Основные этапы развития электроники

Вакуумная электроника. Фундаментальный этап в развитии электроники, как уже было замечено выше, начался с изобретения вакуумной лампы.

Рисунок 8. Электронная (вакуумная) лампа

Вакуумная электроника динамично развивалась первую половину ХХ века. Основной идеей электронных приборов тогда был вакуумный диод и его модификации (триод, пентод).

Суть работы вакуумных элементов очень проста: из катода с помощью термоэлектронной эмиссии электроны испускаются и под действием поля попадают на анод. Между катодом и анодом располагают один или несколько управляющих электродов (сеток). Таким образом, потоком электронов можно управлять. Пример вакуумного триода представлен на рисунке:

Вакуумные лампы имели (и имеют до сих пор) как преимущества, так и недостатки. К достоинствам можно отнести работу на высоких мощностях. К недостаткам – большие габариты и относительно короткий срок службы (несколько месяцев). Озабоченные этой идеей инженеры стали искать варианты создания подобных приборов, обладающих долговечностью и малыми габаритами.

Дискретная (твердотелая) электроника. Конечно, решение было найдено. В 1947 году будущие нобелевские лауреаты Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели первый в мире транзистор.

Рисунок 9. Транзистор 1947 года

Он совершенно не был похож на современные транзисторы. Идея его работы не отличалась оригинальностью за исключением одной существенной детали: электроны в транзисторе двигались не в вакууме, а в твердом теле (полупроводнике). И это был прорыв электроники. С 23 декабря 1947 года начался этап дискретной электроники. Кремниевые полупроводниковые приборы стали гигантским шагом вперед, за которым последовал еще один:

Микроэлектроника. В 1959 году Джек Килби и Роберт Нойс, озадаченные относительно большими размерами дискретных элементов, создали интегральную микросхему.

Ее принцип работы очень прост: на поверхности или в объеме полупроводника создается целая электрическая цепь. Резисторы, конденсаторы и транзисторы «сидели» на куске кремния. Их размеры постоянно уменьшались, а это приводило к тому, что на квадратном сантиметре полупроводника помещалось все больше и больше элементов.

Рисунок 10. Интегральные микросхемы

Степень интеграции K = lg N (N - число элементов) за 50 лет достигла фантастических пределов. Появилась микропроцессорная техника, компьютеры и множество других полезных устройств. В настоящее время степень интеграции достигла миллиардов элементов на кристалле полупроводника. В настоящее время электроника движется по пути уменьшения геометрических размеров и увеличения быстродействия приборов. Поэтому, забегая в будущее, можно выделить еще два возможных этапа развития электроники: наноэлектроника и функциональная электроника.

Наноэлектроника. Наноэлектроника – направление электроники, имеющее дело с активными и пассивными элементами, геометрические размеры которых составляют единицы нанометров.

Задача наноэлектроники вполне ясна: поиск материалов и физических явлений, которые дали бы возможность создать современные электронные приборы. Подчеркнем – материалов и явлений. В этом и есть принципиальное отличие «нано» от «микро». Уменьшая размеры компонентов до атомных, мы сталкиваемся с некоторой проблемой. Дело в том, что при длине канала в 8 нанометров в транзисторе невозможен перенос заряда, то есть транзистор как таковой перестает выполнять свои функции. В этой связи существует некий физический предел развития габаритов, а также быстродействия, электронных компонентов. Наноэлектроника задается целью найти такие материалы, в которых реализовывались бы свойства электронных компонентов или даже устройств на атомном уровне.

Существует множество направлений, в которых развивается наноэлектроника. Среди них можно выделить несколько наиболее распространенных, хорошо изученных и популярных:

1) Сверхрешетки. В отличие от любой другой решетки, сверхрешетка - это кристаллическая структура, обладающая дополнительным кристаллическим потенциалом.

2) Изучение и создание структур из атомов углерода. Первые открытия в этой области состоялись еще в 1991 году. В это время были получены Фуллерены, структуры из 60-ти и более атомов углерода, объединенные в симметричные гексагональные структуры. В свою очередь эти гексагональные структуры образовывают шаровидную поверхность, размерами в единицы нанометров. Суть открытия состоит в том, что, объединив эти шаровидные поверхности в некую «цепочку», можно получить поразительные свойства.

Рисунок 11. Фуллерен C60.

Нанотрубки (углеродные нанотрубки) своему составу – это свернутый «ковер» из графена. Если умудриться снабдить трубку выводами, в результате можно получить рабочий добротный транзистор. В таких трубках была открыта сверхпроводимость.

Рисунок 12. Нанотрубки

Графен – напоминает слой ткани. Это действительно слой атомов углерода (толщиной всего в один атом) размерами 50 на 50 атомов. В настоящее время графен получают постепенно соскребая графит со стержня карандаша (утрированный пример, но он не далек от истины, поскольку пока еще нет действительно развитого производства графена). Каким бы ни был замечательным, графен ставит перед инженерами сложнейшие задачи. Первостепенная – найти инструменты, с помощью которых можно было бы легировать этот материал, изменять расстояние между атомами и так далее. Это довольно сложно, но уже есть некоторые идеи устройств, с помощью которых можно работать с графеном.

3) Магнитные полупроводники. С полупроводниками, обладающими магнитными свойствами работает Спинтроника. Вся идея заключается в том, чтобы в качестве логического нуля и единицы использовать две поляризации волны де Бройля (или более привычные «спин вверх», «спин вниз»). Такие элементы будут работать в два раза быстрее, ведь раньше для нуля и единицы требовалось несколько электронов. А в спинтронике всего один. Но у него два возможных спина.

4) Молекулярная электроника. Задача этого направления состоит в поиске молекул, которые обладали бы диэлектрическими, магнитными, полупроводниковыми или иными свойствами. В настоящее время найдено уже около ста тысяч таких молекул. В 2015 известная фирма Intel анонсировала выпуск устройства, работающего по принципу взаимодействия таких молекул.

Все эти примеры показывают, что развитие наноэлектроники началось довольно давно. Есть удачные попытки реализации идей ученых, но массовое распространение наноэлектронные приборы и устройства вряд ли получать в ближайшие 20 ÷ 30 лет.

Функциональная электроника и причины развития интегральной электроники

Впервые о функциональной электронике стали упоминать в начале 80-х годов прошлого столетия. Уже тогда было совершенно ясно, что для дальнейшего развития аппаратуры и электронных устройств необходимы принципиально новые подходы к микроэлектронным компонентам.

Задачей функциональной электроники является поиск явлений в телах, которые бы при внешнем воздействии выполняли определенную функцию. Иными словами, нужно найти кусок материала, который при пропускании через него тока, имел свойства биполярного или МДП-транзистора.

Функциональная электроника уже породила несколько отдельных областей: спино-волновую электронику, акустоэлектронику и электронику, специализирующуюся на ПЗС (приборах с зарядовой связью). Каждая из этих областей предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. Для хранения и передачи информации используются специфические носители - волны пространственного заряда в плазме, спиновые волны в ферритовых пленках, акустические волны в пьезоэлектриках и так далее.

Конечно, любое развитие, в том числе и электроники, стимулируется несколькими причинами, сформулированными ниже:

1. Миниатюризацией электронной аппаратуры

2. Повышением долговечности и надежности аппаратуры

3. Увеличением быстродействия

4. Уменьшением энергопотребления

5. Расширением функциональных возможностей за счет увеличения числа элементов

6. Уменьшением себестоимости.

Дата добавления: 2014-01-03