"Элементы электронной техники"

Основные этапы развития электроники.

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с расширением масштабов применения радиотехнических систем и систем телекоммуникаций. Составной частью этих систем является радиоэлектронная аппаратура (РЭА), тоже содержащая огромное количество радиокомпонентов, для изготовления которых используются современные радиоматериалы. Повышение эффективности систем и улучшение параметров РЭА невозможно без совершенствования элементной базы РЭА, разработки и освоения новых радиоматериалов. Именно радиоматериалы и радиокомпоненты стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей РЭА.

Весь арсенал средств, которым располагает современная электроника, был создан всего за несколько десятилетий. Еще в начале XX века человечество обходилось без радио, до середины XX века не существовало телевидения, не было электронно-вычислительных машин. Все огромное здание современной электроники строилось усилиями многих изобретательных и талантливых умов.

Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 году Д. Флеминг изобрел двухэлектродную лампу (диод) с накаленным катодом. В диоде использовалась термоэлектронная эмиссия, открытая в 1884 году Т. Эдисоном, сущность которой он, не зная об электронах, не мог объяснить. Диод это уже электроника. Он был создан для конкретных технических нужд, а именно для детектирования высокочастотных колебаний.

В 1907 году Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку, лампа стала трехэлектродной, появилась возможность управлять током, протекающим в лампе между катодом и анодом, что позволило решить проблему усиления электрических сигналов. К середине 30-х годов ламповая электроника была в основном сформирована.

Другим направлением в развитии электроники в 30-е годы было создание специальных электронных приборов для сверхвысоких частот (СВЧ). В 1939 году построены первые приборы для усиления и генерирования колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 году изобретен более простой отражательный клистрон. В годах сконструированы вакуумные триоды с плоскими дисковыми электродами, нашедшие применение в СВЧ-диапазоне. В эти же годы для генерирования мощных СВЧ-колебаний разрабатываются магнетроны

Роль материалов в развитии элементной базы электронной техники

В течение 30-х годов и позже интенсивно развивалась полупроводниковая электроника. Ученые исследовали физические процессы в полупроводниках, влияние примесей на эти процессы, термоэлектрические и фотоэлектрические свойства полупроводников, выпрямление переменного тока полупроводниковыми приборами. Была разработана квантовая теория полупроводников, введено понятие подвижности свободных мест кристаллической решетки полупроводника, получивших впоследствии название дырок, создана теория генерации пар «электрон-дырка». Была экспериментально подтверждена теория полупроводников, созданная школой советского академика А. Ф. Иоффе.

Повышение эффективности и надежности работы электронной аппаратуры, основные направления её миниатюризации

Изобретателями транзистора в 1948 г. являются Д. Бардин, У. Браттайн и У. Шокли. С изобретением транзистора начался новый этап в развитии радиоэлектроники этап микроминиатюризации РЭА. Применение транзисторов вместо ламп позволило существенно сократить размеры радиокомпонентов, уменьшить массу и объем РЭА и, что не менее важно, снизить потребление электроэнергии и повысить надежность аппаратуры.

Развитие транзисторной электроники, совершенствование технологии изготовления транзисторов привели к возникновению нового направления в электронике -микроэлектроники. В 60-х годах были созданы интегральные схемы (ИС), в которых все элементы разрабатываются в едином технологическом процессе, нераздельно связаны и электрически соединены между собой как единое целое, что позволило резко повысить надежность РЭА, еще более уменьшить габариты и массу РЭА, повысить экономичность.

Соотношение между дискретными и интегральными компонентами

Интегральные схемы в середине 60-х годов содержали до 100 элементов на полупроводниковом кристалле при размере элементов около 100 мкм. В начале 70-х годов появились большие интегральные схемы (БИС), содержавшие на кристалле от 100 до 10 4 элементов при размере элементов от 3 до 100 мкм. В конце 70-х годов созданы сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие от 10 4 до 10 6 элементов на кристалле при размере элементов от 1 до 3 мкм. Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к освоению субмикронных размеров элементов микросхем. Исследования показали, что пределом уменьшения размеров элементов является значение 0,2 мкм. Однако достижение таких размеров связано с преодолением определенных технологических трудностей. Иначе говоря, существуют физические пределы развития интегральной микроэлектроники.

Параллельно с интегральной микроэлектроникой в 80-е годы развивалась функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т. д.), базируясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В функциональной электронике используются такие механизмы, как оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника) и ряд других. Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления наноэлектроники. В начале 90-х годов были созданы микроскопы, позволяющие не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Нанотехнологии позволяют, последовательно размещая нужные атомы и атомные структуры в четком порядке и в точно определенном месте, конструировать такие технологические диковинки, которым пока еще и название не придумали. Сейчас разработки в области нанотехнологий ведутся во многих странах.

Вопросы для самопроверки:

1. В каком году появилось первое электронное устройство, позволяющее управлять силой тока, и как оно называлось?

2. В каком году появился первый транзистор? Каковы его функции?

3. Какой предельный размер элемента в микросхеме достигнут на данный момент времени и чем он обусловлен?

4. Что следует понимать под традиционной микроэлектроникой?

5. Ваше понимание термина «функциональная микроэлектроника»?

6. Как развитие элементной базы связано с технологией материалов?

7. Что общего и в чём разница между ИС, БИС, СБИС?

8. Что следует понимать под степенью интеграции ИМС?

9. Что следует понимать под элементной и технологической интеграцией?

10. Каковы возможности нанотехнологии и как это связано с перспективами развития наноэлектроники?

Проверь себя пройди тест

Домашнее задание:

- Познакомиться с данной темой. Ответить устно на вопросы в конце параграфа.