Введение. История развития электроники

Электроника представляет собой бурно развивающуюся отрасль науки и техники, изучающая физические принципы работы и вопросы применения различных электронных приборов в радиотехнике. Именно применение электронных приборов позволяет построить устройства, обладающие полезными для практических целей функциями – усиление электрических сигналов, передачу и прием информации, измерение параметров и т.д.

Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно–технических проблем: повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования, совершенствованию процессов сбора и обработки информации и т.д. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается, в свою очередь, на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит задачи перед другими областями науки, стимулируя их дальнейшее развитие, и, с другой стороны, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Сегодня электроника помогает быстрее считать, лучше планировать, точнее управлять различными технологическими процессами.

Электроника появилась в результате поиска способов использования электрических явлений для передачи информации. Возможности по реализации теоретических и практических изысканий в этом направлении открылись после изобретения итальянским физиком А. Вольтой электрохимического источника тока (1799 г.). Уже в 1809 г. немецкий врач С. Т. Земмеринг, опираясь на труды А. Вольта, построил первое в мире электронное устройство – телеграф. В 1832 г. русский электротехник и ученый П. Л. Шиллинг продемонстрировал действие первого электромагнитного телеграфа. На основе исследований Фарадея, Дж. Максвелла и опыты Г. Герца, А. С. Попов создал устройство для регистрации электромагнитных волн и им 7 мая 1895 г. была проведена демонстрация первого в мире радиоприемного устройства. Большой вклад в развитие и пропаганде радиоприемных устройств внес итальянский инженер Г. Маркони, который за свои работы в 1909 г. получил Нобелевскую премию по физике. Благодаря изобретению радио, радиосистемы стали широко использоваться для передачи информации, что привело к необходимости создания чувствительных индикаторов электрических колебаний и устройств для их усиления – электронных приборов.

В 1904 г. английский ученый Д. Э. Флеминг, используя разработки А. Н. Лодыгина и Т. А. Эдисона – изобретателей электрической лампочки, изготовил первую электронную лампу – электровакуумный диод, обладающей свойством односторонней проводимостью. Основными частями диода являются два металлических электрода - анод и катод, находящиеся в вакууме. С изобретения электровакуумного диода начинается история современной электроники.

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест, поместив между катодом и анодом электровакуумного диода металлическую сетку, разработал трехэлектродную вакуумную лампу – триод. Ее свойства как прибора для усиления и генерирования высокочастотных колебаний обусловили быстрое развитие радиосвязи. В России первые усилительные радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт–Петербурге Н. Д Папалекси. В создание электронных ламп и организации их производство в России большой вклад внес М. А. Бонч – Бруевич, руководитель Нижегородской радиолаборатории. В марте 1919 года в Нижегородской радиолаборатории началось серийное производство электровакуумных ламп. В 1920 году М. А. Бонч–Бруевич закончил разработку первых в мире мощных генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением. В 20-30е годы были созданы четырехэлектродные лампы–тетроды (1926г), пятиэлектродные лампы(1930) – пентоды. Были разработаны электровакуумные приборы с новыми принципами управления электронными потоками - многорезонаторные магнетроны(1938г), клистроны(1942г), и др. Такие приборы могли генерировать и усиливать колебания очень высоких частот, включая миллиметровый диапазон волн. Эти достижения электровакуумной техники дали сильный толчок развитию радиотехники и обусловили появление таких ее отраслей как радионавигация, радиолокация, импульсная многоканальная связь и т.д.

Электровакуумные приборы, обладая достаточно высокими качественными показателями, имеют существенные недостатки: большие габариты, большую потребляемую мощность и малый срок работы. Эти недостатки серьезно мешают изготовлению сложных многофункциональных устройств.

Одновременно с развитием электровакуумных приборов, проводилась интенсивная исследовательская работа по созданию полупроводниковых электронных приборов. Были разработаны кристаллические полупроводниковые детекторы для радиоприемных устройств (1900-1905 г.г.), созданы купроксные и селеновые выпрямители тока и фотоэлементы (1920-1926 г.г.). Советским физиком О.В. Лосевым изобретен детекторный приемник кристадин (1922 г.), в котором можно было не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, что позволило значительно увеличить дальность приема. В 1938 г. Н. Мотт в Англии, А.С. Давыдов в СССР, В. Шоттки в Германии независимо друг от друга сформулировали теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. Существенные результаты в этом направлении были получены американскими исследователями Дж. Бардин, У. Браттайн и У. Шокли, которые в 1947 г. создали и испытали первый германиевый точечный транзистор. В 1956 г. их работа была отмечена Нобелевской премией по физике. В 1949 г. советские ученые А. В. Красилов и С. Г. Мадоян изготовили первые отечественные образцы точечных транзисторов. В 1952 г. У. Шокли выдвинул идею создания полевого транзистора с управляющим р-п переходом, который был реализован на практике в 1958 г. В 1960 г. Д. Кинг и М. Аттала создали первый МДП-транзистор.

Полупроводниковые приборы имеют малую потребляемую мощность, высокую надежность, малую массу и размеры, поэтому уже к началу 70-х годов 20 века они практически полностью вытеснили электровакуумные приборы.

Полупроводниковая электроника интенсивно развивается и в нашей стране. Большой вклад в развитие полупроводниковых электронных приборов внесли советские ученые Лосев, Френкель, Курчатов, Давыдов, Туркевич и многие другие. Выдающихся успехов в этом направлении добился академик Ж. И. Алферов. За исследование гетеропереходов и за организацию производства полупроводниковых приборов на их основе в 2000 г. Ж. И. Алферову присуждена Нобелевская премия.

Создание квантовых генераторов (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, 1955 г.) – приборов квантовой электроники – определило качественно новые возможности электроники, связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением квантовых стандартов частоты.

Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50-х годов) и методов интеграции многих дискретных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления электроники – микроэлектроники. Основные разработки в области микро- электроники направлены на создание интегральных схем – микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров персональных компьютеров, полупроводниковых запоминающих устройств и т. п.), содержащих сотни тысяч электронных элементов, размещенных на одном полупроводниковом кристалле небольшой площади. Первая интегральная схема на биполярных транзисторах была выпущена в 1961 г. фирмой Fairchild Semiconductor, а в 1963 г. выпущена первая интегральная схема на МДП-транзисторах. Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, передача и переработка информации, совершенствование вычислительной техники и других, выдвигаемых развитием современного производства.

Микроэлектроника, стремительно развиваясь в последние два десятилетия, достигает своего предела миниатюризации. Это связано с тем, что транзисторы, из которых состоят микросхемы, достигают уже таких минимальных размеров, что в них начинают нарушатся физические принципы, на которых основана их работа. Сейчас проводятся интенсивные исследования по созданию новой элементной базы для электроники: создание нанотранзисторов на основе органических соединений и на основе углеродных нанотрубок. В разработке дискретных нанотранзисторов в настоящее время получены достаточно обнадеживающие результаты, однако перспективы создания работающих наносхем аналогов микросхем выглядят туманными. Поэтому традиционные полупроводниковые приборы, изучению которых посвящено данное учебное пособие, и микросхемы на их основе найдут применения еще достаточно долгое время.

Дата добавления: 2015-05-06