Говоря об электронике, мы представляем себе компьютеры, телевизоры, печи СВЧ, мобильные телефоны и другие устройства. Между тем, это не только область техники, где создаются эти устройства. Это ещё и наука, занимающаяся изучением процессов, происходящих с заряженными частицами. Мы вряд ли получим ответ на вопрос, когда появилась электроника. Но проследить за историей её развития вполне возможно.
Современная электроника
В современной электронике можно выделить следующие основные области.
Бытовая электроника . К ней относятся все бытовые приборы – телевизоры, электроплиты, утюги, мобильные телефоны и др. В этих устройствах используют электрическое напряжение, электрический ток , электромагнитное поле или электромагнитные волны.
Энергетика . Это производство, передача и потребление электрической энергии. Сюда относят и электрические приборы высокой мощности – электростанции, электродвигатели, линии электропередач.
Микроэлектроника . В свою очередь она подразделяется на оптоэлектронику, звуко-видео-технику и цифровую электронику.
Приборы оптоэлектроники служат для преобразования светового излучения в электрический ток. К ним относятся фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и др. Другой тип приборов: светодиоды, лазеры, лампы накаливания, наоборот, преобразуют электрический ток в световое излучение.
Звуко-видео-техника – это устройства, в которых происходит преобразование звука и изображения.
К цифровой микроэлектронике относятся компьютеры, цифровые телевизоры, мобильные телефоны, панели управления устройствами и др.
Основной активный элемент в электронике - микросхема.
Из истории
Как появилась электроника?
Современному человеку трудно представить, как можно передать информацию на большое расстояние, не имея телефона, радио или компьютера, подключенного к интернету. Между тем потребность делиться информацией у человечества была всегда. И делалось это самыми различными способами. Древние люди предупреждали друг друга об опасности, подавая сигналы криком, разжигая костры, издавая барабанную дробь. Позже появилась голубиная почта, новости приносили специальные гонцы. В Китае информацию передавали с помощью воздушных змеев, окрашенных по-разному в зависимости от вида информации, которую они несли. Пожалуй, самым распространённым был световой способ передачи. На всём протяжении линии связи устанавливались башни, на каждой из которых зажигали огонь, как только его видели на предыдущей башне. И так сигнал передавался по цепи. Позднее, когда изобрели зеркало, сообщения начали посылать от башни к башне с помощью отражённых световых сигналов. На море для передачи информации использовалась азбука Морзе, в которой символы кодировались с помощью различных положений сигнальных флажков.
Словом, самых разных способов человечество придумало немало, но все они действовали лишь на коротком расстоянии и вряд ли могли нормально работать, когда видимость ухудшалась.
Первый электромагнитный телеграф
Электромагнитный телеграф Шиллинга
Всё изменилось, когда изобрели электрический телеграф. Точнее, это был электромагнитный телеграф, использовавший электромагнетизм для передачи сигналов.
Многие физики пытались создать такой прибор, но первым его придумал русский дипломат, изобретатель-электротехник, балтийский немец по происхождению, Павел Львович Шиллинг . После открытия Эрстедом воздействия электрического тока на магнитную стрелку, он понял, что на основе этого явления можно создать телеграф. Его передающее устройство состояло из 16 клавиш, с помощью которых замыкались электрические цепи тока прямого и обратного направлений. На принимающем устройстве были установлены 6 мультипликаторов с магнитными стрелками. Эти стрелки подвешивались на нитях. С одной стороны к ним прикреплялись белые бумажные кружочки, с другой чёрные. Замыкая цепи с помощью клавиш, посылали ток того или иного направления. В принимающем устройстве под воздействием электрического тока отклонялась одна из магнитных стрелок в сторону белого или чёрного кружочка в зависимости от направления тока. Таким способом кодировались буквы алфавита. Устройства соединялись подземным кабелем.
Павел Львович Шиллинг
Впервые Шиллинг продемонстрировал своё изобретение 21 октября 1832 г. в собственной квартире. Позднее он установил этот телеграф в Петербурге между Зимним дворцом и зданием министерства путей сообщения.
Свои модификации электромагнитного телеграфа создали немецкий учёный Карл Фридрих Гаусс и немецкий учёный Макс Вебер. Но на больших расстояниях они не применялись.
Первую телеграфную линию, действовавшую на расстоянии 5 км, создал в 1838 г. немецкий физик Карл Август Штейнгейль.
В 1895 г. русский физик Александр Степанович Попов изобрёл радио. Это была беспроводная электросвязь, носителем сигнала в которой были электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве свободно, без проводников. Это событие можно считать началом рождения электроники.
Александр Степанович Попов
В действующую модель радио входили радиопередатчик, излучающий сигнал, и приёмник, принимающий его. Радиосвязь сразу же стала широко использоваться в военном деле. Появилась необходимость в новых элементах для неё. Их созданием и занялась электроника.
Когда компьютеры были большими
Конечно, в 1905 г. микросхем ещё не существовало. Зато в этом году была изобретена радиолампа. В простейшем варианте она представляла собой стеклянный герметичный баллон с вакуумом внутри. Наружу были выведены 2 электрода – катод и анод. Третья нить выполняла функцию нагрева. По ней пропускали электрический ток. Нить разогревалась до очень высокой температуры в несколько сотен, а иногда и тысяч градусов. Между электродами создавалась большая разность потенциалов в 100-300 в. Катод, к которому подводилось отрицательное напряжение, нагревался и начинал испускать электроны. Поток электронов устремлялся к аноду, соединённому с источником положительного напряжения. В лампе возникал электрический ток.
Электронные лампы
С этого момента электроника начала развиваться семимильными шагами. Радиолампы совершенствовались. В начале 40-х годов ХХ века в год их выпускалось уже несколько миллионов самых разных размеров и конструкций. Ток в некоторых из них создавали не электроны, а ионы – частицы, имеющие положительный заряд. На их основе были созданы совершенно новые радиоприёмники и передатчики. Появились проигрыватели пластинок, магнитофоны, первые модели телевизоров.
Из радиоламп состояла элементная база первых компьютеров, которые появились после второй мировой войны в США в 1948 г. и назывались ЭВМ (электронные вычислительные машины). Так как в одной ЭВМ были десятки тысяч радиоламп, то компьютеры имели огромные размеры. Для их размещения также требовались большие залы.
ЭВМ Урал-1
Конечно, долго так продолжать не могло. Можно сказать, что дальнейшее развитие электроники связано с развитием компьютерной техники. Со временем радиолампы, которые к тому же потребляли большую мощность, были вытеснены полупроводниковыми диодами и транзисторами.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковые диоды
Как же устроен простейший полупроводниковый прибор – диод?
Он состоит из двух примыкающих друг к другу слоёв полупроводника. В одном слое (n - проводимость) избыток свободных электронов, а в другом (p – проводимость) – их недостаток, поэтому в том месте, где не хватает электрона, образуется «дырка», имеющая положительный заряд.
Если подать на катод диода (слой, в котором избыток электронов), отрицательный заряд, а на анод положительный, то начнётся движение зарядов, и через переход между слоями пойдёт электрический ток. Такое включение называется «прямым». Диод в этом состоянии открыт.
Диод открыт
Если же на анод подаётся отрицательный заряд, а на катод положительный, то электроны начинают двигаться к «плюсу», а «дырки» к минусу. Тока через переход не будет. Диод закрыт.
Диод закрыт
С появлением полупроводниковых приборов размеры радиоприёмников, телевизоров и других устройств значительно уменьшились, а качество их работы перешло на новый уровень. ЭВМ уже не занимали огромных площадей, но их размеры всё равно оставались большими, а потребляемая мощность была всё ещё довольно велика.
Интегральные микросхемы
Интегральные микросхемы
Но электроника не стояла на месте. Постепенно отдельные диоды и транзисторы уступили место интегральным микросхемам (ИС).
В любом электронном устройстве происходит обработка электрического сигнала. Это происходит с помощью электрической цепи, которая включает в себя не только транзисторы и диоды. В ней есть и другие основные компоненты: конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности. На заре развития электроники они объединялись в одну электронную схему с помощью проводников. И вся эта схема располагалась на одной плате. Каждый такой отдельный элемент можно было заменить, не трогая другие элементы электрической цепи. Это и делал, например, мастер, когда выходил из строя телевизор.
А в ИС вся электронная схема, выполняющая определённые логические функции, собиралась в едином корпусе маленьких размеров.
Конечно, это был огромный шаг вперёд. Он привёл к резкому росту быстродействия электронных устройств. И хотя габариты их значительно уменьшились, к примеру, оперативная память объёмом всего в 8 Мб российской ЭВМ ЕС-1046 в 80-е годы ХХ века всё ещё была размером с целый шкаф.
Печатные платы
Печатная плата
Создание интегральных микросхем стало толчком к бурному развитию основной отрасли современной электроники – микроэлектроники.
В любом современном электронном устройстве, будь то компьютер, мобильный телефон, телевизор или стиральная машина, есть печатная плата. В ней все электрические связи выполняются уже не проводами. Их заменили проводящие дорожки, покрытые медной фольгой. И расположены они на этой самой печатной плате. Это специальная пластина из диэлектрика (текстолита, гетинакса и др.). Кроме проводящих дорожек на ней созданы специальные контактные площадки, монтажные отверстия для установки радиоэлементов, экранирующие поверхности, ламели разъёмов и др. Печатные платы могут быть однослойными, а могут состоять их нескольких слоёв.
Кстати, не нужно думать, что печатные платы появились в ХХ веке одновременно с появлением микросхем. Годом их рождения физики считают 1902 г., когда немецкий инженер Альберт Хансон, занимавшийся разработками в области телефонии, подал заявку на патент. Плата, которую он создал, считается прототипом современных печатных плат. Основанием платы Хансена служила бумага, пропитанная парафином, на которую наклеивались полоски из бронзовой или медной фольги, служившие проводниками.
Но массово печатные платы стали применяться в электрических приборах в середине прошлого века. В специальных отверстиях в них крепились сначала радиолампы, затем транзисторы, а потом и микросхемы.
На ИС электроника не остановилась. Процесс уменьшения размеров активных элементов в ней происходит непрерывно. И сейчас уже размер транзистора, собранного на полупроводниковом чипе, составляет всего несколько нанометров. Не правда ли, огромный прогресс по сравнению с электронной радиолампой, размер которой достигал нескольких сантиметров?
Именно этот прогресс позволил телевизорам, компьютерам, мобильным телефонам и другим гаджетам стать такими, какими мы их видим в настоящий момент.
Тезаурус по дисциплине «Электронная техника»
Электроника – это область науки и техники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств.
Электронными приборами называются приборы, в которых электропроводимость осуществляется посредствам заряженных частиц (ē или ионов) в кристалле полупроводника, в вакууме или газовой среде.
Определённые значения энергии, которыми обладают электроны, называются энергетическими уровнями .
Процесс разрыва ковалентных связей и образование парных носителей заряда (электрон - дырка) при воздействии на полупроводник источников энергии называется генерацией .
Ионизация – это процесс отрыва электронов от атома или присоединения электрона к атому.
Процесс заполнения разорванных ковалентных связей электронами называется рекомбинация .
Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле движение электронов и дырок будет направленным, то есть появляется собственная проводимость .
Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена движением положительных зарядов, называются дырочными (полупроводниками p-типа), а примеси - акцепторными .
Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена движением отрицательных зарядов, называются электронными (полупроводниками n-типа), а примеси - донорными .
Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля, называется дрейфом , а вызванный этим явлением ток - дрейфовым .
Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой концентрацией в слой, где их концентрация ниже, называется диффузией , а вызванный эти явлением ток - диффузионным .
Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различным типом электропроводимости.
Включение p-n – перехода в электрическую цепь, когда плюс источника питания подсоединен к области р, а минус к области n, называется прямым .
Включение, при котором к области р подсоединен минус источника питания, а к области n – плюс, называется обратным .
Полупроводниковый диод – это прибор принцип действия, которого основан на односторонней проводимости p-n-перехода.
Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, который имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от проходящего тока.
Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании барьерной емкости при обратном напряжении.
Туннельный диод – туннельным называют диод, принцип действия которого основан на туннельном эффекте.
Пробой p - n -перехода – это явление резкого увеличения обратного тока через переход при достижении обратным напряжением критического значения.
Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля при обратном смещении.
Тепловой пробой – это пробой, наступающий в результате нарушения равновесия между рассеиваемой теплотой и теплотой выделяемой при протекании тока.
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n – переходами и тремя выводами.
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором значение рабочего тока определяется напряжением, приложенным к управляющему электроду.
Введение носителей заряда через p-n – переход из области, где они были основными в область, где они являются не основными, за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией .
Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и перенос их при обратном напряжении через p-n-переход, в область с противоположным типом электропроводимости называется экстракцией .
Тиристором называется полупроводниковый прибор, имеющий три и более p-n- перехода, который может быстро переключатся из закрытого состояния в открытое и наоборот.
Фотоэлектронным прибором называется электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрическую.
Влияние света на электрические свойства вещества носит название фотоэффекта.
Фотоэлектронная эмиссия – это испускание электронов с поверхности вещества под действием энергии падающего света (внешний фотоэффект ).
Фотогальванический эффект – это возникновение на p-n-переходе под действием падающего света разности потенциалов, называемой фотоэ.д.с.
Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие которого основано на уменьшении удельного сопротивления полупроводника под действием света или невидимого излучения (инфракрасного или ультрафиолетового).
Фотодиодом называют полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n-перехода (ток которого управляется световым потоком).
Фототранзистором называют фотогальванический приемник излучения с двумя p-n-переходами, предназначенный для преобразования потока излучения в электрические сигналы.
Светоизлучающий диод (светодиод) – это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию оптического излучения.
Выпрямителями называют устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий одного направления.
Болометр – это терморезистор, предназначенный для индикации и измерения энергии электромагнитного излучения в оптическом или инфракрасном диапазоне частот.
Варистор – это полупроводниковый резистор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой.
Терморезистор (термистор) – это полупроводниковый тепловой прибор, способный изменять свое электрическое сопротивление при изменении его температуры.
Позистор – это полупроводниковый резистор, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления.
Максимальная энергия электрона внутри металла при температуре абсолютного нуля называется уровнем Ферми.
Дополнительная энергия, необходимая электрону для выхода в вакуум называется работой выхода.
Электронной лампой называют прибор, в котором проводимость осуществляется посредством движения электронов между электродами, помещенными в вакуум.
Электровакуумный диод - это двухэлектродная электронная лампа, предназначенная для выпрямления переменного тока.
Электровакуумным триодом называют трехэлектродную лампу, предназначенную для усиления и генерирования переменных токов и напряжений.
Явление перехода вторичных электронов, вылетающих с анода на экранирующую сетку, имеющую более высокий потенциал, называют динатронным эффектом.
Ионные приборы – это приборы, электропроводимость которых обусловлена электронами и ионами, возникающими при электрическом разряде в газовой среде.
Совокупность явлений, происходящих в газе или парах ртути при прохождении через них электрического тока, называют электрическим разрядом в газе.
Неоновые лампы представляют собой двухэлектродные приборы с аномальным тлеющим разрядом и применяются для индикации напряжения или электромагнитного поля высокой частоты.
Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) называют электровакуумные приборы, в которых управляемый электрическими или магнитными полями поток электронов, сформированный в электронный луч, используется для преобразования электрических сигналов в световые.
Усилитель – это устройство, построенное на электронных активных элементах (лампах, транзисторах и т.д.) и преобразующее электрическую энергию источников питания в электрические колебания усиливаемого сигнала.
Усилитель – это радиотехническое устройство, усиливающее мощность, напряжение или ток электрического сигнала, подводимого к его входу.
Усилитель – это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.
Усилительный каскад – это (конструктивное звено усилителя) усилительный элемент вместе с другими пассивными элементами, которые обеспечивают необходимый режим его работы и связь с источником сигнала и нагрузкой.
Номинальное входное напряжение, при котором усилитель отдает в нагрузку заданную выходную мощность, называется чувствительностью усилителя.
Обратная связь – это передача выходных колебаний усилителя на его вход.
Динамический диапазон амплитуд – это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на выходе усилителя.
Коэффициентом усиления называется отношение выходного параметра к входному.
Электронный генератор – это устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний заданной формы, мощности и частоты.
Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором .
Автогенератор – это усилитель с сильной положительной обратной связью.
Автогенератор – это электронный генератор, принцип действия которого основан на автоматическом пополнении энергии, затрачиваемой формирователем колебаний.
Дифференцирующей называют цепь , у которой выходное напряжение пропорционально производной входного.
Интегрирующей называют цепь, напряжение на выходе которой пропорционально интегралу входного.
Импульсным называется устройство, работающее в прерывистом, импульсном режиме.
Импульсный сигнал – это кратковременное изменение тока или напряжения.
Видеоимпульс – это кратковременное изменение тока или напряжения неизменной полярности.
Радиоимпульс – это кратковременное изменение синусоидального тока или напряжения, огибающая которого повторяет форму видеоимпульсов.
Импульсными генераторами называют устройства, формирующие электрические импульсные сигналы.
Триггер – это импульсная схема, имеющая два электрических состояния устойчивого равновесия и предназначенная для генерирования импульсов прямоугольной формы.
Триггер – это переключающее устройство, которое сколь угодно долго сохраняет одно из своих двух состояний устойчивого равновесия и скачкообразно переключается по сигналу извне из одного состояния в другое.
Мультивибратор – это релаксационный автогенератор с прямоугольной формой выходных колебаний.
Мультивибратор – представляет собой генератор несинусоидальных колебаний, близких по форме к прямоугольным.
Одновибратор – это генератор, работающий в ждущем режиме и вырабатывающий одиночный импульс.
Триггер Шмита – это несимметричный триггер (с эмиттерной связью), применяемый для формирования прямоугольных импульсов из синусоидальных сигналов и других периодических сигналов непрямоугольной формы.
Блокинг-генератор – это релаксационный генератор с трансформаторной обратной связью, вырабатывающий кратковременные электрические импульсы
Блокинг-генератор – автоколебательная система, генерирующая кратковременные прямоугольные импульсы с большой скважностью.
Логический элемент – это элемент, в котором сигнал на выходе связан с входным по закону алгебры логики.
Микроэлектроника представляет собой современное направление электроники, которое охватывает проблемы, связанные с разработкой, исследованием, изготовлением и применением микроэлектронных устройств.
ИМС – выполняет определенную функцию преобразования сигнала и представляет собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации.
Степень интеграции – это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.
Кристаллом в полупроводниковой техники принято называть готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или микросхему без внешних выводов.
Элементом ИМС принято называть её часть, которая выполняет функцию какого - либо одного элемента (транзистора, диода, резистора) и не может быть отделена от ИМС, как самостоятельное изделие.
Компонент ИМС – это часть микросхемы, которая выполняет функцию какого - либо одного электрорадиоэлемента и может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие.
Плотность упаковки – это количество элементов (обычно транзисторов) на единицу площади или объема кристалла.
Суммарное число элементов и компонентов, входящих в ИМС, называют уровнем интеграции .
Активным элементом называют элемент, обладающий свойством преобразования электрической энергии – выпрямления, усиления, генерирования, управления.
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.
Цифровые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.
Любое сложное электронное устройство состоит из более простых активных и пассивных компонентов. К активным элементам относят транзисторы, диоды, электронные лампы, микросхемы, способные усиливать электрические сигналы по мощности; пассивными радиокомпонентами считаются резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Давайте проанализируем этапы становления электроники в историческом срезе
Историю развития электроники можно условно разделить на четыре периода. Первый период относится к концу 19 века . В этот период были открыты или расшифрованы из источников древних основные физические закономерности работы электронных приборов и открыты различные явления, стимулирующие их развитие и использование. Началом развития ламповой техники принято считать открытие русским ученым электротехником А. Н. Лодыгиным обычной лампы накаливания.
На ее базе уже 1883 г. американский инженер Т. А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейщую роль в развитии электроники сыграло открытие русским ученым в 1895 г. А. С. Поповым возможности передачи радиоволн на растояние . Это открытие дало огромный импульс развития и внедрения различных электронных приборов в практику; так появился спрос на устройствадля генерации, усиления и детектирования электрических сигналов.
Второй этап истории развития электроники охватывает первую половину 20-го века. Этот период характеризуется разработкой и совершенствованием электровакуумных приборов и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа - диод , нашедший широчайшее применение в радиотехнике для детектирования электрических колебаний. Спустя всего несколько лет в 1907 г. изготовлена трехэлектродная лампа - триод , усиления электрических сигналов. В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914-1915 гг. под руководством Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича.
Но развязанная англичанами и немцами первоя мировая война, препятствовала работе по созданию новых типов электронных ламп. После государственного переворота проплаченного англосаксами 1917 года несмотря на сложнейшее финансовое состояние начала создаваться отечественная радиотехническая промышленность. В 1918 г. начинает работать Нижегородская радиолаборатория под руководством М. А. Бонч-Бруевича - первое научно-исследовательское учреждение по вопросам радио и электровакуумной техники. Уже в тяжелейшем для страны 1919 году лаборатории были изготовлены первые образцы отечественных приемно-усилительных радиоламп, а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением. Существенный вклад в развитие электровакуумной техники и массового производства радиоламп внес коллектив построенного в 1922 г. Ленинградского электролампового завода впоследствии именуемого «Светлана».
В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семи мильными шагами. Освоение радиотехникой гектометровых (X=1000-f-100 м) и декаметровых (А=100-10 м) волн потребовало разработки высокочастотных ламп. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды) , в 1930 г. - пятиэлектродные (пентоды ), в 1935 г. - многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды ). В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых (А-100-н 10 см) и сантиметровых (А=10ч-1 см) волн - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны.
Параллельно с разработкой электронных создавались электронно-лучевые, фотоэлектрические, ионные приборы, в создание которых существенный вклад внесли российские инженеры. К середине 30 х годов в основном сформировалась ламповая электроника. Развитие электровакуумной техники в последующие годы шло по-пути снижения габаритов приборов, улучшения их параметров и характеристик, увеличения рабочей частоты, повышения надежности и долговечности.
История развития электроники. Третий период относится к концу 40-х и началу 50-х годов, характеризующихся бурным развитием дискретных полупроводниковых приборов. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела. Большие заслуги изучения физики полупроводников принадлежат школе советских физиков, длительное время возглавляемой академиком А. Ф. Иоффе. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств полупроводников, выполненные советскими учеными А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатовым, В. П. Жузе, В. Г. Лошкаревым и другими, позволили создать стройную теорию полупроводников и определить пути их применения.
Начало кремниевого века В 1947 году, положили в недрах лабораторий телефонной компании Bell где «родился» первый в в текущем цикле транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век». Предполагается, что как раз знания от полупроводников смогли расшифровать от предыдущего цикла развития цивилизации на Земле
Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов - , способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.
В первой половине 50-х годов был разработан метод диффузии легирующих примесей в полупроводниковые материалы, а в начале 60-х годов - планарная и эпитаксиальная технология, на многие годы определившие прогресс в производстве полупроводниковых структур. 50-е годы знаменуются открытиями в области физики твердого тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и техники внесли советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, удостоенные Ленинской (в 1959 г.) и Нобелевской (в 1964 г.) премий.
Четвертый период развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем , совместивших в едином технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции БИС достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств - микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.
Достижения полупроводниковой электроники явились фактором появления микроэлектроники. Далее развитие электроники идет по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надежности, экономичности электронных приборов и интегральных микросхем ИМС, улучшения их качественных показателей, уменьшения разброса параметров, расширения частотного и температурного диапазонов. Начатая в 50-е годы «транзисторизация» электронного оборудования и на ближайшие годы останется символом полупроводниковой электроники в ее качественно новом виде - интегральной электронике. Важное значение приобретает развитие нового направления электроники - оптоэлектроники, сочетающей электрические и оптические способы преобразования и обработки сигнала (преобразование электрического сигнала в оптический, а затем оптического снова в электрический).
История развития электроники. Пятым этапом можно назвать полупроводники в процессорах . Или закат эпохи кремния. В передовых областях современной электроники, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. В последнии годы улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов.
С увелечением скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и с тех пор увеличивается лишь «многоядерность», что собственно по сути является топтанием на месте.
Небольшие подвижки есть лиши в количественной интеграции полупроводниковых элементов в одном чипе путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. По состоянию на 2009-11 годы во всю использовалась технология в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет всего 20 нм. Переход на более тонкий технологически процесс 16 нм началась лишь в 2014 году.
Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не возможен рост тактовой частота ядра процессора, как было до 90 нм технологического процесса. Это говорит лишь о тупике развития кремниевых технологий, хотя они будут использоваться по меньшей мере еще столетие, если конечно не будет осуществлена перезагрузка седьмого цикла цивиализации в этой солнечной системе.
В ближайшее десятилетие должны быть обнародованы графеновые разработки , особенно в этом продвинулись некоторые российские институты благодоря расшифровки информации от предыдущего цикла, названия которых я пока указать не могу.
Графен - это полупроводниковый материал, повторно открытый лишь 2004 году. В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трех устойчивых состояниях. Для аналогичного решения в кремниевом исполнение, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых полупроводников является их способность работать на высоких частотах. Причем, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.
Когда говорят об электронной технике, то в воображении возникает представление о красивых, удобных установках и приборах, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Действительно, трудно представить время, когда не было разнообразной аудио- и видео техники, компьютеров, электронных часов, электромузыкальных инструментов и т. п. Огромное количество электронной техники используется в разнообразных отраслях промышленности, радиотехнике, сельском хозяйстве, авиации, космонавтике, медицине, мореплавании и в военных разработках.
В настоящее время под электронной техникой понимают также приборы и устройства, основанные на электронных потоках и их взаимодействии с веществом и электромагнитными полями.
В основе электронных устройств лежат электронные приборы.
Электронные приборы - это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции. Различают электровакуумные и твердотельные электронные приборы.
К вакуумным электронным приборам относят электронные лампы, электроннолучевые трубки и другие электровакуумные и газоразрядные приборы (магнетроны, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т.п.).
К твердотельным приборам и устройствам относят полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры, интегральные микросхемы, устройства формирования электрических импульсов тока и напряжения и др.
Под электронной техникой понимают также разнообразные электронные устройства, связанные с использованием элементарных электронных приборов, начиная от простых усилителей и заканчивая сложными вычислительными машинами. Особое место занимают электронные устройства, связанные с формированием, распознаванием и преобразованием радиосигналов. Их изучением и описанием занимается радиоэлектроника.
Характерной является область электроники, к которой относятся импульсные устройства и электронные устройства, связанные с цифровой и вычислительной техникой.
Специфичны и разделы электроники, посвященные методам исследования физических явлений, измерениям физических величин, характеристик и параметров электронных устройств, а также относящихся к ним электрических цепей и электромагнитных полей. Приборы, осуществляющие измерения параметров и исследования процессов, протекающих в электрических цепях и устройствах, называют электронными измерительными приборами.
Все это дает основание сделать вывод. что: » Электронная техника (электроника) - это область науки и техники, связанная с изучением и внедрения физических свойств, методов исследования и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме или твердом теле.»
Элементы электронной техники -- это выпускаемые промышленностью электронные приборы и устройства, выполняющие определенные функции. Элементы электронной техники являются как бы кирпичиками, из которых конструируются более сложные электронные устройства. Базовыми, или основными элементами электронной техники являются резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы и т.п
Активные элементы электронной техники (светодиоды, лазеры, оптроны, управляющие микросхемы) также называют электронными элементами, подчеркивая возможность выполнения ими определенных функций.
Элементная база электронной техники -- это основной набор электронных элементов, используемых в промышленном производстве сложной электронной аппаратуры на данном историческом этапе.
Аналоговая электроника -- это электронная техника, работающая с непрерывными сигналами (непрерывно меняющимися напряжениями и токами). К устройствам аналоговой электроники относятся усилители, смесители, преобразователи частоты, фильтры, стабилизаторы напряжения, тока, частоты, а также генераторы гармонических колебаний.
Импульсная электроника -- это электронная техника, работающая с импульсными сигналами (одиночными импульсами напряжения и тока или последовательностями импульсов). Примерами импульсных устройств являются импульсные усилители и генераторы, преобразователи напряжение -- частота и т.п.
Цифровая электроника -- это электронная техника, работающая с отдельными (дискретными) значениями напряжений (токов, частот), представленных в виде цифр. К устройствам цифровой электроники относятся логические устройства, оперирующие с сигналами 0 и 1, аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микропроцессоры, персональные вычислительные машины, сложные вычислительные устройства. Цифровая электроника тесно связана с импульсной техникой, так как сигналы в ней передаются последовательностями импульсов.
Вся линейка электронной техники зависит от применяемой элементной базы, развитию которой посвящены труды многих ученых, их исследований и изобретений. Путь развития электронной техники условно можно разбить на несколько этапов, начало которых ведется от момента открытия электричества и его дальнейшего изучения.
Целью данной работы является проследить этот путь более детально, ознакомиться с азами работы электронных устройст и приборов, их появления в процессе исследований различных свойств электричества и явлений учеными и физиками разных эпох.
На стыке таких научных отраслей, как физика и техника, родилась электроника. Если рассматривать ее в узком смысле, то можно сказать, что она занимается изучением взаимодействия электронов и электромагнитного поля, а также созданием устройств на базе этих знаний. Что это за устройства и как развивается наука электроника сегодня?
Скачок
Сегодня век информационных технологий. Весь которые мы получаем извне, необходимо обрабатывать, хранить и передавать. Все эти процессы происходят с помощью электронных устройств различного типа. Чем глубже человек погружается в хрупкий мир электронов, тем грандиознее его открытия и, соответственно, созданные электронные устройства.
Можно найти достаточно информации о том, что такое электроника и как эта наука развивалась. Изучив ее, приходишь в изумление - как быстро развились технологии, какой стремительный скачок сделала эта отрасль за короткий период времени.
Как наука, она стала формироваться в XX веке. Это произошло с началом развития элементной базы радиотехники и радиоэлектроники. Вторая половина прошлого столетия ознаменовалась развитием кибернетики и ЭВМ Все это стимулировало интерес к этой области. Если в начале своего развития одна ЭВМ могла занимать целую комнату немалых размеров, то сегодня мы обладаем микротехнологиями, способными перевернуть все наши представления об окружающем мире.
Удивительно, но, возможно, в ближайшее время о том, что такое электроника, можно будет говорить в разрезе исторических базовых знаний. Технологии минимизируются с каждым днем. Период их работоспособности увеличивается. Все это удивляет нас меньше и меньше. Такие естественные процессы связаны с законом Мура и осуществляются с использованием кремния. Уже сегодня говорят об альтернативе электронике - спинтронике. А также всем известны разработки в области наноэлектроники.
Развитие и проблемы
Итак, что такое электроника и какие проблемы в разработках приборов имеет эта отрасль науки? Как было сказано, электроника - это отрасль, созданная на стыке физики и техники. Она исследует процессы образования заряженных частиц и управления движением свободных электронов в разных средах, таких как твердое тело, вакуум, плазма, газ и на их границах. Эта наука также разрабатывает методы создания электронных приборов для разного рода сфер человеческой жизни. Не последнее место занимают исследования проблем, связанных с развитием науки: быстрое устаревание, этические вопросы, исследования и эксперименты, затраты и многое другое.
В ежедневной жизни любого современного человека вопрос «Что такое электроника?» не вызовет никакого удивления. Его быт в буквальном смысле напичкан электронными устройствами: часы, стиральные машины и другие бытовые приборы, встроенные приборы в автомобилях и других транспортных средствах, аудио- и видеотехника, телевизоры, телефоны, роботы, медицинские приборы и оборудование и так далее. Этот список можно продолжать еще очень долго.
Область разработок и применения
Традиционно электронику подразделяют на две области: разработка элементной базы и конструирование электронных схем. представляет собой различных характеристик. Она делится на класс и твердотельную электронику. В электрических схемах элементная база состоит из устройств использования, регистрации и обработки электрических сигналов. Обработанный сигнал воспроизводится в удобной форме (экран монитора, телевизора, звук и так далее). Сигнал можно записать на носитель информации и воспроизводить в любое время, управлять автоматическими системами, сервоприводами и другими устройствами.
Электронные схемы представлены в аналоговом и цифровом виде. Аналоговые усиливают и обрабатывают аналоговый сигнал. Например, радиоволны. Цифровые схемы предназначены для работы с сигналом квантовой природы. Это компьютеры, контроллеры и многие другие приборы.
Электроника и наноэлектроника сегодня уже не удивляют так, как это было в самом начале зарождения подобных технологий. То, что когда-то казалось фантастикой, в современном мире стало обыденным явлением. Скорость развития так велика, что приборы не успевают состариться, как они уже становятся неактуальными.
Но такие науки, как электроника и наноэлектроника, соединяет микроэлектроника, ведущая свою историю от 1958 года, с момента создания микросхем, имеющих в своем составе два резистора и четыре транзистора. Далее развитие шло по пути минимизации и одновременного увеличения числа компонентов, таких как транзисторы. Наноэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем, топологическая норма которых менее 100 нм.
Есть ли предел развития технологий?
Как видно, электроника - наука базовая для развития утонченных технологий современности. Уже говорят о том, что разработана гибкая электроника, дающая возможность печатать с использованием расплавленного металла.
Она еще не получила массового распространения, но в этой области ученые достигли значительных успехов. Нет сомнений - скоро потребительский рынок узнает, что такое гибкая электроника.
Определение границ развития технологий, начало которым положено в XX веке, сегодня уже вряд ли представляется возможным. Происходит слияние различных наук, развиваются электронные биотехнологии, искусственный интеллект и многое другое. Уже успешно применяется 3D-печать, а в Северной Каролине представили очень амбициозную технологию такой печати с использованием расплавленного металла. Новую технологию можно без особых усилий внедрить в любое производство техники.
