенять лучшие черты характера своего учителя, но и передать их своим воспитанникам. Немало учеников выпустил он в большую науку. Среди них немало ныне работающих сотрудников Воронежского университета и других вузов и организаций Воронежа. Многие его ученики трудятся в других городах страны и за рубежом.

Актуальные научные направления

Прогресс естественных и инженерных наук привел на рубеже XX и XXI столетий к рождению новой научно-технической отрасли, получившей название «нанотехнология». За последние два десятилетия нанотехнология превратилась из научного лозунга о перспективах в индустриальное стратегическое направление, которое в ближайшем будущем определит лидеров мирового экономического роста. Перспективность данного направления подтверждают миллиардные средства, выделяемые в мире на нанотехнологию уже сегодня. Уникальность этой науки состоит в непосредственном применении качественно новых свойств физических, химических и биологических систем, размеры которых менее 100 нм. Таким образом, нанотехнология — это способность манипулирования отдельными атомами и молекулами с целью создания наноструктурированных материалов и нанометровых объектов, представляющих реальный интерес для технологических применений. В истории развития науки и техники редко случаются прецеденты, когда одна отрасль объединяет в себе интересы и перспективы всех существующих отраслей материального производства. Прогнозируемый вклад нанотехнологии в развитие человечества уже в первой четверти XXI века станет сравнимым с влиянием информационных технологий, достижениями клеточной и молекулярной биотехнологии. Нанотехнология призвана обеспечить прорывы в таких областях, как производство новых материалов, электроника, медицина, энергетика, защита окружающей среды, биотехнология, информационные технологии, национальная безопасность. На сегодняшний день можно с уверенностью сказать, что с нанотехнологией будет связано наступление новой индустриальной революции.

Разработка и производство разнообразных миниатюрных электронных систем является одним из стратегических направлений мирового научно-технического прогресса. Миниатюризация приводит к революционным изменениям в технике, особенно в тех случаях, когда далеко не очевидным образом удается разработать и использовать технологию массового производства изделия, что позволяет существенно уменьшить его цену, повысить надежность, снизить энергопотребление и т.п.

В настоящее время полупроводниковые гетероструктуры представляют собой основу многочисленных исследований фундаментальных физических свойств, а также разнообразных приборных приложений. Основной элемент гетероструктуры — гетеропереход, представляющий собой контакт двух химически различных материалов, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала. Образование такого перехода возможно только для определенных пар материалов (гетеропар) с одинаковым типом и ориентацией решеток и близкими значениями периодов решетки. На гетеропереходе происходит скачкообразное изменение свойств материала: эффективной массы, ширины запрещенной зоны и положения краев зон (валентной зоны и зоны проводимости в полупроводниках), упругих и фононных характеристик, диэлектрической и магнитной проницаемостей, намагниченности (в магнитных гетероструктурах) и т.д. Практически с каждым из перечисленных свойств связаны конкретные приборные применения гетеропереходов и гетероструктур.

Гетероструктура может содержать один или несколько гетеропереходов. Согласно принятой в последнее время классификации, объекты, один или несколько размеров которых находятся в диапазоне от 1 до 100 нм, относятся к наноструктурам. Типичный пример наноструктуры — два близко расположенных гетероперехода. Если энергия носителей заряда (край соответствующей разрешенной зоны) в пространстве между гетеропереходами меньше, чем снаружи, то такая гетероструктура представляет собой квантовую яму, в которой локализованы носители заряда. Масштаб 100 нм соответствует характерной длине волны электрона в полупроводниковых гетероструктурах при низких температурах. Поэтому на таких масштабах сказывается волновая природа носителей заряда, и их описание требует использования законов квантовой механики. В частности, в силу ограничения движения носителей заряда (конфайнмента) в направлении роста квантовой ямы их энергетический спектр квантован (размерное квантование). Существенно квантово-механический характер процессов и явлений служит основа¬нием для выделения наноструктур в принципиально новый класс объектов, отличный от макроскопических систем и структур. В реальных полупроводниковых гетероструктурах широкозонную область вблизи гетероперехода часто легируют. При этом объемный заряд ионизированной примеси создает электрическое поле, формирующее узкую квантовую яму в области материала с меньшей шириной запрещенной зоны непосредственно вблизи плоскости гетероперехода. Поэтому даже отдельно взятый такой гетеропереход также представляет собой наноструктуру. На сегодняшний день актуальной задачей являются научные исследования и разработки в области различных электронных приборов, в основу работы которых положены свойства гетеропереходов. Предметом современных исследований кафедры электроники ВГУ являются полевые транзисторы и биполярные транзисторы с гетеропереходом.

Наиболее освоенным на практике активным элементом является n-канальный полевой транзистор с затвором Шоттки на основе GaAs (MESFET). Полевой транзистор с затвором Шоттки создается на полупроводниковой подложке из GaAs, на которой расположен эпитаксиальный слой n-типа (называемый каналом) толщиной около 200 нм, получаемый эпитаксиальным выращиванием. Полевые транзисторы с затвором Шоттки находят применение в малошумящих СВЧ усилителях, мощных усилителях, генераторах, смесителях, модуляторах, ограничителях.

Разновидностью НЕМТ являются приборы с обращенной структурой. В обращенном НЕМТ узкозонный слой GaAs, в котором формируется канал, расположен между барьерным контактом и широкозонным гетерослоем AlGaAs. Такая структура имеет некоторые преимущества. В частности, открытая поверхность GaAs более стабильна, чем AlGaAs. Кроме того, «подзатворный диэлектрик», роль которого исполняет нелегированный слой GaAs, обеспечивает более высокую воспроизводимость порогового напряжения. В последние 10 лет характеристики НЕМТ были существенно улучшены за счет использования новых полупроводниковых соединений А3В5. Весьма перспективными оказались соединения InGaAs, InGaP, InAlAs и InR Введение индия в GaAs существенно повышает подвижность электронов. Наилучшие характеристики получены в псевдоморфных НЕМТ на InP-подложке (структура InGaAs/InP) Исследования р-НЕМТ на InP-подложке начались в начале 80-х годов. В 1988 г. были продемонстрированы приборы с предельной частотой fT > 200 ГГц (на треть выше, чем на GaAs подложке). В наибольшей степени их пре¬имущества проявляются в применении к мощным устройствам, т.к. InP имеет более высокую теплопроводность, чем GaAs. Кроме того, в р-НЕМТ на InP-подложке обеспечивается большая плотность ДЭГ и большая предельная скорость электронов, что позволяет получить более высокие плотности тока.

Биполярный транзистор на гетеропереходах (HBT, Heterojunction Bipolar Transistor), обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным кремниевым транзистором [1]. Комбинация широкозонного эмиттера и узкозонной базы, малая толщина базы и высокая подвижность электронов обуславливают хорошие высокочастотные характеристики основную область применения этих приборов – мощные высокочастотные (до 20 ГГц) усилители и ключи.

Для разработчика СВЧ устройств необходимо знать характеристики прибора и его эквивалентную схему. Эквивалентная схема может иметь различную структуру. Важно, чтобы такая модель транзистора как можно точнее отражала поведение реального прибора в широком диапазоне частот, в условиях помех различной природы. Кроме того, необходимо подбирать параметры эквивалентной схемы прибора, которая так необходима на этапе проектирования конечных устройств. На кафедре электроники постоянно ведется разработка и совершенствование методов анализа работы электронных приборов в рамках традиционного для кафедры научного направления, связанного с задачами электромагнитной совместимости.

В современной радиоэлектронике к перспективным направлениям относятся не только нано-размерные, но и нано-временные технологии. Последние основаны на использовании сверхкоротких электромагнитных импульсов (СКИ), а именно наносекундных, пикосекундных и более коротких импульсов. Использование СКИ расширяет функциональные возможности существующих радиоэлектронных систем, а также позволяет создавать принципиально новые системы, предназначенные для решения широкого круга научно-технических, военных и социальных проблем.

Целью планируемых работ в области наносекундных технологий является разработка методов и средств сверхширокополосной радиолокации и связи, а также методов и средств радиоэлектронного подавления на основе применения сверхкоротких (наносекундных, субнаносекундных и пикосекундных) импульсов. В качестве приоритетных направлений в области радиолокации на нано- и субнано-временных сигналах рассматривается радиолокация биологических объектов (в том числе скрытых), радиолокационная дефектоскопия строительных конструкций и радиолокационные методы поиска подземных коммуникаций.

Развитие данного научного направления даст возможность получить принципиально новые радиоэлектронные устройства:

  • радары для поиска людей при проведении спасательных работ в сложной обстановке (под завалами строительных конструкций, в шахтах, под снежными лавинами);
  • радары для дистанционного наблюдения параметров жизнедеятельности человека в медицинских целях;
  • устройства радарной дефектоскопии строительных конструкций;
  • радары для поиска скрытых коммуникаций;
  • устройства радиоэлектронного подавления в военных целях на основе СКИ.

Проблема, на решение которой направлен данный проект, сформулирована в программе - Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы.

Коллектив авторов предлагаемого проекта ведет разработки и научно-исследовательские работы в области нано-временных технологий в рамках НИР (ФГУ «ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ» МО РФ государственный контракт №64019/36-06), НИР «Исследование радиофизических процессов и полей в сложных электронных структурах» (№ Государственной регистрации 0120.0408800) и НИР (Министерство обороны РФ, государственный контракт №54018). Поддержан грант РФФИ «Разработка методов и устройств сверхширокополосной радиолокации биологических объектов с помощью наносекундных и субнаносекундных импульсов» №08-02-99012.

В настоящее время научные исследования во многих областях знаний проводят большие коллективы ученых, инженеров и конструкторов с помощью весьма сложного и дорогого оборудования.

Большие затраты ресурсов для проведения исследований обусловили необходимость повышения эффективности всей работы.

Эффективность научных исследований в значительной степени связана с уровнем использования компьютерной техники.

Автоматизированная система научных исследований (АСНИ)- программно-аппаратная система на базе средств вычислительной техники, предназначенная для проведения автоматизированных научных экспериментов или комплексных испытаний, а также(либо) для осуществления моделирования исследуемых объектов, явлений и процессов, изучение которых традиционными средствами затруднено или невозможно.

Компьютеры в АСНИ используются в информационно-поисковых и экспертных системах, а также решают следующие задачи:

  • управление экспериментом;
  • подготовка отчетов и документации;
  • поддержание базы экспериментальных данных и др.

В результате применения АСНИ возникают следующие положительные моменты:

  • в несколько раз сокращается время проведения исследования;
  • увеличивается точность и достоверность результатов;
  • усиливается контроль за ходом эксперимента;
  • сокращается количество участников эксперимента;
  • повышается качество и информативность эксперимента за счет увеличения числа контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;
  • результаты экспериментов выводятся оперативно в наиболее удобной форме — графической или символьной (например, значения функции многих переменных выводятся средствами машинной графики в виде так называемых «горных массивов»). На экране одного графического монитора возможно формирование целой системы приборных шкал (вольтметров, амперметров и др.), регистрирующих параметры экспериментального объекта.

На кафедре электроники ВГУ в научных исследованиях широко используются возможности современных АСНИ и Систем автоматизированного проектирования (САПР), а также разрабатываются новые АСНИ для конкретных задач.

На кафедре разработан автоматизированный измерительный комплекс, представляющий собой АСНИ для исследования воздействия сверхкоротких импульсов СКИ на малошумящие полевые транзисторы. Разработанная установка предназначена для тестирования электронных элементов в условиях воздействия СКИ. Установка имеет большие возможности для синтеза и анализа цифровых сигналов, для работы с аналоговыми устройствами предусмотрена возможность синтеза и оцифровки аналоговых сигналов.

Основная идея разработанного исследовательского инструментария состоит в воссоздании рабочего режима испытуемых полупроводниковых приборов и анализе сбоев или изменений параметров, порождаемых импульсными помехами, которые либо непосредственно подаются контактным способом на вывод прибора, либо с помощью устройства развязки примешиваются к полезному сигналу. Таким образом, можно выделить три основные функции измерительной установки:

  1. Воссоздание рабочего режима, т.е. имитация окружения испытуемого прибора, условий его эксплуатации в реальной радиоэлектронной системе. Сюда относятся источники питания, формирователи опорных напряжений, генераторы входных сигналов и приёмники выходных.
  2. Подача на выводы испытуемого прибора напряжений СКИ с регулируемыми параметрами (напряжение и периодичность следования).
  3. Измерение и мониторинг функциональных параметров испытуемого прибора в условиях действия СКИ, в том числе выявление сбоев цифровых схем.

Для исследования воздействия сверхкоротких видеоимпульсов на ПТ и HEMT транзисторы контактным способом по входным цепям был использован модуль, фотография которого показана на рисунке.

Испытательный модуль для исследования воздействия сверхкоротких видеоимпульсов на ПТ и HEMT транзисторы контактным способом по входным цепям позволяет:

  • подавать необходимые для обеспечения рабочих режимов статические смещения на выводы транзисторов;
  • подключать к входным и выходным цепям измерительные приборы для наблюдения и измерения как статического, так и СВЧ напряжения на стоке и затворе транзистора;
  • подавать на высокочастотный вход транзистора сверхкороткие видеоимпульсы контактным способом.

Управление алгоритмом измерения, ввод данных в компьютер и их обработка производится с помощью измерительной установки National Instruments с программным обеспечением LabView. Аппаратная часть состоит из шасси, представляющих собой мощный персональный компьютер, оборудованный дополнительными слотами для подключения модулей PXI, и модуля, содержащего АЦП и ЦАП.

Технология модульных приборов NI основана на использовании компактного, высокопроизводительного оборудования и встроенных систем тактирования и синхронизации, обеспечивающих проведение гибких, точных и высокопроизводительных измерений. Наиболее современной платформой для таких приборов является платформа PXI.

PXI (PCI eXtentions for Instrumentation) – это компьютерная платформа, предназначенная для создания мощных систем автоматизации измерений. Она объединяет в себе производительность шины PCI с расширенными возможностями тактирования и синхронизации. В ее основе лежат стандартные компьютерные технологии, что обеспечивает большую гибкость и универсальность. PXI-архитектура построена согласно спецификации модульной платформы CompactPCI (которая в свою очередь основана на технологии PCI), что обеспечивает полную совместимость PXI и CompactPCI оборудования.

Принцип работы с измерительной установкой National Instruments основывается на использовании концепции виртуальных приборов (ВП). По сути, виртуальный прибор представляет собой приложение, которое создается при помощи языка графического программирования LabView компании National Instruments, версии 8.6. LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие приложения измерений, управления и тестирования. Виртуальный прибор может быть конечной программой и также может выступать в качестве составной части более сложного прибора. Передача данных между элементами внутри программы определяет порядок их выполнения. Эти элементы, виртуальные приборы, обрабатывают данные, поступающие на их входы, и выдают результаты обработки на выходы. Путем соединения входов и выходов соответствующих виртуальных приборов определяется порядок, в котором необходимо обрабатывать данные. Наряду с традиционным программированием, LabVIEW использует интерактивную технологию Экспресс ВП, которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые Экспресс ВП.

Достоинства LabVIEW:

  1. Полноценный язык программирования
  2. Интуитивно понятный процесс графического программирования
  3. Широкие возможности сбора, обработки и анализа данных, управления приборами, генерации отчетов и обмена данных через сетевые интерфейсы
  4. Драйверная поддержка большого числа приборов
  5. Возможности интерактивной генерации кода
  6. Высокая скорость выполнения откомпилированных программ
  7. Совместимость с операционными системами Windows2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.

Интерфейс LabView представляет собой два рабочих окна: Block Diagram и Front Panel. Block Diagram содержит схему виртуального прибора, Front Panel - его «переднюю(лицевую) панель» с элементами управления и визуального отображения данных.

Для проведения экспериментальных исследований с помощью языка программирования LabView были созданы программные приложения: для измерения вольтамперных характеристик, для измерений тока стока и измерений коэффициента усиления.

Основными функциями созданных приложений являются управление алгоритмом измерений, сбор, обработка и хранение информации. Сюда входит задание режимов работы ПТШ, считывание напряжения на датчике тока стока, пересчет его в значение тока стока, измерение уровня напряжения на выходе амплитудного логарифмического детектора мощности, обработка принятых данных и вывод результатов в графической форме. Одним из очевидных преимуществ автоматизированного метода измерений по сравнению с осциллографическими методами является возможность измерений больших значений времени релаксации, которые на практике могут достигать часов. Наблюдение таких длительных процессов осциллографическими методами невозможно в силу ограниченности имеющихся наборов периодов горизонтальных разверток.

Величиной, измеряемой в эксперименте, проводимом в статическом режиме, является ток стока транзистора. Датчиком тока стока в схеме аналогового модуля служит резистор в выходной цепи транзистора, напряжение на котором пересчитывается в величину тока стока. В высокочастотном режиме (в присутствии входного СВЧ-сигнала) измеряется коэффициент усиления и его изменения под действием СКИ, а также наблюдается влияние СКИ на форму СВЧ-сигнала. На рисунке 8 показано влияние СКИ на амплитуду СВЧ-сигнала. Видно уменьшение коэффициента усиления под действием СКИ.

На языке программирования LabView было разработано приложение для измерения вольтамперных и передаточных характеристик в статическом режиме работы транзистор. Виртуальный прибор, представленный на рис., выполняет функции управления измерительным стендом, сбора, обработки и хранения измеряемых данных.

На передней панели, в данном случае, вынесены элементы, позволяющие управлять измерительным стендом по средствам задачи режимов работы испытательного модуля, а также элементы отображения данных на экране.

Какая взаимосвязь между АСНИ и САПР?

Каждая из систем АСНИ и САПР, конечно, имеет свою специфику и отличается поставленными целями и методами их достижения. Однако очень часто между обоими типами систем обнаруживается тесная связь, и их роднит не только то, что они реализуются на базе компьютерной техники.

Например, в процессе проектирования может потребоваться выполнение того или иного исследования, и, наоборот, в ходе научного исследования может возникнуть потребность и в конструировании нового прибора и в проектировании научного эксперимента.

Такая взаимосвязь приводит к тому, что на самом деле «чистых» АСНИ и САПР не бывает: в каждой из них можно найти общие элементы. С повышением их интеллектуальности они сближаются. В конечном счете и те и другие должны представлять собой экспертную систему, ориентированную на решение задач конкретной области.

Образование на кафедре

Структура учебных курсов, изучаемых на кафедре, соответствует ее специализации. Прежде всего, студенты изучают базовые структуры твердотельной электроники и их нелинейные свойства, параметры и характеристики, лежащие в основе функционирования твердотельных устройств, в том числе элементов интегральных схем. Большое внимание уделяется изучению цифровых и микропроцессорных систем, составляющих основу современной электроники в системах обработки информации различного назначения.

Изучаются методы компьютерного моделирования и их применение для анализа и проектирования электронных устройств. Наряду с теоретическими основами моделирования и оптимизации основное внимание уделяется изучению практических методов, в том числе с использованием профессиональных пакетов схемотехнического моделирования типа DesignLab, Microwave Office, Ansoft Designer и др. Для анализа электронных схем в многосигнальных нелинейных режимах, наиболее часто встречающихся на практике, возможностей данных пакетов оказывается недостаточно. Для таких режимов разрабатываются оригинальные методы нелинейного моделирования, которые изучаются в основном при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при обучении по магистерской программе. Студенты при этом сами принимают участие в развитии методов моделирования.

Одним из современных и фундаментальных направлений в развитии систем связи является передача информации с помощью хаотических колебаний. Изучение данной проблемы на кафедре начинается с курса по общим вопросам стохастических колебаний и продолжается при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при подготовке магистерских диссертаций, где решаются конкретные задачи, например связанные с устойчивостью работы систем связи на основе хаоса в условиях шумов и других искажений в канале связи.

Учебный процесс на кафедре обеспечивается хорошо оснащенной лабораторной базой. Среди учебных и учебно-научных лабораторий кафедры следует выделить лаборатории по наиболее современным направлениям электроники. Это лаборатории «Лаборатория сверхширокополосных систем», «Микроконтроллеры», «Цифровые системы», «Функциональная электроника», а также «Спутниковое телевидение и видеосистемы».

Почитать ещё

Кафедра электроники сегодня

Кафедра электроники была основана в 1962 году. Возглавил кафедру...