Kada govorimo o elektronici, zamišljamo računala, televizore, mikrovalne pećnice, mobitele i druge uređaje. U međuvremenu, ovo nije samo područje tehnologije u kojem se stvaraju ovi uređaji. To je također znanost koja proučava procese koji se odvijaju s nabijenim česticama. Teško da ćemo dobiti odgovor na pitanje kada se pojavila elektronika. Ali sasvim je moguće pratiti povijest njegovog razvoja.
Moderna elektronika
U modernoj elektronici mogu se razlikovati sljedeća glavna područja.
Potrošačke elektronike. Uključuje sve kućanske aparate - televizore, električne štednjake, glačala, mobitele itd. Ovi uređaji koriste električni napon, električnu struju, elektromagnetsko polje ili elektromagnetske valove.
energija. To je proizvodnja, prijenos i potrošnja električne energije. Tu spadaju i električni uređaji velike snage - elektrane, elektromotori, dalekovodi.
Mikroelektronika. Zauzvrat se dijeli na optoelektronika, audio-video oprema i digitalna elektronika.
Optoelektronički uređaji služe za pretvaranje svjetlosnog zračenja u električnu struju. To uključuje fotodiode, fototranzistori, fotorezistori itd. Druga vrsta uređaja: LED, laseri, žarulje sa žarnom niti, naprotiv, pretvaraju električnu struju u svjetlosno zračenje.
Audio-video oprema je uređaj u kojem se pretvara zvuk i slika.
Digitalna mikroelektronika uključuje računala, digitalne televizore, mobilne telefone, upravljačke ploče uređaja itd.
Glavni aktivni element u elektronici je mikro krug.
Iz povijesti
Kako je nastala elektronika?
Teško je modernom čovjeku zamisliti kako je moguće prenijeti informacije na velike udaljenosti, a da nemate telefon, radio ili računalo spojeno na internet. U međuvremenu, čovječanstvo je oduvijek imalo potrebu za razmjenom informacija. I to se radilo na razne načine. Drevni ljudi upozoravali su jedni druge na opasnost vikom, paljenjem vatre i udaranjem u bubnjeve. Kasnije se pojavila golubova pošta, vijesti su donosili posebni glasnici. U Kini su se informacije prenosile pomoću zmajeva koji su bili različito obojeni ovisno o vrsti informacije koju su nosili. Možda je najčešći način prijenosa bilo svjetlo. Po cijeloj dužini komunikacijske linije postavljeni su tornjevi, od kojih se na svakom palila vatra čim bi se vidjela na prethodnom tornju. I tako se signal prenosio kroz krug. Kasnije, kada je izumljeno ogledalo, poruke su se počele slati od tornja do tornja pomoću reflektiranih svjetlosnih signala. Na moru se za prijenos informacija koristila Morseova azbuka, u kojoj su znakovi bili kodirani korištenjem različitih položaja signalnih zastavica.
Ukratko, čovječanstvo je smislilo puno različitih metoda, ali sve su one djelovale samo na maloj udaljenosti i teško da su mogle normalno djelovati kada se vidljivost pogoršala.
Prvi elektromagnetski telegraf
Schillingov elektromagnetski telegraf
Sve se promijenilo kada je izumljen električni telegraf. Točnije, bio je to elektromagnetski telegraf koji je koristio elektromagnetizam za prijenos signala.
Mnogi fizičari pokušavali su stvoriti takav uređaj, ali prvi ga je izumio ruski diplomat, izumitelj elektrotehnike, rođeni baltički Nijemac, Pavel Lvovich Schilling. Nakon što je Oersted otkrio djelovanje električne struje na magnetsku iglu, shvatio je da se na temelju te pojave može stvoriti telegraf. Njegov prijenosni uređaj sastojao se od 16 ključeva, uz pomoć kojih su se zatvarali električni krugovi prednje i obrnute struje. Na prihvatnom uređaju ugrađeno je 6 množitelja s magnetskim iglama. Ove su strijele bile obješene na niti. Na njih su s jedne strane bili pričvršćeni krugovi od bijelog papira, a s druge crni. Zatvaranjem strujnog kruga pomoću ključeva slali su struju u jednom ili drugom smjeru. U prihvatnom uređaju, pod utjecajem električne struje, jedna od magnetskih igala bila je otklonjena prema bijelom ili crnom krugu, ovisno o smjeru struje. Slova abecede su bila kodirana na ovaj način. Uređaji su bili povezani podzemnim kabelom.
Pavel Ljvovič Šiling
Schilling je prvi put demonstrirao svoj izum 21. listopada 1832. u vlastitom stanu. Kasnije je ovaj telegraf postavio u Petrogradu između Zimskog dvorca i zgrade Ministarstva željeznica.
Njemački znanstvenik Carl Friedrich Gauss i njemački znanstvenik Max Weber stvorili su svoje modifikacije elektromagnetskog telegrafa. Ali nisu se koristili na velikim udaljenostima.
Prvu telegrafsku liniju, koja je radila na udaljenosti od 5 km, stvorio je 1838. njemački fizičar Karl August Steinheil.
Godine 1895. ruski fizičar Aleksandar Stepanovič Popov izumio je radio. Bile su to bežične telekomunikacije, čiji su nositelji signala bili elektromagnetski valovi koji su se slobodno širili prostorom, bez vodiča. Ovaj događaj se može smatrati početkom rođenja elektronike.
Aleksandar Stepanovič Popov
Sadašnji model radija uključivao je radio odašiljač koji emitira signal i prijemnik koji ga prima. Radio komunikacije odmah su se počele široko koristiti u vojnim poslovima. Postojala je potreba za novim elementima za to. Elektronika je preuzela njihovo stvaranje.
Kad su računala bila velika
Naravno, 1905. godine mikrosklopovi još nisu postojali. Ali ove godine je izumljena radio cijev. U svom najjednostavnijem obliku, to je bila zatvorena staklena posuda s vakuumom iznutra. Izvučene su 2 elektrode - katoda i anoda. Treća nit obavljala je funkciju grijanja. Kroz njega je propuštena električna struja. Nit se zagrijavala do vrlo visoke temperature od nekoliko stotina, a ponekad i tisuća stupnjeva. Između elektroda stvorena je velika potencijalna razlika od 100-300 V. Katoda, na koju je doveden negativan napon, zagrijala se i počela emitirati elektrone. Mlaz elektrona jurio je prema anodi, spojenoj na izvor pozitivnog napona. U svjetiljci je nastala električna struja.
Elektronske cijevi
Od tog trenutka elektronika se počela razvijati velikim koracima. Radio cijevi su poboljšane. Početkom 40-ih godina 20. stoljeća svake godine ih se proizvodilo nekoliko milijuna u različitim veličinama i dizajnu. Struju u nekima od njih nisu stvorili elektroni, već ioni - čestice s pozitivnim nabojem. Na temelju njih stvoreni su potpuno novi radio prijamnici i odašiljači. Pojavili su se gramofoni, magnetofoni i prvi modeli televizora.
Radiocijevi su činile elementnu bazu prvih računala, koja su se pojavila nakon Drugog svjetskog rata u SAD-u 1948. godine i nazvana su računala (elektronička računala). Budući da je jedno računalo sadržavalo desetke tisuća radio cijevi, računala su bila golema. Za njihov smještaj također su bile potrebne velike dvorane.
Računalo Ural-1
Naravno, to se nije moglo dugo nastaviti. Možemo reći da je daljnji razvoj elektronike povezan s razvojem računalne tehnologije. S vremenom su radiocijevi, koje su također trošile mnogo energije, zamijenjene poluvodičkim diodama i tranzistorima.
Poluvodička dioda
Poluvodičke diode
Kako radi najjednostavniji poluvodički element, dioda?
Sastoji se od dva poluvodička sloja koji se nalaze jedan uz drugi. U jednom sloju (n - vodljivost) postoji višak slobodnih elektrona, au drugom (p - vodljivost) postoji njihov nedostatak, pa se na mjestu gdje nema dovoljno elektrona formira "rupa". , koji ima pozitivan naboj.
Ako na katodu diode (sloj u kojem postoji višak elektrona) primijenite negativan naboj, a na anodu pozitivni naboj, tada će započeti kretanje naboja, a kroz prijelaz će teći električna struja između slojeva. Ovo uključivanje naziva se "izravno". Dioda je u ovom stanju otvorena.
Dioda otvorena
Ako se na anodu primijeni negativan naboj, a na katodu pozitivan naboj, tada se elektroni počinju kretati u "plus", a "rupe" u minus. Neće biti struje kroz spoj. Dioda je zatvorena.
Dioda je zatvorena
Pojavom poluvodičkih uređaja, veličina radija, televizora i drugih uređaja znatno se smanjila, a kvaliteta njihova rada prešla je na novu razinu. Računala više nisu zauzimala goleme površine, ali su njihove veličine i dalje velike, a potrošnja energije još uvijek prilično velika.
Integrirani krugovi
Integrirani krugovi
Ali elektronika nije stajala mirno. Postupno su pojedinačne diode i tranzistori ustupili mjesto integriranim krugovima (IC).
Svaki elektronički uređaj obrađuje električni signal. To se događa pomoću električnog kruga koji uključuje ne samo tranzistore i diode. Također ima i druge glavne komponente: kondenzatore, otpornike, induktore. U zoru razvoja elektronike spojeni su u jedan elektronički krug pomoću vodiča. I cijeli ovaj krug nalazio se na jednoj ploči. Svaki pojedinačni element se može zamijeniti bez utjecaja na ostale elemente električnog kruga. Tako je majstor radio, recimo, kad je televizor pokvario.
A u IC-u, cijeli elektronički sklop koji obavlja određene logičke funkcije sastavljen je u jednom paketu male veličine.
Naravno, ovo je bio veliki korak naprijed. To je dovelo do naglog povećanja brzine elektroničkih uređaja. I premda su se njihove dimenzije značajno smanjile, primjerice, kapacitet RAM-a od samo 8 MB ruskog računala ES-1046 80-ih godina dvadesetog stoljeća još uvijek je bio veličine cijelog ormara.
Tiskane ploče
Isprintana matična ploča
Stvaranje integriranih krugova postalo je poticaj brzom razvoju glavne grane moderne elektronike - mikroelektronike.
Svaki moderni elektronički uređaj, bilo da se radi o računalu, mobilnom telefonu, televizoru ili perilici rublja, ima tiskanu pločicu. U njemu se sve električne veze više ne izvode žicama. Zamijenjene su vodljivim stazama prekrivenim bakrenom folijom. I nalaze se upravo na ovoj tiskanoj pločici. Ovo je posebna ploča izrađena od dielektrika (tekstolit, getinax itd.). Osim vodljivih staza sadrži posebne kontaktne pločice, montažne rupe za ugradnju radioelemenata, zaštitne površine, konektorske lamele itd. Tiskane pločice mogu biti jednoslojne ili se mogu sastojati od više slojeva.
Usput, ne morate misliti da su se tiskane ploče pojavile u dvadesetom stoljeću istodobno s pojavom mikro krugova. Fizičari smatraju da je njihova godina rođenja 1902., kada je njemački inženjer Albert Hanson, koji je bio uključen u razvoj na području telefonije, podnio patentnu prijavu. Ploča koju je stvorio smatra se prototipom modernih tiskanih ploča. Osnova Hansenove ploče bio je papir natopljen parafinom na koji su bile zalijepljene trake od brončane ili bakrene folije koje su služile kao vodiči.
Ali tiskane ploče počele su se široko koristiti u električnim uređajima sredinom prošlog stoljeća. Prvo su na njih u posebnim rupama pričvršćene radio cijevi, zatim tranzistori, a zatim mikro krugovi.
Elektronika se nije zaustavila na IC-ovima. Proces smanjenja veličine aktivnih elemenata u njemu događa se kontinuirano. A sada je veličina tranzistora sastavljenog na poluvodičkom čipu samo nekoliko nanometara. Nije li to veliki napredak u usporedbi s elektroničkom radiocijevi čija je veličina dosezala nekoliko centimetara?
Upravo je taj napredak omogućio da televizori, računala, mobiteli i drugi gadgeti postanu onakvi kakvima ih trenutno vidimo.
Tezaurus za disciplinu “Elektronika”
Elektronika je područje znanosti i tehnologije koje pokriva probleme istraživanja, projektiranja, proizvodnje i primjene elektroničkih instrumenata i uređaja.
Elektronički uređaji su uređaji u kojima se električna vodljivost provodi preko nabijenih čestica (ē ili iona) u poluvodičkom kristalu, u vakuumu ili plinovitom okruženju.
Specifične vrijednosti energije koje imaju elektroni nazivaju se razine energije .
Proces kidanja kovalentnih veza i stvaranja parnih nositelja naboja (elektron - šupljina) kada su izloženi izvorima energije na poluvodiču naziva se generacija .
Ionizacija je proces uklanjanja elektrona iz atoma ili dodavanja elektrona atomu.
Proces popunjavanja pokidanih kovalentnih veza elektronima naziva se rekombinacija .
Ako se na kristal primijeni vanjsko električno polje, kretanje elektrona i šupljina bit će usmjereno, tj. intrinzična vodljivost .
Poluvodiči čija je električna vodljivost posljedica kretanja pozitivnih naboja nazivaju se rupa (poluvodiči p-tipa), i nečistoće - akceptor .
Poluvodiči čija je električna vodljivost posljedica kretanja negativnih naboja nazivaju se elektronička (poluvodiči n-tipa), i nečistoće - donator .
Usmjereno gibanje nositelja naboja pod utjecajem sila električnog polja naziva se zanošenje , a struja izazvana ovom pojavom je zanošenje .
Usmjereno kretanje nositelja naboja iz sloja s većom koncentracijom u sloj gdje je njihova koncentracija niža naziva se difuziju , a struja izazvana ovom pojavom je difuziju .
Prijelaz elektron-rupa (pn spoj) je tanki prijelazni sloj u poluvodičkom materijalu na granici između dva područja s različitim tipovima električne vodljivosti.
Uključivanje p-n spoja u električni krug, kada je plus izvora napajanja spojen na područje p, a minus na područje n, naziva se direktno .
Uključenje, kod kojeg je minus izvora napajanja spojen na područje p, a plus na područje n, naziva se obrnuti .
Poluvodička dioda - ovo je uređaj čiji se princip rada temelji na jednosmjernoj vodljivosti p-n spoja.
Pulsna dioda naziva se poluvodička dioda, koja ima kratko trajanje prijelaznih procesa i dizajnirana je za rad u pulsnom načinu rada.
Zener dioda - Ovo je poluvodička dioda, čiji napon malo ovisi o prolaznoj struji.
Varikap je poluvodička dioda čiji se rad temelji na korištenju kapacitivnosti barijere pri reverznom naponu.
Tunelska dioda – tunelska dioda je dioda čiji se princip rada temelji na tunelskom efektu.
Kvar str - n -tranzicija – ovo je fenomen naglog porasta reverzne struje kroz spoj kada reverzni napon dosegne kritičnu vrijednost.
Slom lavine je električni slom spoja uzrokovan umnožavanjem nositelja naboja pod utjecajem jakog električnog polja pod reverznim prednaprezanjem.
Toplinski slom - ovo je kvar koji nastaje kao posljedica neravnoteže između raspršene topline i topline koja se oslobađa tijekom protoka struje.
Bipolarni tranzistor naziva se poluvodički uređaj s dva međudjelovanja p-n spoja i tri terminala.
Tranzistor s efektom polja je poluvodički uređaj u kojem je radna struja određena naponom primijenjenim na upravljačku elektrodu.
Uvođenje nositelja naboja kroz p-n - prijelaz iz područja gdje su bili većina u područje gdje nisu većina, zbog smanjenja potencijalne barijere, naziva se ubrizgavanje .
Proces hvatanja manjinskih nositelja naboja električnim poljem p-n spoja i njihovog prijenosa reverznim naponom kroz p-n spoj u područje suprotnog tipa električne vodljivosti naziva se izvlačenje .
Tiristor je poluvodički uređaj koji ima tri ili više p-n spojeva, koji mogu brzo prelaziti iz zatvorenog u otvoreno stanje i obrnuto.
Fotoelektronički uređaj je elektronički uređaj namijenjen pretvaranju energije optičkog zračenja u električnu energiju.
Utjecaj svjetlosti na električna svojstva tvari naziva se fotoelektrični efekt
Emisija fotoelektrona je emisija elektrona s površine tvari pod utjecajem energije upadne svjetlosti ( vanjski fotoelektrični efekt ).
Fotonaponski učinak – to je pojava na p-n spoju pod utjecajem upadne svjetlosti potencijalne razlike tzv fotoemf
Fotootpornik naziva se fotoelektronički uređaj čije se djelovanje temelji na smanjenju otpora poluvodiča pod utjecajem svjetlosti ili nevidljivog zračenja (infracrvenog ili ultraljubičastog).
fotodioda naziva se poluvodička dioda, čija reverzna struja ovisi o osvjetljenosti p-n spoja (čiju struju kontrolira svjetlosni tok).
fototranzistor nazvan fotonaponski prijemnik zračenja s dva p-n spoja, dizajniran za pretvaranje toka zračenja u električne signale.
Svjetleća dioda (LED) – Ovo je poluvodički uređaj s jednim p-n spojem, u kojem se provodi izravna pretvorba električne energije u energiju optičkog zračenja.
Ispravljači su uređaji u kojima se izmjenična struja pretvara u istosmjernu ili pulsirajuću struju u jednom smjeru.
Bolometar – Ovo je termistor dizajniran za indikaciju i mjerenje energije elektromagnetskog zračenja u optičkom ili infracrvenom frekvencijskom području.
Varistor je poluvodički otpornik sa simetričnom nelinearnom strujno-naponskom karakteristikom.
termistor (termistor) je poluvodički toplinski uređaj koji može promijeniti svoj električni otpor kada se promijeni temperatura.
posistor je poluvodički otpornik koji ima pozitivan temperaturni koeficijent otpora.
Naziva se maksimalna energija elektrona unutar metala pri temperaturi apsolutnoj nuli Fermijeva razina.
Dodatna energija potrebna da elektron pobjegne u vakuum naziva se radna funkcija.
Elektronska cijev naziva uređaj u kojem se vodljivost provodi kretanjem elektrona između elektroda smještenih u vakuumu.
Elektrovakuumska dioda - To je vakuumska cijev s dvije elektrode namijenjena ispravljanju izmjenične struje.
Elektrovakuumska trioda naziva se svjetiljka s tri elektrode namijenjena za pojačavanje i stvaranje izmjeničnih struja i napona.
Pojava prijelaza sekundarnih elektrona koji bježe s anode na zaklonsku rešetku, koja ima veći potencijal, naziva se dinatronski efekt.
Ionski uređaji - to su uređaji čija je električna vodljivost posljedica elektrona i iona koji nastaju tijekom električnog pražnjenja u plinovitom okruženju.
Skup pojava koje se događaju u plinu ili živinoj pari kada kroz njih prolazi električna struja naziva se električno pražnjenje u plinu.
Neonske lampe Oni su uređaji s dvije elektrode s anomalnim tinjajućim izbojem i koriste se za indikaciju napona ili visokofrekventnog elektromagnetskog polja.
Katodne cijevi (CRT) nazivaju se elektrovakuumski uređaji u kojima se protok elektrona kontroliran električnim ili magnetskim poljima, formiran u elektronski snop, koristi za pretvaranje električnih signala u svjetlost.
Pojačalo je uređaj izgrađen na elektroničkim aktivnim elementima (žarulje, tranzistori i dr.) i pretvara električnu energiju iz izvora napajanja u električne titraje pojačanog signala.
Pojačalo je radio uređaj koji pojačava snagu, napon ili struju električnog signala koji se dovodi na njegov ulaz.
Pojačalo je uređaj koji pretvara električne oscilacije male snage na ulazu u električne oscilacije velike snage na izlazu.
Stupanj pojačala – ovo (strukturna veza pojačala) je element za pojačavanje zajedno s drugim pasivnim elementima koji osiguravaju potreban način njegovog rada i komunikacije s izvorom signala i opterećenjem.
Nazivni ulazni napon pri kojem pojačalo isporučuje određenu izlaznu snagu opterećenju naziva se osjetljivost pojačala.
Povratne informacije - Ovo je prijenos izlaznih oscilacija pojačala na njegov ulaz.
Dinamički raspon amplitude je omjer amplituda najjačeg i najslabijeg signala na izlazu pojačala.
dobitak naziva se odnos izlaznog i ulaznog parametra.
Elektronski generator je uređaj koji pretvara električnu energiju istosmjernog izvora u energiju neprigušenih električnih oscilacija zadanog oblika, snage i frekvencije.
Obično se naziva generator koji radi u načinu vlastite oscilacije autogenerator .
Autogenerator – Ovo je snažno pojačalo pozitivne povratne sprege.
Autogenerator je elektronički generator čiji se princip rada temelji na automatskom nadopunjavanju energije koju utroši pokretač oscilacija.
Razlikovanje nazvao lanac , u kojem je izlazni napon proporcionalan derivaciji ulaza.
Integriranje nazvao lanac, čiji je izlazni napon proporcionalan integralu ulaza.
Impuls naziva se uređaj koji radi u isprekidanom, pulsirajućem načinu rada.
Pulsni signal je kratkotrajna promjena struje ili napona.
Video puls – ovo je kratkotrajna promjena struje ili napona konstantnog polariteta.
Radio puls – ovo je kratkotrajna promjena sinusne struje ili napona, čija ovojnica prati oblik video impulsa.
Generatori impulsa nazivaju se uređaji koji generiraju električne impulsne signale.
Okidač je impulsni krug koji ima dva električna stanja stabilne ravnoteže i dizajniran je za generiranje pravokutnih impulsa.
Okidač - ovo je sklopni uređaj koji održava jedno od svoja dva stanja stabilne ravnoteže bilo koje vrijeme i naglo se prebacuje iz jednog stanja u drugo na temelju vanjskog signala.
Multivibrator je relaksacijski autooscilator s pravokutnim izlaznim titranjem.
Multivibrator – je generator nesinusoidnih oscilacija, po obliku blizak pravokutnom.
Jednokratni je generator koji radi u stanju pripravnosti i proizvodi jedan impuls.
Schmittov okidač je asimetrični okidač (s emiterskom spregom) koji se koristi za generiranje pravokutnih impulsa iz sinusoidnih signala i drugih periodičnih signala nepravokutnog oblika.
Generator blokade je relaksacijski generator s transformatorskom povratnom spregom koji proizvodi kratkotrajne električne impulse
Generator blokade – samooscilirajući sustav koji generira kratkotrajne pravokutne impulse s visokim radnim ciklusom.
Logički element – to je element u kojem je izlazni signal povezan s ulazom prema zakonu logičke algebre.
Mikroelektronika je suvremeno područje elektronike koje pokriva probleme povezane s razvojem, istraživanjem, proizvodnjom i primjenom mikroelektroničkih uređaja.
IC – obavlja određenu funkciju pretvorbe signala i predstavlja jedinstvenu cjelinu s gledišta proizvodnje, pakiranja, transporta i rada.
Stupanj integracije je pokazatelj složenosti IC-a, određen brojem elemenata i komponenti koje sadrži.
Kristal U tehnologiji poluvodiča uobičajeno je nazivati gotov poluvodički uređaj (tranzistor, dioda) ili mikro krug bez vanjskih izvoda.
IC element Uobičajeno je da se tako naziva dio koji obavlja funkciju bilo kojeg elementa (tranzistor, dioda, otpornik) i ne može se odvojiti od IC-a kao neovisni proizvod.
IC komponenta - ovo je dio mikrosklopa koji obavlja funkciju bilo kojeg električnog radio elementa i može se odvojiti od IC-a kao neovisni proizvod.
Gustoća pakiranja je broj elemenata (obično tranzistora) po jedinici površine ili volumena kristala.
Ukupan broj elemenata i komponenti uključenih u IC naziva se stupanj integracije .
Aktivni element zove se element koji ima svojstvo pretvaranja električne energije - ispravljanja, pojačavanja, generiranja, upravljanja.
Analogni (linearni) IC-ovi dizajnirani su za pretvorbu i obradu signala koji variraju prema zakonu kontinuirane funkcije.
Digitalni IC-ovi dizajnirani su za pretvorbu i obradu signala koji variraju prema zakonu diskretne funkcije.
Svaki složeni elektronički uređaj sastoji se od jednostavnijih aktivnih i pasivnih komponenti. Aktivni elementi uključuju tranzistore, diode, vakuumske cijevi, mikrosklopove koji mogu pojačati električne signale snagom; Otpornici, kondenzatori i transformatori smatraju se pasivnim radijskim komponentama. Analizirajmo faze razvoja elektronike u povijesnom kontekstu
Povijest razvoja elektronike može se podijeliti u četiri razdoblja. Prvo razdoblje seže u kraj 19. stoljeća. U tom su razdoblju iz drevnih izvora otkriveni ili dešifrirani osnovni fizikalni principi rada elektroničkih uređaja te su otkriveni različiti fenomeni koji su potaknuli njihov razvoj i uporabu. Početkom razvoja tehnologije lampi smatra se otkriće konvencionalne žarulje sa žarnom niti ruskog inženjera elektrotehnike A. N. Lodygina.
Na njegovoj je osnovi već 1883. američki inženjer T. A. Edison otkrio i opisao fenomen termionske emisije i propuštanje električne struje kroz vakuum. Ruski fizičar A.G. Stoletov otkrio je osnovne zakone fotoelektričnog efekta 1888. godine. Najvažniju ulogu u razvoju elektronike odigralo je otkriće ruskih znanstvenika u 1895. od A. S. Popova mogućnosti prijenos radio valova na daljinu. Ovo otkriće dalo je veliki poticaj razvoju i implementaciji različitih elektroničkih uređaja u praksu; Tako se pojavila potražnja za uređajima za generiranje, pojačavanje i detekciju električnih signala.
Druga faza u povijesti razvoja elektronike obuhvaća prvu polovicu 20. stoljeća. To je razdoblje obilježeno razvojem i usavršavanjem elektrovakuumskih uređaja te sustavnim proučavanjem njihovih fizikalnih svojstava. Godine 1904. najjednostavniji vakuumska cijev s dvije elektrode – dioda, koji je našao široku primjenu u radiotehnici za detekciju električnih oscilacija. Samo nekoliko godina kasnije, 1907. godine, napravljen je svjetiljka s tri elektrode – trioda, pojačanje električnih signala. U Rusiji su prvi uzorci svjetiljki proizvedeni 1914.-1915. pod vodstvom N. D. Papaleksija i M. A. Bonch-Bruevicha.
Ali Prvi svjetski rat, koji su pokrenuli Britanci i Nijemci, spriječio je rad na stvaranju novih vrsta vakuumskih cijevi. Nakon državnog udara koji su platili Anglosaksonci 1917., unatoč teškoj financijskoj situaciji, počela se stvarati domaća radiotehnička industrija. Godine 1918. pod vodstvom M. A. Bonch-Bruevicha počeo je s radom Nižnji Novgorodski radiolaboratorij - prva istraživačka ustanova za radio i elektrovakuumsku tehniku. Već u najtežoj godini za zemlju, 1919., laboratorij je proizveo prve uzorke domaćih prijemno-pojačivačkih radiocijevi, a 1921. razvijene su prve moćne vakuumske cijevi s vodenim hlađenjem. Značajan doprinos razvoju električne vakuumske tehnologije i masovnoj proizvodnji radiocijevi dao je tim Lenjingradske tvornice električnih cijevi, izgrađene 1922. godine, kasnije nazvane "Svetlana".
Nakon toga, razvoj elektrovakuumskih uređaja za pojačavanje i generiranje električnih oscilacija napredovao je skokovito. Ovladavanje radiotehnikom hektometarskim (X=1000-f-100 m) i dekametarskim (A=100-10 m) valovima zahtijevalo je razvoj visokofrekventnih svjetiljki. Godine 1924. izumljeni su žarulje s četiri elektrode (tetrode), 1930. - pet elektroda ( pentode), 1935. godine - višemrežne svjetiljke za pretvaranje frekvencije ( heptode). U 30-im i ranim 40-im godinama, uz usavršavanje konvencionalnih svjetiljki, razvijaju se žarulje za decimetarske (A-100-n 10 cm) i centimetarske (A = 10h-1 cm) valove - magnetroni, klistroni, lampe s putujućim valovima.
Paralelno s razvojem elektroničkih uređaja nastajali su uređaji s elektronskim snopom, fotoelektrični i ionski uređaji, u čijem su stvaranju značajan doprinos dali ruski inženjeri. Do sredine 30-ih uglavnom se pojavila cijevna elektronika. Razvoj elektrovakuumske tehnologije u narednim godinama išao je putem smanjenja dimenzija uređaja, poboljšanja njihovih parametara i karakteristika, povećanja radne frekvencije, povećanja pouzdanosti i trajnosti.
Povijest razvoja elektronike. Treće razdoblje datira iz kasnih 40-ih i ranih 50-ih godina, obilježen brzim razvojem diskretnih poluvodičkih uređaja. Razvoju poluvodičke elektronike prethodio je rad na području fizike čvrstog stanja. Velika postignuća u proučavanju fizike poluvodiča pripadaju školi sovjetskih fizičara, koju je dugo vremena vodio akademik A.F. Ioffe. Teorijska i eksperimentalna istraživanja električnih svojstava poluvodiča, koja su proveli sovjetski znanstvenici A.F.Ioffe, I.V.Kurchatov, V.P.Zhuze, V.G.Loshkarev i drugi, omogućila su stvaranje koherentne teorije poluvodiča i određivanje načina njihove primjene.
Početak silicijsko doba Godine 1947. položili su u dubine laboratorija telefonske kompanije Bell gdje je "rođen" prvi tranzistor u sadašnjem ciklusu - poluvodički pojačavajući element. Događaj je označio prijelaz elektronike s glomaznih vakuumskih cijevi na kompaktnije i ekonomičnije poluvodiče. Započeo je novi ciklus civilizacije, nazvan "silicijsko doba". Pretpostavlja se da je riječ o saznanjima iz poluvodiča koja su se mogla dešifrirati iz prethodnog ciklusa razvoja civilizacije na Zemlji
Prvi industrijski nacrti poluvodičkih uređaja koji mogu pojačavati i generirati električne oscilacije predloženi su 1948. Pojavom tranzistora počinje razdoblje osvajanja elektronike od strane poluvodiča. Sposobnost tranzistora da rade na niskim naponima i strujama omogućila je smanjenje veličine svih elemenata u krugovima i otvorila mogućnost minijaturizacije elektroničke opreme. Istodobno s razvojem novih vrsta uređaja, radilo se na poboljšanju tehnoloških metoda za njihovu proizvodnju.
U prvoj polovici 50-ih razvijena je metoda difuzije doping nečistoća u poluvodičke materijale, a početkom 60-ih razvijene su planarne i epitaksijalne tehnologije, koje su odredile napredak u proizvodnji poluvodičkih struktura za dugi niz godina. Pedesete godine obilježene su otkrićima u području fizike čvrstog stanja i prelaskom na kvantnu elektroniku, što je dovelo do razvoja laserske tehnologije. Sovjetski znanstvenici N. G. Basov i A. M. Prohorov, koji su dobili Lenjinovu (1959.) i Nobelovu (1964.) nagradu, dali su veliki doprinos razvoju ove grane znanosti i tehnologije.
Četvrto razdoblje razvoja elektronike nastaje 60-ih godina prošlog stoljeća. Karakterizira ga razvoj i praktični razvoj integrirani krugovi, kombinirajući proizvodnju aktivnih i pasivnih elemenata funkcionalnih uređaja u jednom tehnološkom ciklusu. Razina LSI integracije doseže tisuće elemenata u jednom čipu. Ovladavanje proizvodnjom velikih i ultra velikih integriranih sklopova omogućilo je prelazak na stvaranje funkcionalno cjelovitih digitalnih uređaja - mikroprocesora, dizajniranih da rade zajedno s memorijskim uređajima i daju obradu informacija i upravljanje prema zadanom programu.
Napredak u poluvodičkoj elektronici bio je čimbenik u nastanku mikroelektronike. Nadalje, razvoj elektronike ide putem mikrominijaturizacije elektroničkih uređaja, povećavajući pouzdanost i učinkovitost elektroničkih uređaja i IC integriranih sklopova, poboljšavajući njihove pokazatelje kvalitete, smanjujući širenje parametara, šireći frekvencijska i temperaturna područja. “Tranzistorizacija” elektroničke opreme, započeta 50-ih godina prošlog stoljeća, ostat će i sljedećih godina simbol poluvodičke elektronike u svom kvalitativno novom obliku – integriranoj elektronici. Sve je važniji razvoj novog pravca u elektronici - optoelektronike, koji spaja električne i optičke metode pretvorbe i obrade signala (pretvorbu električnog signala u optički, a potom optičkog signala natrag u električni).
Povijest razvoja elektronike. Peti stupanj možemo nazvati poluvodiči u procesorima. Ili kraj ere silicija. U naprednim područjima moderne elektronike, poput dizajna i proizvodnje procesora, gdje su veličina i brzina poluvodičkih elemenata postale kritične, razvoj tehnologije silicija gotovo je dosegnuo svoju fizičku granicu. Posljednjih godina poboljšane su performanse integriranih sklopova, što je postignuto povećanjem frekvencije radnog takta i povećanjem broja tranzistora.
Kako se brzina prebacivanja tranzistora povećava, njihovo stvaranje topline raste eksponencijalno. Time je 2005. godine zaustavljen maksimalni radni takt procesora negdje oko 3 GHz, a od tada raste samo “multi-core”, što u biti označava vrijeme.
Postoje manji pomaci osim u kvantitativnoj integraciji poluvodičkih elemenata u jedan čip smanjenjem njihovih fizičkih dimenzija - prijelaz na suptilniji tehnološki proces. Od 2009-11, 32 nm tehnologija je korištena u potpunosti, s duljinom tranzistorskog kanala od samo 20 nm. Prijelaz na tanji tehnološki proces od 16 nm započeo je tek 2014. godine.
Performanse tranzistora rastu kako se smanjuju, ali više nije moguće povećati radni takt jezgre procesora, kao što je bio slučaj prije 90 nm tehnološkog procesa. To samo govori o slijepoj ulici u razvoju silicijskih tehnologija, iako će se one koristiti još najmanje jedno stoljeće, osim ako se, naravno, ne pokrene sedmi ciklus civilizacije u ovom Sunčevom sustavu.
Razvoj grafena trebao bi biti objavljen u sljedećem desetljeću, neki su ruski instituti u tome posebno napredovali zahvaljujući dekodiranju informacija iz prethodnog ciklusa, čije nazive još ne mogu navesti.
grafen je poluvodički materijal koji je ponovno otkriven tek 2004. Nekoliko je laboratorija već sintetiziralo tranzistor na bazi grafena koji može raditi u tri stabilna stanja. Za slično rješenje u siliciju bila bi potrebna tri odvojena poluvodička tranzistora. To će u bliskoj budućnosti omogućiti stvaranje integriranih krugova s manje tranzistora koji će obavljati iste funkcije kao njihovi stari silicijski parnjaci.
Još jedna važna prednost grafenskih poluvodiča je njihova sposobnost rada na visokim frekvencijama. Štoviše, te frekvencije mogu doseći 500-1000 GHz.
Kada se govori o elektroničkoj tehnologiji, mašta nam priziva slike lijepih, praktičnih instalacija i uređaja s kojima imamo posla u svakodnevnom životu. Doista, teško je zamisliti vrijeme kada nije bilo razne audio i video opreme, računala, elektroničkih satova, električnih glazbenih instrumenata itd. Ogromna količina elektroničke opreme koristi se u raznim industrijama, radiotehnici, poljoprivredi, zrakoplovstvu, astronautici. medicini, navigaciji i vojnim razvojima.
Trenutno se pod elektroničkom tehnologijom podrazumijevaju i instrumenti i uređaji temeljeni na protoku elektrona i njihovoj interakciji s materijom i elektromagnetskim poljima.
Elektronički uređaji temelje se na elektroničkim uređajima.
Elektronički uređaji su elementarni elektronički uređaji koji obavljaju određene funkcije. Postoje vakuumski i poluprovodnički elektronički uređaji.
Vakuumski elektronički uređaji uključuju elektronske cijevi, katodne cijevi i druge električne vakuumske i plinsko pražnjene uređaje (magnetroni, fotomultiplikatori, elektronsko-optički pretvarači i dr.).
Solid-state uređaji i uređaji uključuju poluvodičke diode, tranzistori, tiristori, LED, fotodiode, poluvodički laseri, integrirani sklopovi, uređaji za generiranje električnih strujnih i naponskih impulsa itd.
Elektronička tehnologija također se odnosi na niz elektroničkih uređaja povezanih s upotrebom elementarnih elektroničkih uređaja, u rasponu od jednostavnih pojačala do složenih računala. Posebno mjesto zauzimaju elektronički uređaji koji se odnose na formiranje, prepoznavanje i pretvorbu radijskih signala. Radioelektronika ih proučava i opisuje.
Karakteristično je područje elektronike koje uključuje impulsne uređaje i elektroničke uređaje povezane s digitalnom i računalnom tehnologijom.
Specifični su i dijelovi elektronike koji su posvećeni metodama proučavanja fizikalnih pojava, mjerenjima fizikalnih veličina, karakteristikama i parametrima elektroničkih uređaja, kao i srodnim električnim krugovima i elektromagnetskim poljima. Instrumenti koji mjere parametre i proučavaju procese koji se odvijaju u električnim krugovima i uređajima nazivaju se elektronički mjerni instrumenti.
Sve ovo daje temelj za zaključak. da je: „Elektronička tehnika (elektronika) područje znanosti i tehnologije povezano s proučavanjem i primjenom fizikalnih svojstava, metoda istraživanja i prakse uporabe uređaja koji se temelje na međudjelovanju elektrona s električnim i magnetskim poljima u vakuumu ili čvrstom tijelu. "
Elementi elektroničke opreme su industrijski proizvedeni elektronički uređaji i uređaji koji obavljaju određene funkcije. Elementi elektroničke tehnologije su poput građevnih blokova od kojih se izgrađuju složeniji elektronički uređaji. Osnovni ili osnovni elementi elektroničke opreme su otpornici, kondenzatori, diode, tranzistori, mikrosklopovi i dr.
Aktivni elementi elektroničke opreme (LED, laseri, optokapleri, upravljački mikrosklopovi) također se nazivaju elektroničkim elementima, naglašavajući njihovu sposobnost obavljanja određenih funkcija.
Baza elemenata elektroničke opreme je glavni skup elektroničkih elemenata koji se koriste u industrijskoj proizvodnji složene elektroničke opreme u ovoj povijesnoj fazi.
Analogna elektronika je elektronička tehnologija koja radi s kontinuiranim signalima (stalno promjenjivi naponi i struje). Analogni elektronički uređaji uključuju pojačala, miksete, pretvarače frekvencije, filtre, stabilizatore napona, struje, frekvencije, kao i generatore harmonijskih oscilacija.
Impulsna elektronika je elektronička tehnologija koja radi s impulsnim signalima (pojedinačnim naponskim i strujnim impulsima ili sekvencama impulsa). Primjeri impulsnih uređaja su impulsna pojačala i generatori, naponsko-frekvencijski pretvarači itd.
Digitalna elektronika je elektronička tehnologija koja radi s pojedinačnim (diskretnim) vrijednostima napona (struja, frekvencija), prikazanih u obliku brojeva. Digitalni elektronički uređaji uključuju logičke uređaje koji rade sa signalima 0 i 1, analogno-digitalne i digitalno-analogne pretvarače, mikroprocesore, osobna računala i složene računalne uređaje. Digitalna elektronika usko je povezana s pulsnom tehnologijom, jer se signali u njoj prenose u sekvencama impulsa.
Cjelokupna linija elektroničke opreme ovisi o korištenoj bazi elemenata, čijem razvoju su posvećeni radovi mnogih znanstvenika, njihova istraživanja i izumi. Put razvoja elektroničke tehnologije može se podijeliti u nekoliko faza koje počinju od otkrića elektriciteta i njegovog daljnjeg proučavanja.
Svrha ovog rada je detaljnije pratiti taj put, upoznati se s osnovama rada elektroničkih uređaja i instrumenata, njihovom pojavom u procesu proučavanja različitih svojstava elektriciteta i pojava od strane znanstvenika i fizičara različitih razdoblja.
Elektronika je rođena na sjecištu znanstvenih područja kao što su fizika i tehnologija. Promatramo li ga u užem smislu, možemo reći da proučava međudjelovanje elektrona i elektromagnetskog polja, kao i stvaranje uređaja na temelju tog znanja. Koji su to uređaji i kako se danas razvija znanost o elektronici?
Skok
Danas je doba informacijske tehnologije. Sve što primimo izvana moramo obraditi, pohraniti i prenijeti. Svi ovi procesi odvijaju se pomoću različitih vrsta elektroničkih uređaja. Što dublje čovjek zaroni u krhki svijet elektrona, to su veća njegova otkrića, a time i stvoreni elektronički uređaji.
Možete pronaći dovoljno informacija o tome što je elektronika i kako se ova znanost razvila. Nakon što ste ga proučili, začudili ste se koliko se brzo tehnologija razvila, kakav je brzi skok ova industrija napravila u kratkom vremenskom razdoblju.
Kao znanost počela se oblikovati u 20. stoljeću. To se dogodilo s početkom razvoja elementne baze radiotehnike i radioelektronike. Drugu polovicu prošlog stoljeća obilježio je razvoj kibernetike i računala, što je potaknulo interes za ovo područje. Ako je na početku svog razvoja jedno računalo moglo zauzimati cijelu prostoriju znatne veličine, danas imamo mikrotehnologije koje mogu promijeniti sve naše predodžbe o svijetu oko nas.
Iznenađujuće, možda će u bliskoj budućnosti biti moguće govoriti o tome što je elektronika u kontekstu povijesnog temeljnog znanja. Tehnologije se svakodnevno minimiziraju. Razdoblje njihove radne sposobnosti se povećava. Sve nas to sve manje iznenađuje. Takvi prirodni procesi povezani su s Mooreovim zakonom i provode se pomoću silicija. Danas se već govori o alternativi elektronici - spintronici. Također svi znaju za razvoj na polju nanoelektronike.
Razvoj i problemi
Dakle, što je elektronika i koje probleme ova grana znanosti ima u razvoju uređaja? Kao što je rečeno, elektronika je grana nastala na razmeđu fizike i tehnike. Proučava procese nastanka nabijenih čestica i kontrolu kretanja slobodnih elektrona u različitim medijima, kao što su čvrsta tijela, vakuum, plazma, plin i na njihovim granicama. Ova znanost također razvija metode za stvaranje elektroničkih uređaja za različite sfere ljudskog života. Ne manje važna su proučavanja problema povezanih s razvojem znanosti: brzo zastarijevanje, etička pitanja, istraživanja i eksperimenti, troškovi i još mnogo toga.
U svakodnevnom životu svake moderne osobe pitanje "Što je elektronika?" neće izazvati nikakvo iznenađenje. Njegov život doslovno je natrpan elektroničkim uređajima: satovima, perilicama rublja i ostalim kućanskim aparatima, ugradbenim uređajima u automobilima i drugim vozilima, audio i video opremom, televizorima, telefonima, robotima, medicinskim uređajima i opremom i tako dalje. Ovaj popis se može nastaviti jako dugo.
Područje razvoja i primjene
Tradicionalno, elektronika se dijeli na dva područja: dizajn komponenti i dizajn elektroničkih sklopova. predstavlja različite karakteristike. Dijeli se na klasu i elektroniku čvrstog stanja. U električnim krugovima elementnu bazu čine uređaji za korištenje, snimanje i obradu električnih signala. Obrađeni signal se reproducira u prikladnom obliku (zaslon monitora, TV ekran, zvuk itd.). Signal se može snimiti na medij za pohranu i reproducirati u bilo kojem trenutku, upravljati automatskim sustavima, servosima i drugim uređajima.
Elektronički sklopovi prikazani su u analognom i digitalnom obliku. Analogni pojačavaju i obrađuju analogni signal. Na primjer, radio valovi. Digitalni sklopovi dizajnirani su za rad sa signalom kvantne prirode. To su računala, kontroleri i mnogi drugi uređaji.
Elektronika i nanoelektronika danas više ne iznenađuju koliko su bile na samom početku nastanka takvih tehnologija. Ono što se nekada činilo fantastičnim postalo je uobičajeno u modernom svijetu. Brzina razvoja je tolika da uređaji nemaju vremena ostari prije nego što postanu nevažni.
Ali znanosti poput elektronike i nanoelektronike povezuje mikroelektronika, koja datira iz 1958. godine, stvaranjem mikrosklopova koji sadrže dva otpornika i četiri tranzistora. Daljnji razvoj išao je putem smanjivanja i istovremenog povećanja broja komponenti, poput tranzistora. Nanoelektronika se bavi razvojem integriranih sklopova čija je topološka norma manja od 100 nm.
Postoji li granica u razvoju tehnologije?
Kao što vidite, elektronika je temeljna znanost za razvoj sofisticiranih modernih tehnologija. Već se priča da je razvijena fleksibilna elektronika koja omogućuje ispis rastaljenim metalom.
Još nije postao široko rasprostranjen, ali znanstvenici su postigli značajan napredak u ovom području. Nema sumnje da će potrošačko tržište uskoro otkriti što je fleksibilna elektronika.
Definiranje granica razvoja tehnologije, koji je započeo u 20. stoljeću, danas je teško moguće. Spajaju se razne znanosti, razvijaju se elektroničke biotehnologije, umjetna inteligencija i još mnogo toga. 3D ispis već je uspješno korišten, a Sjeverna Karolina je predstavila vrlo ambicioznu tehnologiju 3D ispisa pomoću rastaljenog metala. Nova tehnologija može se uvesti u bilo koju proizvodnju opreme bez puno truda.
