Определение электроники. Школьная энциклопедия

Электроника, наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации. Наиболее характерные виды таких преобразований - генерирование, усиление и приём электромагнитных колебаний с частотой до 10 12 гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (10 12 -10 20 гц ). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона - наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В Э. исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решётки.

Э. опирается на многие разделы физики - электродинамику, классическую и квантовую механику, физику твёрдого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, Э., с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой - создаёт новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования. Практические задачи Э.: разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные функции в системах преобразования и передачи информации, в системах управления, в вычислительной технике, а также в энергетических устройствах; разработка научных основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей электронные и ионные процессы и приборы для различных областей науки и техники.

Э. играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических показателей производства. На основе достижений Э. развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др.

Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприёмных устройств (1900-05), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920-1926), изобретение кристадина (О. В. Лосев , 1922), изобретение транзистора (У. Шокли , У. Браттейн , Дж. Бардин , 1948) определили становление и развитие полупроводниковой электроники . Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50 - начало 60-х гг.) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления в Э. - микроэлектроники (см. также Интегральная электроника ). Основные разработки в области интегральной Э. направлены на создание интегральных схем - микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ(электронная вычислительная машина), электронных запоминающих устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных приборов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм 2 . Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, переработка информации, совершенствование вычислительной техники и др., выдвигаемых развитием современного общественного производства. Создание квантовых генераторов (Н. Г. Басов , А. М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс , 1955) - приборов квантовой электроники - определило качественно новые возможности Э., связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров ) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты .

Советские учёные внесли крупный вклад в развитие Э. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных приборов выполнили М. А. Бонч-Бруевич, Л. И. Мандельштам , Н. Д. Папалекси , С. А. Векшинский , А. А. Чернышев, М. М. Богословский и многие др.; по проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, излучения, распространения и приёма радиоволн, их взаимодействия с носителями тока в вакууме, газах и твёрдых телах - Б. А. Введенский , В. Д. Калмыков , А. Л. Минц , А. А. Расплетин , М. В. Шулейкин и др.; в области физики полупроводников - А. Ф. Иоффе ; люминесценции и по другим разделам физической оптики - С. И. Вавилов ; квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах - И. Е. Тамм и многие др.

Области, основные разделы и направления электроники. Э. включает в себя 3 области исследований: вакуумную Э., твердотельную Э., квантовую Э. Каждая область подразделяется на ряд разделов и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данной области. Направление охватывает методы конструирования и расчётов электронных приборов, родственных по принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления этих приборов.

Вакуумная Э. содержит следующие разделы: 1) эмиссионная Э., охватывающая вопросы термо-, фотоэмиссии, вторичной электронной эмиссии , туннельной эмиссии , исследования катодов и антиэмиссионных покрытий; 2) формирование потоков электронов и потоков ионов, управление этими потоками; 3) формирование электромагнитных полей с помощью резонаторов , систем резонаторов, замедляющих систем , устройств ввода и вывода энергии; 4) электронная люминесценция (катодолюминесценция ); 5) физика и техника высокого вакуума (его получение, сохранение и контроль); 6) теплофизические процессы (испарение в вакууме, формоизменение деталей при циклическом нагреве, разрушение поверхности металлов при импульсном нагреве, отвод тепла от элементов приборов); 7) поверхностные явления (образование плёнок на электродах и изоляторах, неоднородностей на поверхностях электрода); 8) технология обработки поверхностей, в том числе электронная, ионная и лазерная обработка; 9) газовые среды - раздел, включающий вопросы получения и поддержания оптимального состава и давления газа в газоразрядных приборах. Основные направления вакуумной Э. охватывают вопросы создания электровакуумных приборов (ЭВП) следующих видов: электронных ламп (триодов, тетродов, пентодов и т. д.); ЭВП СВЧ(сверхвысокие частоты) (магнетронов, клистронов и т. д.), электроннолучевых приборов (кинескопов, осциллографических трубок и т. д.); фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей), рентгеновских трубок; газоразрядных приборов (мощных преобразователей тока, источников света, индикаторов).

Разделы и направления твердотельной Э. в основном связаны с полупроводниковой Э. Фундаментальные разделы последней охватывают следующие вопросы: 1) изучение свойств полупроводниковых материалов, влияние примесей на эти свойства; 2) создание в кристалле областей с различной проводимостью методами эпитаксиального выращивания (см. Эпитаксия ), диффузии , ионного внедрения (имплантации), воздействием радиации на полупроводниковые структуры; 3) нанесение диэлектрических и металлических плёнок на полупроводниковые материалы, разработка технологии создания плёнок с необходимыми свойствами и конфигурацией; 4) исследование физических и химических процессов на поверхности полупроводников; 5) разработку способов и средств получения и измерения элементов приборов микронных и субмикронных размеров. Основные направления полупроводниковой Э. связаны с разработкой и изготовлением различных видов полупроводниковых приборов ; полупроводниковых диодов (выпрямительных, смесительных, параметрических, стабилитронов), усилительных и генераторных диодов (туннельных, лавинно-пролётных, диодов Ганна), транзисторов (биполярных и униполярных), тиристоров, оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных матриц), интегральных схем. К направлениям твердотельной Э. относятся также диэлектрическая электроника, изучающая электронные процессы в диэлектриках (в частности, в тонких диэлектрических плёнках) и их использование, например для создания диэлектрических диодов, конденсаторов; магнитоэлектроника, использующая магнитные свойства вещества для управления потоками электромагнитной энергии с помощью ферритовых вентилей, циркуляторов, фазовращателей и т. д. и для создания запоминающих устройств, в том числе на магнитных доменах; акустоэлектроника и пьезоэлектроника, рассматривающие вопросы распространения поверхностных и объёмных акустических волн и создаваемых ими переменных электрических полей в кристаллических материалах и взаимодействия этих полей с электронами в приборах с полупроводниково-пьезоэлектрической структурой (кварцевых стабилизаторах частоты, пьезоэлектрических фильтрах, ультразвуковых линиях задержки, акустоэлектронных усилителях и т. д.); криоэлектроника, исследующая изменения свойств твёрдого тела при глубоком охлаждении для построения малошумящих усилителей и генераторов СВЧ(сверхвысокие частоты), сверхбыстродействующих вычислительных и запоминающих устройств; разработка и изготовление резисторов.

Наиболее важные направления квантовой Э. - создание лазеров и мазеров . На основе приборов квантовой Э. строятся устройства для точного измерения расстояний (дальномеры ), квантовые стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптической многоканальной связи , дальней космической связи, радиоастрономии. Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии. Лазеры находят различное применение в биологии и медицине.

Э. находится в стадии интенсивного развития; для неё характерно появление новых областей и создание новых направлений в уже существующих областях.

Технология электронных приборов. Конструирование и изготовление электронных приборов базируются на использовании сочетания разнообразных свойств материалов и физико-химических процессов. Поэтому необходимо глубоко понимать используемые процессы и их влияние на свойства приборов, уметь точно управлять этими процессами. Исключительная важность физико-химических исследований и разработка научных основ технологии в Э. обусловлены, во-первых, зависимостью свойств электронных приборок от наличия примесей в материалах и веществ, сорбированных на поверхностях рабочих элементов приборов, а также от состава газа и степени разряжения среды, окружающей эти элементы; во-вторых, - зависимостью надёжности и долговечности электронных приборов от степени стабильности применяемых исходных материалов и управляемости технологии. Достижения технологии нередко дают толчок развитию новых направлений в Э. Общие для всех направлений Э. особенности технологии состоят в исключительно высоких (по сравнению с другими отраслями техники) требованиях, предъявляемых в электронной промышленности к свойствам используемых исходных материалов; степени защиты изделий от загрязнения в процессе производства; геометрической точности изготовления электронных приборов. С выполнением первого из этих требований связано создание многих материалов, обладающих сверхвысокими чистотой и совершенством структуры, с заранее заданными физико-химическими свойствами - специальных сплавов монокристаллов, керамики, стекол и др. Создание таких материалов и исследование их свойств составляют предмет специальной научно-технической дисциплины - электронного материаловедения. Одной из самых острых проблем технологии, связанных с выполнением второго требования, является борьба за уменьшение запылённости газовой среды, в которой проходят наиболее важные технологические процессы. В ряде случаев допустимая запылённость - не свыше трёх пылинок размером менее 1 мкм в 1 м 3 . О жёсткости требований к геометрической точности изготовления электронных приборов свидетельствуют, например, следующие цифры: в ряде случаев относительная погрешность размеров не должна превышать 0,001%; абсолютная точность размеров и взаимного расположения элементов интегральных схем достигает сотых долей мкм. Это требует создания новых, более совершенных методов обработки материалов, новых средств и методов контроля. Характерным для технологии в Э. является необходимость широкого использования новейших методов и средств: электроннолучевой, ультразвуковой и лазерной обработки и сварки, фотолитографии, электронной и рентгеновской литографии, электроискровой обработки, ионной имплантации, плазмохимии, молекулярной эпитаксии, электронной микроскопии, вакуумных установок, обеспечивающих давление остаточных газов до 10 -13 мм рт. ст. Сложность многих технологических процессов требует исключения субъективного влияния человека на процесс, что обусловливает актуальность проблемы автоматизации производства электронных приборов с применением ЭВМ(электронная вычислительная машина) наряду с общими задачами повышения производительности труда. Эти и другие специфические особенности технологии в Э. привели к необходимости создания нового направления в машиностроении - электронного машиностроения.

Перспективы развития Э. Одна из основных проблем, стоящих перед Э., связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путём создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10 -11 сек; увеличения степени интеграции на одном кристалле до миллиона транзисторов размером 1-2 мкм; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей (см. Оптоэлектроника ), сверхпроводников ; разработки запоминающих устройств ёмкостью несколько мегабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к микроЭВМ на одном кристалле); перехода от двумерной (планарной) технологии интегральных схем к трёхмерной (объёмной) и использования сочетания различных свойств твёрдого тела в одном устройстве; разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения , обладающего большей информативностью по сравнению с обычным; создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи; разработки мощных, с высоким кпд(коэффициент полезного действия), приборов СВЧ(сверхвысокие частоты) и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития Э. - проникновение её методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). По мере развития Э. и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения Э. во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль Э. в ускорении научно-технического прогресса.

Возникновению электроники предшествовало изобретение радио . Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах . Соответственно получила развитие вакуумная электроника . Её развитию способствовало также изобретение телевидения и радаров , которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны .

Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника , а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы .

Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров . Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки , а затем и микросхемы . Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры . В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи , а также различных беспроводных устройств, навигаторов , коммуникаторов , планшетов и т. п.

Основными вехами в развитии электроники можно считать:

изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников ,
изобретение Ли де Форестом лампового триода , первого усилительного элемента,
использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
развитие твердотельной электроники,
использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе , Шотки),
изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли , Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники.

Области электроники

Можно различать следующие области электроники:

физика (микромира, полупроводников, электромагнитных волн, магнетизма, электрического тока и др.) - область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами ,
бытовая электроника - бытовые электронные приборы и устройства , в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны. (Например телевизор, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита,.. и др.).
Энергетика - выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электроприборы высокой мощности (например электродвигатель , электрическая лампа , электростанция), электрическая система отопления , линия электропередачи .
Микроэлектроника - электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы :
- оптоэлектроника - устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов,
- аудио-видеотехника - устройства усиления и преобразования звука и видео изображений,
- цифровая микроэлектроника - устройства на микропроцессорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор , компьютер , цифровой телевизор , мобильный телефон , принтер , робот , панель управления промышленным оборудованием, средствами транспорта, и другие бытовые и промышленные устройства.

Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов .

Твердотельная электроника

История твердотельной электроники

Термин твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы - радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX века этот термин потерял своё значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.

Миниатюризация устройств

С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз - с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

Технология получения элементов

Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа.

Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией , а раздел электроники - микроэлектроникой.

Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/«дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.

Основные твердотельные приборы

Основные твердотельные активные приборы, используемые в электронных устройствах:

Диод - проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду. Разновидности: туннельный диод , лавинно-пролётный диод , диод Ганна , диод Шоттки и др.;
Биполярные транзисторы - транзисторы с двумя физическими p-n-переходами , ток Коллектор-Эмиттер которого управляется током База-Эмиттер;
Полевой транзистор - транзистор, ток Исток-Сток которого управляется Напряжением на p-n- или n-p-переходе Затвор-Сток или потенциалом на нём в транзисторах без физического перехода - с затвором, гальванически изолированным от канала Сток-Исток;
Диоды с управляемой проводимостью динисторы и тиристоры , используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды используемые как преобразователи э/м излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно;
Интегральная микросхема - комбинация активных и пассивных твердотельных элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемые как модуль, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.

Примеры использования

Примеры использования твердотельных приборов в электронике:

Умножитель напряжения на выпрямительном диоде;
Умножитель частоты на нелинейном диоде;
Эмиттерный повторитель (напряжения) на биполярном транзисторе;
Коллекторный усилитель (мощности) на биполярном транзисторе;
Эмулятор индуктивности на интегральных микросхемах, конденсаторах и резисторах;
Преобразователь входного сопротивления на полевом или биполярном транзисторе, на интегральной микросхеме операционного усилителя в аналоговой и цифровой микроэлектронике;
Генератор электрических сигналов на полевом диоде, диоде Шоттки, транзисторе или интегральной микросхеме в генераторах сигналов переменного тока;
Выпрямитель напряжения на выпрямительном диоде в цепях переменного электрического тока в разнообразных устройствах;
Источник стабильного напряжения на стабилитроне в стабилизаторах напряжения;
Источник стабильного напряжения на выпрямительном диоде в схемах смещения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора;
Светоизлучающий элемент в осветительном приборе на светодиоде ;
Светоизлучающий элемент в оптоэлектронике на светодиоде ;
Светоприёмный элемент в оптоэлектронике на фотодиоде ;
Светоприёмный элемент в солярных панелях солярных электростанций;
Усилитель мощности на биполярном или полевом транзисторе, на интегральной микросхеме, Усилитель мощности в выходных каскадах усилителей мощности сигналов, переменного и постоянного тока;
Логический элемент на транзисторе, диодах или на интегральной микросхеме цифровой электроники;
Ячейка памяти на одном или нескольких транзисторах в микросхемах памяти;
Усилитель высокой частоты на транзисторе;
Процессор цифровых сигналов на интегральной микросхеме цифрового микропроцессора;
Процессор аналоговых сигналов на тразисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях ;
Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах;
Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;
Электронный ключ в схемах коммутации сигналов на полевом транзисторе с изолированным затвором;
Электронный ключ в схемах с памятью на диоде Шоттки.

Основные различия аналоговой и цифровой электроники

Поскольку в аналоговых и цифровых схемах информация кодируется по-разному, у них отличаются и процессы обработки сигналов. Следует при этом заметить, что все операции, которые могут быть совершены над аналоговым сигналом (в частности, усиление, фильтрация, ограничение диапазона и т. п.) могут быть осуществлены и методами цифровой электроники и программного моделирования в микропроцессорах.

Основное различие аналоговой от цифровой электроники можно найти в наиболее характерных для той или иной электроники способах кодирования информации.

Аналоговая электроника использует простейшее пропорциональное одномерное кодирование - отражение физических параметров источника информации в аналогичные физические параметры электрического поля или напряжения (амплитуды в амплитуды, частоты в частоты, фазы в фазы и т. д.).

Цифровая электроника использует n-мерное кодирование физических параметров источника данных. Минимально в цифровой электронике используется двумерное кодирование: напряжение (ток) и моменты времени. Данная избыточность принята исключительно для гарантированной передачи данных с любым программируемым уровнем добавленных в устройстве шумов и искажений в исходный сигнал. В более сложных цифровых схемах используется методы программной микропроцессорной обработки информации. Методы цифровой передачи данных позволяют реально создавать физические каналы передачи данных абсолютно без потерь (без возрастания шумов и других искажений)

В физическом же смысле поведение всякой цифровой электронной схемы и всего устройства ничем не отличается от поведения аналогового электронного устройства или схемы и может быть описано теорией и правилами, описывающими функционирование аналоговых электронных устройств.

Шум

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы к воздействию шума , нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов . До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Шум является одним из ключевых факторов, влияющих на точность сигнала; в основном это шум, присутствующий в исходном сигнале, и помехи, вносимые при его передаче (см. Отношение сигнал-шум). Фундаментальные физические ограничения - к примеру, т. н. «дробовой » шум в компонентах - устанавливают пределы разрешения аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность обеспечивается использованием вспомогательных разрядов, характеризующих сигнал; их количество зависит от производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) .

Сложность разработки

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации . Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе . К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.

Типология схем

В настоящее время сложно найти такую электронную схему, которая была бы полностью аналоговой. Сейчас в аналоговых цепях используются цифровые или даже микропроцессорные технологии, позволяющие увеличить их производительность . Такая схема обычно называется не аналоговой или цифровой, а смешанной. В некоторых случаях провести чёткое разграничение между непрерывными и дискретными схемами сложно - в силу того, что как те, так и другие включают в свой состав элементы и линейного, и нелинейного характера. Примером может послужить, допустим, компаратор : получая на входе непрерывный диапазон напряжения, он в то же время выдает на выходе лишь один из двух возможных уровней сигнала , подобно цифровой схеме. Похожим образом перегруженный транзисторный усилитель может приобрести свойства контролируемого переключателя, также имеющего два уровня выходного сигнала.

Цифровые схемы

К цифровым относятся схемы, основанные на некотором количестве дискретных уровней напряжения. Они представляют собой наиболее типичную физическую реализацию булевой алгебры и составляют элементную основу всех цифровых компьютеров. Термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логическая схема» часто при этом рассматриваются как синонимичные. Для цифровых схем характерна, как правило, двоичная система с двумя уровнями напряжения, которые соответствуют логическому нулю и логической единице соответственно. Часто первый соотносится с низким напряжением, а вторая - с высоким, хотя встречаются и обратные варианты. Изучались также и тернарные логические схемы (то есть с тремя возможными состояниями), предпринимались попытки построения компьютеров на их основе. Помимо вычислительных машин, цифровые схемы составляют основу

Минский государственный высший

Авиационный колледж

Дудников И. Л.

АВИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ЧАСТЬ 1

Учебно-методическое пособие

ББК 39.52-051-04

И. Л. ДУДНИКОВ,

кандидат технических наук, доцент

Рецензент

А. Г. Клюев

кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭРЭО

Учебно-методическое пособие по курсу «Авиационная электроника» предназначено для студентов (курсантов) специальности 1-37 04 02 «Техническая эксплуатация авиационного оборудования» (специализация 1-37 04 02-01). В нем содержатся теоретические сведения по элементной базе электроники и схемотехники, список рекомендуемой литературы.

РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

Введение. Определение понятия «Электроника»

Электроника, это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов, работа которых основана на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц (электронов) в вакууме, газе или твердых кристаллических телах.

Электроника, особо тесно связанная с радиотехникой получила название радиоэлектроники (радиосвязь и телевидение).

Радиоэлектроника относиться к числу чрезвычайно быстро развивающихся отраслей науки, техники, народного хозяйства. Сложность электронной аппаратуры каждые 5 лет возрастает в 10 раз. Происходит непрерывная замена одних приборов другими, более совершенными. Раньше возможности электронных ламп казались совершенными, но появились полупроводниковые приборы с еще большими возможностями. То, что было недоступно электронным лампам (высокая механическая прочность, малогабаритность, долговечность) стало доступно полупроводниковым приборам.

Электроника находит все более широкое применение почти во всех областях науки и техники, что обусловлено высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью и небольшими габаритами электронных приборов.

1. Высокая чувствительность электронных устройств обеспечивается с помощью различных усилительных схем. Может быть достигнута чувствительность электронных устройств: по току 10 -17 А, по напряжению
10 -13 В и по мощности 10 -24 Вт.

2. Быстродействие определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с микроминиатюризацией элементов и устройств в целом.

3. Универсальность обусловлена возможностью преобразования всех видов энергии (механической, тепловой, световой, лучистой, звуковой, химической) в электрическую энергию, на изменении и преобразовании которой основано действие всех электронных схем.

Без электроники были бы невозможны применение авиации, космических кораблей и кибернетических устройств, космические и астрономические исследования, автоматизация научных исследований и производственных процессов, компьютерная техника, радиосвязь и телевидение, системы записи и воспроизведения информации и многие другие достижения современной науки и техники.

Электронные устройства широко используются в технике связи (радиовещание, телевидение); в измерительной технике; на транспорте (автомобильный, железнодорожный, водный транспорт); в медицине и биологии (исследовательская, диагностическая, лечебная аппаратура); в промышленности и сельском хозяйстве, т. е. почти во всех областях деятельности человека весьма широко и успешно применяются электронные устройства.

Область электроники, занимающаяся применением в промышленности, на транспорте и сельском хозяйстве различных электронных устройств, позволяющих осуществлять контроль, регулирование и управление производственными процессами называется промышленной электроникой.

Промышленная электроника немыслима вне радиотехники и радиоэлектроники, которые явились для нее исходным началом.

В промышленную электронику входят:

1. Информационная электроника, к которой относятся электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами.

2. Энергетическая электроника (преобразовательная техника), связанная с преобразованием вида электрического тока для целей электропривода, сварки, электрической тяги, электротермии и т. д.

3. Электронная технология – воздействие на вещество электронными лучами, плазмой.

В основе радиоэлектроники лежит величайшее открытие электромагнитного поля, связанное с именем выдающихся ученых: М. Фарадеем, открывшим закон электромагнитной индукции (1831 г.), Дж. Максвеллом, создавшим теорию электромагнитного поля (1865 г.), Г. Герцем, впервые экспериментально получившим электромагнитные волны (1887 г.).

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники и электронных устройств:

I поколение (1904 – 1950 гг.) – основную элементную базу электронных устройств составляли электровакуумные приборы.

II поколение (1950 – начало 60-х годов) – применение в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов.

III поколение электронных устройств (1960 – 1980 гг.) связано с развитием микроэлектроники. Основой элементной базы электронных устройств стали интегральные микросхемы и микросборки.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на основе применения БИС и СБИС.

Критерием научно-технического прогресса считается в настоящее время степень использования в различных областях человеческой деятельности электронной аппаратуры, позволяющей резко повысить производительность физического и умственного труда, улучшить технико-экономические показатели производства и комплексно решать такие задачи, которые нельзя разрешить другими средствами.

Элементная база – это отдельные детали или модули, представляющие собой предварительно собранные из отдельных деталей схемы неразъемных соединений. Элементную базу делят на три группы элементов:

Активные (транзисторы, электронные лампы);

Преобразующие (электронно-лучевые трубки);

Пассивные (резисторы, индуктивности, емкости, трансформаторы, дроссели).

Электроника (электронные технологии) - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями, основанная на электронной теории¹, и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации . На основе электроники электронная промышленность разрабатывает и производит электронные приборы, ЭВМ и широкий спектр других изделий, используемых во всех областях науки, техники и современной человеческой деятельности.

История возникновения и развития электроники

Предыстория - изобретение телефона, фонографа, кинематографа

Ко второй половине прошлого столетия относятся попытки создания телефона. С развитием теории электричества, в частности теории электромагнетизма, была создана научная база для его изобретения. Еще в 1837 г. американец Ч. Пейдус установил, что магнитная полоса может издавать звук, если ее подвергнуть быстрому перемагничиванию. В 1849—1854 гг. вице-инспектор Парижского телеграфа Шарль Бурсёль теоретически сформулировал принцип устройства телефонного аппарата. Первым образцом телефонного аппарата был прибор, сконструированный немецким физиком Филиппом Рейсом в 1861 г. (рис. 1).

Рис. 1. Телефон Рейса (1861 г.).

Телефон Рейса состоял из двух частей: передающего и приемного аппарата, действие которых было взаимосвязано. В передающем аппарате при передаче роисходило периодическое размыкание и замыкание цепи тока, чему в приемном аппарате соответствовало дрожание металлического стержня, воспроизводившего звук. С помощью аппарата Рейса можно было хорошо передавать музыку , но передача речи была затруднена.

В 1876 г. американский техник А. Белл (1847—1922) родом из Шотландии создал первую удовлетворительную конструкцию телефона. В этом же году он получил патент на его изобретение (рис. 2).

Рис. 2. Телефон А. Белла (1876 г.).

Однако телефонные трубки Белла могли хорошо передавать речь лишь на сравнительно небольшом расстоянии и, кроме того, обладали целым рядом других недостатков, делавших невозможным их практическое применение. К этому времени идея создания телефона распространилась очень широко. В США, например, было в 70-х годах взято свыше 30 патентов на телефонные аппараты. Так же обстояло дело и в Европе.

Над усовершенствованием телефона работали многие изобретатели. Наиболее существенные усовершенствования в телефон в 1878 г. независимо друг от друга внесли англичанин Д. Юз (1831—1900) и американец Т. Эдисон . Они изобрели важнейшую часть телефонного аппарата — микрофон. Микрофон Юза — Эдисона являлся только передатчиком, который воспринимал звуковые колебания и усиливал индуктивный ток в катушке телефона Белла. С изобретением микрофона стало возможно разговаривать на больших расстояниях, а звук в телефоне получался чище. Затем Эдисон предложил использовать в телефоне индукционную катушку. С введением ее в телефонный аппарат в основном закончилось его конструирование. Дальнейшая работа целого ряда изобретателей в различных странах сводилась к улучшению существующих конструкций.

Телефон в отличие от других новейших технических изобретений весьма быстро вошел в обиход почти во всех странах. Первая городская телефонная станция была введена в эксплуатацию в США в 1878 г. в Ныо-Гаване. В 1879 г. телефонные сети имелись уже в 20 городах в США. Первая телефонная станция в Париже была открыта в 1879 г., в Берлине—в 1881 г.

Пионером телефонии в России был инженер П. М. Голубицкий (1845—1911), внесший много существенных усовершенствований в конструкцию телефона. В 1878 г. Голубицкий построил первую серию многополюсных телефонов. Он доказал также возможность действия телефонов на расстоянии до 350 км.

В 1881 г. в России было учреждено Русское акционерное общество «для устройства и эксплуатации телефонных сообщений в различных городах Российской империи». Первые телефонные линии в России были построены в 1881 г. одновременно в пяти городах — Петербурге, Москве, Варшаве, Риге и Одессе. Интереснейшим изобретением этого периода явился фонограф— аппарат для записи и воспроизведения звука. Этот прибор, изобретенный в 1877 г. Эдисоном, обладал способностью сохранять, а затем в любое время воспроизводить и повторять записанные на нем звуковые колебания, вызванные ранее голосом человека, музыкальными инструментами и т. п. (рис. 3).

Рис. 3. Фонограф Т. А. Эдисона, (1877 г.)

Устройство и принцип действия фонографа сводятся к следующему. Звуковые колебания в фонографе передавались очень тонкой стеклянной или слюдяной пластинке, а при помощи прикрепленной к ней пишущей иглы (резца с сапфировым наконечником) переносились на поверхность вращающегося валика, обернутого оловянной фольгою или покрытого особым восковым слоем. Пишущая игла была связана с мембраной, воспринимающей или излучающей звуковые колебания. Ось валика фонографа имела резьбу, и поэтому при каждом обороте валик смещался вдоль оси вращения на одну и ту же величину. В результате этого пишущая игла на восковом слое выдавливала винтовую канавку. При движении по этой канавке игла и связанная с ней мембрана совершали механические колебания, воспроизводя записанные звуки. На основе фонографа затем возникли граммофон и другие приборы, применяемые при механической звукозаписи.

В 90-х годах XIX в. появляется кинематограф, совместивший в себе ряд изобретений и открытий, которые позволили осуществить основные процессы, необходимые для воспроизводства сфотографированного движения. Ближайшими предшественниками кинематографа, позволившими осуществить процесс кинематографирования, явились «аппарат для анализа стробоскопических явлений» русского изобретателя Тимченко (1893 г.), совмещавший проекцию на экран с прерывистой сменой изображений, хронофотограф французского физиолога Ж. Демени, сочетавший хронофотографию на пленке и проекцию на экран (1894 г.), а также созданный американским изобретателем У. Латамом в 1895 г. «паноптикум», соединивший хронофотографию с проекцией на экран, и другие изобретения.

Аппарат, в котором сочетались все основные элементы кинематографа, был впервые изобретен во Франции Луи Ж. Люмьером (1864— 1948). В 1895 г. он совместно со своим братом Огюстом разработал конструкцию киноаппарата для съемки. Люмьер назвал свое изобретение кинематографом. Опытная демонстрация фильма, заснятого на кинопленке с помощью этого аппарата, состоялась в марте 1895 г., а в декабре этого же года в Париже начал функционировать первый кинотеатр. В 90-е годы кинематограф появляется и в других странах, причем почти в каждой европейской стране был свой изобретатель этого аппарата. В Германии пионерами кинематографии были М. Складановский (1895 г.) и О. Местер (1896 г.); в Англии — Р. Поул (1896 г.); в России — А. Самарский (1896 г.) и И. Акимов (1896 г.); в США — Ф. Дженкинсон (1897 г.) и Т. Армат (1897 г.).

Одним из величайших открытий в области техники явилось изобретение радио. Честь его изобретения принадлежит великому русскому ученому А. С. Попову (1859—1906). Еще в 1886 г. немецкий ученый Г. Герц (1857—1894) впервые экспериментально доказал факт излучения электромагнитных волн. Он установил, что электромагнитные волны подчиняются тем же основным законам, что и световые волны. В конце 90-х годов Н. Тесла в Европе и Америке прочел ряд докладов, сопровождавшихся демонстрированием экспериментов . Он возбуждал длинные волны с помощью генераторов высокой частоты, зажигал лампы и посылал сигналы на расстояние. Тесла уверенно предсказывал возможность применения этих волн для телефонии и даже для передачи электрической энергии. Попов еще в 1889 г., работая в области исследования электромагнитных колебаний, впервые высказал мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние.

7 мая 1895 г. А С. Попов на заседании Русского физико-математического общества в Петербурге впервые продемонстрировал радиоприемник. В работе над повышением чувствительности приборов для обнаруживания электромагнитных колебаний Попов шел своим оригинальным путем. Он впервые применил антенну и, видя несовершенство вибраторов как источников электромагнитных волн, приспособил приемник для регистрации грозовых разрядов атмосферного электричества. Радиоприемник, изобретенный Поповым, был назван им грозоотметчиком (рис. 4).

Рис. 4. Радиоприемник А. С. Попова (1895 г.).

Устройство грозоотметчика сводилось к следующему: в цепь батареи включалась трубка с металлическими опилками и реле. В обычных условиях сила тока в обмотке реле была слабой, и якорь реле не притягивался. Но во время грозы грозовые разряды вызывали появление электромагнитных волн. Это приводило к тому, что сопротивление опилок в трубке падало и реле срабатывало, подключая электрический звонок, который и подавал сигнал о поступлении электромагнитных волн. Грозоотметчик Попова позволял принимать радиоволны на расстоянии нескольких километров. Доклад А. С. Попова в мае 1895 г. был через несколько месяцев полностью опубликован в январском выпуске «Журнала Русского физико-химического общества» под названием «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний». Затем этот доклад был напечатан в 1896 г. в журнале «Электричество» и в журнале «Метеорологический вестник». В результате многочисленных экспериментов 24 марта 1896 г. Попов осуществил первую в мире радиотелеграфную передачу. Его доклад в Физико-химическом обществе сопровождался работой грозоотметчика, который принимал телеграфные сигналы на расстоянии 250 м. В передаче были применены передающая и приемная антенны. В 1897 г. Попов устанавливает связь между кораблями «Африка» и «Европа» на расстоянии 5 км. А осенью 1899 г. при спасении наскочившего на камни броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» А. С. Попов установил постоянную радиотелеграфную связь на расстоянии более 46 км. А. С. Попов не опубликовал подробного отчета о своих опытах. Русское военное ведомство предложило засекретить эти работы. Через год после первого доклада Попова и через два месяца после его второго доклада, в 1897 г., итальянец Г. Маркони взял патент в Англии на прибор для телеграфирования без проводов. Из описания видно, что радиоприемник Маркони весьма близко воспроизводил грозоотметчик А. С. Попова. В 1897 г. в Англии было образовано специальное акционерное общество по эксплуатации изобретения Маркони. Судьба Попова и Маркони сложилась по-разному. В то время как Маркони, получив финансовую поддержку, смог развернуть в большом масштабе работы по усовершенствованию радиоаппаратуры, А. С. Попову пришлось работать в очень тяжелых условиях. Средств на усовершенствование его гениального изобретения отпускалось мало, а результаты работ в печати почти не освещались. Радиотехника, основы которой были заложены работами А. С. Попова, стала особенно быстро развиваться после первой мировой войны, во время которой радиосвязь становится важнейшей формой связи в армии и флоте. Радио получило широкое применение затем и для гражданских целей. Эти отрасли техники в рассматриваемый период не имели большого значения, но, несмотря на свою незначительную роль, они явились вершиной технического прогресса конца XIX — начала XX в. и стали отправными точками технического прогресса в современную эпоху.

Электроника зародилась в начале 20 в. после создания основ электродинамики (1856—73), исследования свойств термоэлектронной эмиссии (1882—1901), фотоэлектронной эмиссии (1887—1905), рентгеновских лучей (1895—97), открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), создания электронной теории (1892—1909). Развитие электроники началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904), трёхэлектродной лампы — триода (Л. де Форест, 1906); использования триода для генерирования электрических колебаний (немецкий инженер А. Мейснер, 1913); разработки мощных генераторных ламп с водяным охлаждением (М. А. Бонч-Бруевич, 1919—25) для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания.

Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал А. Г. Столетов, 1888; промышленные образцы — немецкие учёные Ю. Эльстер и Г. Хейтель, 1910); фотоэлектронные умножители — однокаскадные (П. В. Тимофеев, 1928) и многокаскадные (Л. А. Кубецкий, 1930) — позволили создать звуковое кино, послужили основой для разработки передающих телевизионных трубок: видикона (идея предложена в 1925 А. А. Чернышевым), иконоскопа (С. И. Катаев и независимо от него В. К. Зворыкин, 1931—32), супериконоскопа (П. В. Тимофеев, П. В. Шмаков, 1933), суперортикона (двухсторонняя мишень для такой трубки была предложена советским учёным Г. В. Брауде в 1939; впервые суперортикон описан американскими учёными А. Розе, П. Веймером и Х. Лоу в 1946) и др.

Создание многорезонаторного магнетрона (Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров, под руководством М. А. Бонч-Бруевича, 1936—37), отражательного клистрона (Н. Д. Девятков и другие и независимо от них советский инженер В. Ф. Коваленко, 1940) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн; пролётные клистроны (идея предложена в 1932 Д. А. Рожанским, развита в 1935 советским физиком А. Н. Арсеньевой и немецким физиком О. Хайлем, реализована в 1938 американскими физиками Р. и 3. Варианами и др.) и лампы бегущей волны (американский учёный Р. Компфнер, 1943) обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем космической связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы), например ртутные вентили, используемые главным образом для преобразования переменного тока в постоянный в мощных промышленных установках; тиратроны для формирования мощных импульсов электрического тока в устройствах импульсной техники; газоразрядные источники света.

Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприёмных устройств (1900—05), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920—1926), изобретение кристадина (О. В. Лосев, 1922), изобретение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948) определили становление и развитие полупроводниковой электроники. Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50 — начало 60-х гг.) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления в электроники — микроэлектроники (интегральной электроники). Основные разработки в области интегральной электроники направлены на создание интегральных схем — микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ, электронных запоминающих устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных приборов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм 2 . Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, переработка информации, совершенствование вычислительной техники и др., выдвигаемых развитием современного общественного производства . Создание квантовых генераторов (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, 1955) — приборов квантовой электроники — определило качественно новые возможности электроники, связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты.

Советские учёные внесли крупный вклад в развитие электроники. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных приборов выполнили М. А. Бонч-Бруевич, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, С. А. Векшинский, А. А. Чернышев, М. М. Богословский и многие др.; по проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, излучения, распространения и приёма радиоволн, их взаимодействия с носителями тока в вакууме, газах и твёрдых телах — Б. А. Введенский, В. Д. Калмыков, А. Л. Минц, А. А. Расплетин , М. В. Шулейкин и др.; в области физики полупроводников — ; люминесценции и по другим разделам физической оптики — С. И. Вавилов; квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах — И. Е. Тамм и многие др.

Электронные науки и технологии

Электроника опирается на многие разделы физики — электродинамику, классическую и квантовую механику , физику твёрдого тела, оптику, термодинамику, а также на химию , кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, электроника, с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой — создаёт новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования.

Электроника - наука о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии. Наиболее характерные виды преобразований электромагнитной энергии - генерирование, усиление и приём электромагнитных колебаний с частотой до 10 12 гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (10 12 - 10 20 гц). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона — наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решётки.

Прикладные задачи электроники: разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные функции в системах преобразования и передачи информации, в системах управления, в вычислительной технике, а также в энергетических устройствах; разработка научных основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей электронные и ионные процессы и приборы для различных областей науки и техники.

Электроника сыграла ведущую роль в научно-технической революции . Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствовала успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда , улучшению экономических показателей производства. На основе достижений электроники развивается , выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и многих других.

Электроника включает в себя 3 области исследований :

Каждая область подразделяется на ряд разделов и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данной области. Направление охватывает методы конструирования и расчётов электронных приборов, родственных по принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления этих приборов. Электроника находится в стадии интенсивного развития, для неё характерно появление новых областей и создание новых направлений в уже существующих областях.

Технология электронных приборов . Конструирование и изготовление электронных приборов базируются на использовании сочетания разнообразных свойств материалов и физико-химических процессов. Поэтому необходимо глубоко понимать используемые процессы и их влияние на свойства приборов, уметь точно управлять этими процессами. Исключительная важность физико-химических исследований и разработка научных основ технологии в электронике обусловлены, во-первых, зависимостью свойств электронных приборок от наличия примесей в материалах и веществ, сорбированных на поверхностях рабочих элементов приборов, а также от состава газа и степени разряжения среды, окружающей эти элементы; во-вторых, — зависимостью надёжности и долговечности электронных приборов от степени стабильности применяемых исходных материалов и управляемости технологии. Достижения технологии нередко дают толчок развитию новых направлений в электронике. Общие для всех направлений электроники особенности технологии состоят в исключительно высоких (по сравнению с другими отраслями техники) требованиях, предъявляемых в электронной промышленности к свойствам используемых исходных материалов; степени защиты изделий от загрязнения в процессе производства; геометрической точности изготовления электронных приборов. С выполнением первого из этих требований связано создание многих материалов, обладающих сверхвысокими чистотой и совершенством структуры, с заранее заданными физико-химическими свойствами — специальных сплавов монокристаллов, керамики, стекол и др. Создание таких материалов и исследование их свойств составляют предмет специальной научно-технической дисциплины — электронного материаловедения . Одной из самых острых проблем технологии, связанных с выполнением второго требования, является борьба за уменьшение запылённости газовой среды, в которой проходят наиболее важные технологические процессы. В ряде случаев допустимая запылённость — не свыше трёх пылинок размером менее 1 мкм в 1 м 3 . О жёсткости требований к геометрической точности изготовления электронных приборов свидетельствуют, например, следующие цифры: в ряде случаев относительная погрешность размеров не должна превышать 0,001%; абсолютная точность размеров и взаимного расположения элементов интегральных схем достигает сотых долей мкм. Это требует создания новых, более совершенных методов обработки материалов, новых средств и методов контроля. Характерным для технологии в электронике является необходимость широкого использования новейших методов и средств: электроннолучевой, ультразвуковой и лазерной обработки и сварки, фотолитографии, электронной и рентгеновской литографии, электроискровой обработки, ионной имплантации, плазмохимии, молекулярной эпитаксии, электронной микроскопии, вакуумных установок, обеспечивающих давление остаточных газов до 10-13 мм рт. ст. Сложность многих технологических процессов требует исключения субъективного влияния человека на процесс, что обусловливает актуальность проблемы автоматизации производства электронных приборов с применением ЭВМ. Эти и другие специфические особенности технологии в электронике привели к необходимости создания нового направления в машиностроении — электронного машиностроения.

Перспективы развития электроники . Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, была связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема была решена путём создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10 -11 сек; увеличения степени интеграции на одном кристалле более миллиона транзисторов размером менее 1 мкм; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей, сверхпроводников; разработки запоминающих устройств ёмкостью несколько гигагабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем; перехода от двумерной (планарной) технологии интегральных схем к трёхмерной (объёмной) и использования сочетания различных свойств твёрдого тела в одном устройстве; разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения, обладающего большей информативностью по сравнению с обычным; создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи; разработки мощных, с высоким кпд, приборов СВЧ и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития электроники — проникновение её методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). По мере развития электроники и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения электроники во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль электроники в ускорении научно-технического прогресса.

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.