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.
Рекомендованная литература
Алферов А. В., Резник И. С., Шорин В. Г., Оргатехника, М., 1973.
Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960;
Кушманов И. В., Васильев Н. Н., Леонтъев А. Г., Электронные приборы, М., 1973.
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.
Лицензионное соглашение.
Данную книгу разрешается копировать, размножать и печатать, если это делается на некоммерческой основе и не извлекается выгода. В случае её коммерческого применения, например, если Вы хотите продавать, сдавать в прокат, аренду всю книгу «Электронная техника» или любую её часть, то на это требуется согласие её автора (Москатова Евгения Анатольевича) за гонорар. Перек омпоновка книги з апрещается. Запрещается изменять содержимое книги, удалять сведения об авторстве. Книга распространяется “как есть”, то есть её автор не несёт ответственности за возможный ущерб, упущенную выгоду и прочее. В случае некоммерческой публикации (например, на сервере бесплатных материалов) следует поставить автора в известность, а также явно указать авторство и источник, с которого произведена публикация.
Материал, изложенный в книге, разбит на следующие разделы и темы.
Раздел 1. Электронно-дырочные и металлополупроводниковые переходы
Тема 1. Движение электронов в электрических и магнитных полях
1) Движение электронов в ускоряющем электрическом поле
2) Движение электрона в тормозящем электрическом поле
3) Движение электрона в поперечном электрическом поле
4) Движение электрона в магнитных полях
5) Зонная энергетическая диаграмма
Тема 2. Электропроводность полупроводников
1) Собственная проводимость полупроводников
2) Примесная проводимость полупроводников
3) Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
Тема 3. Электронно-дырочный (p-n) переход
1) Образование электронно-дырочного перехода
2) Прямое и обратное включение p-n перехода
3) Свойства p-n перехода
Тема 4. Переход Шоттки
1) Образование перехода Шоттки
2) Прямое и обратное включение диодов Шоттки
Тема 5. Некоторые эффекты полупроводника
1) Тоннельный эффект
2) Эффект Гана
3) Эффект Холла
Раздел 2. Полупроводниковые приборы
Тема 6. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов
1) Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов
2) Конструкция полупроводниковых диодов
3) Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов
Тема 7. Выпрямительные диоды
1) Общая характеристика выпрямительных диодов
2) Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей
Тема 8. Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды
1) Стабилитроны
2) Варикапы
3) Фотодиоды
4) Светодиоды
Тема 9. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды
1) Импульсные диоды
2) Диоды ВЧ
3) СВЧ диоды
Раздел 3. Биполярные транзисторы
Тема 10. Устройство, классификация и принцип действия биполярных транзисторов
1) Классификация и маркировка транзисторов
2) Устройство биполярных транзисторов
3) Принцип действия биполярных транзисторов
Тема 11. Схемы включения биполярных транзисторов
1) Схема включения с общей базой ОБ
2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ
3) Схема включения с общим коллектором ОК
4) Усилительные свойства биполярного транзистора
Тема 12. Статические характеристики транзисторов
1) Статические характеристики транзистора по схеме ОБ
2) Статические характеристики транзистора по схеме ОЭ
Тема 13. Динамический режим работы транзистора
1) Понятие о динамическом режиме
2) Динамические характеристики и понятие рабочей точки
3) Ключевой режим работы транзистора
Тема 14. Эквивалентная схема транзистора
1) Эквивалентная схема транзистора с ОБ
2) Эквивалентная схема транзистора с ОЭ
3) Эквивалентная схема транзистора с ОК
4) Транзистор как активный четырёхполюсник
Тема 15. Система h-параметров транзистора. Y-параметры
1) h-параметры и их физический смысл
2) Определение h-параметров по статическим характеристикам
3) Y-параметры транзисторов
Тема 16. Температурные и частотные свойства транзисторов. Фототранзисторы
1) Температурное свойство транзисторов
2) Частотное свойство транзисторов
3) Фототранзисторы
Раздел 4. Полевые транзисторы
Тема 17. Представление о полевых транзисторах
1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом
2) Характеристики и параметры полевых транзисторов
3) Полевые транзисторы с изолированным затвором
4) Полевые транзисторы для ИМС, репрограммирующих постоянных запоминающих устройств (РПЗУ)
Раздел 5. Тиристоры
1) Устройство и принцип действия динисторов
2) Основные параметры тиристоров
3) Тринисторы
4) Понятие о симисторах
Раздел 6. Электровакуумные приборы
Тема 18. Электровакуумный диод
1) Электровакуумный диод, устройство и принцип действия электровакуумного диода
2) ВАХ и основные параметры электровакуумного диода
Тема 19. Триод
1) Устройство и принцип действия триода
2) ВАХ и основные параметры триода
Тема 20. Тетрод
1) Устройство и схема включения тетрода
2) Динатронный эффект
3) Лучевой тетрод
Тема 21. Пентод
Раздел 7. Цифровая микросхемотехника
Тема 22. Основы микроэлектроники
1) Классификация и УГО интегральных микросхем (ИМС)
2) Элементы и компоненты гибридных ИМС (ГИС)
3) Элементы и компоненты полупроводниковых ИМС
Раздел 8. Булева алгебра
Тема 23. Простейшие логические функции и логические элементы
1) Логические функции и их реализация
2) Схемотехника простейших логических элементов
3) Характеристики и параметры цифровых ИМС
Тема 24. Транзисторно-транзисторная логика
1) Основные типы логики и понятие о многоэмиттерном транзисторе
2) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) с простым инвертором
3) ТТЛ со сложным инвертором
Тема 25. Логические элементы ТТЛ со специальными выводами
1) ТТЛ с открытым коллектором
2) ТТЛ с Z-состоянием
3) ТТЛШ
4) Оптоэлектронные ИМС
Тема 26. Логические элементы на полевых транзисторах МОП – структуры
1) Ключи на МОП – транзисторах
2) Комплементарная МОП - пара (КМОП)
3) Реализация функции И-НЕ в КМОП – логике
4) Реализация функции ИЛИ-НЕ в КМОП – логике
Тема 27. Эмиттерно-связная логика
1) Реализация функций ИЛИ и ИЛИ-НЕ в эмиттерно-связной логике (ЭСЛ)
2) Источник опорного напряжения
3) Базовый элемент ЭСЛ серии К500
Раздел 9. Аналоговые электронные устройства
Тема 28. Классификация и основные технические показатели усилителей
1) Классификация усилителей
2) Основные технические показатели усилителей
3) Характеристики усилителей
Тема 29. Питание цепи базы транзисторов и температурная стабилизация рабочей точки
1) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным током базы
2) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы
3) Температурная стабилизация (термостабилизация) рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода
4) Термостабилизация рабочей точки при помощи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению
5) Термостабилизация рабочей точки при помощи ООС по постоянному току
Тема 30. Обратная связь в усилителе
1) Виды обратной связи
2) Влияние ООС на основные показатели усилителя
Тема 31. Режимы работы усилительных элементов
1) Понятие о проходной динамической характеристике
2) Режим работы класса А
3) Режим работы класса В
4) Режим работы класса АВ
5) Режим работы класса С
6) Режим работы класса D
Тема 32. Межкаскадные связи в усилителях
1) Виды межкаскадных связей
2) Эквивалентная схема усилительного каскада с резисторно - ёмкостными связями
3) Анализ эквивалентной схемы на низких, средних и высоких частотах
Тема 33. Выходные каскады усиления
1) Однотактный выходной трансформаторный каскад
2) Двухтактный выходной трансформаторный каскад
3) Двухтактный выходной бестрансформаторный каскад
Тема 34. Усилители постоянного тока с непосредственными связями
1) Усилители постоянного тока с непосредственными связями
2) Дифференциальный каскад УПТ
Тема 35. Операционные усилители
1) Классификация и основные параметры операционных усилителей (ОУ)
2) Схемы включения ОУ
Раздел 10. Устройства отображения информации
Тема 36. Электронно-лучевые трубки и кинескопы
1) Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением
2) ЭЛТ с электромагнитным управлением
3) Кинескопы
4) Цветные кинескопы
Тема 37. Индикаторы
1) Буквенно-цифровые индикаторы
2) Матричные индикаторы
3) Вакуумные электролюминесцентные индикаторы
4) Жидкокристаллические индикаторы
Заключение
Приложение
Решение типовых задач по курсу "Электронная техника"
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.
© МГВАК, 2011
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).
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.
