Что такое электроника?

Электроника, отрасль физики и электротехники, которая занимается эмиссией, поведением и воздействием электронов и электронных устройств. Электроника охватывает исключительно широкий спектр технологий.


Он стал использоваться в более широком смысле, с достижением знаний о фундаментальной природе электронов и о том, как можно использовать движение этих частиц. Сегодня многие научные и технические дисциплины касаются различных аспектов электроники. Исследования в этих областях привели к разработке таких ключевых устройств, как транзисторы, интегральные схемы, лазеры и оптические волокна. Это, в свою очередь, позволило создать широкий спектр электронной потребительской, промышленной и военной продукции. Действительно, можно сказать, что мир находится в разгаре электронной революции, по крайней мере столь же значимой, как промышленная революция 19-го века.

В этой статье рассматривается история развития электроники, в которой освещаются основные открытия и достижения. Статья также описывает некоторые ключевые электронные функции и способ, которым различные устройства выполняют эти функции.

История электроники

Эпоха вакуумной трубки

Теоретические и экспериментальные исследования электричества в течение 18-го и 19-го веков привели к разработке первых электрических машин и началу широкого использования электроэнергии. История электроники начала развиваться отдельно от электричества в конце XIX века с идентификацией электрона английским физиком сэром Джозефом Джоном Томсоном и измерением его электрического заряда американским физиком Робертом А. Милликеном в 1909 году.

Во время работы Томсона американский изобретатель Томас Эдисон наблюдал синеватое свечение в некоторых из своих ранних лампочек при определенных условиях и обнаружил, что ток течет от одного электрода в лампе к другому, если второй (анод) были сделаны положительно заряженными относительно первого (катода). Работа Томсона и его учеников и английского инженера Джона Амброуза Флеминга показала, что этот так называемый эффект Эдисона был результатом излучения электронов с катода, горячей нити в лампе. Движение электронов к аноду, металлической пластине, представляло собой электрический ток, который не существовал бы, если бы анод был отрицательно заряжен.

Это открытие послужило толчком для развития электронных трубок, в том числе усовершенствованной рентгеновской трубки американского инженера Уильяма Д. Кулиджа и термоэлектронного клапана Флеминга (двухэлектродной вакуумной трубки) для использования в радиоприемниках. Обнаружение радиосигнала, который представляет собой высокочастотный переменный ток (AC), требует, чтобы сигнал был исправлен; то есть переменный ток должен быть преобразован в постоянный ток (DC) устройством, которое проводит только тогда, когда сигнал имеет одну полярность, но не тогда, когда у него есть другой - именно то, что сделал клапан Флеминга (запатентованный в 1904 году).

Ранее радиосигналы были обнаружены различными эмпирически развитыми устройствами, такими как детектор «кошачьего вискера», который состоял из тонкой проволоки (вискера) при тонком контакте с поверхностью естественного кристалла сульфида свинца (галенита) или какого-либо другого полупроводниковый материал. Эти устройства были ненадежными, не обладали достаточной чувствительностью и требовали постоянной регулировки контакта вискера от кристалла для получения желаемого результата. Но это были предшественники современных твердотельных устройств. Тот факт, что кристаллические выпрямители работали на всех, побуждал ученых продолжать их изучать и постепенно получать фундаментальное понимание электрических свойств полупроводниковых материалов, необходимых для разрешения изобретения транзистора.

В 1906 году американский инженер Ли Де Лес разработал вакуумную трубку, способную усиливать радиосигналы. Де Форест добавил сетку тонкой проволоки между катодом и анодом двухэлектродного термоядерного клапана, созданного Флемингсом. Новое устройство, которое De Forest назвало Audion (запатентовано в 1907 году), было, таким образом, трехэлектродной вакуумной трубкой. При работе анода в такой вакуумной трубке дается положительный потенциал (положительно смещенный) относительно катода, а сетка отрицательно смещена. Большое отрицательное смещение на сетке предотвращает попадание электронов, испускаемых катодом, на анод; однако, поскольку сетка в основном является открытым пространством, менее отрицательное смещение позволяет некоторым электронам проходить через него и достигать анода. Таким образом, небольшие изменения в потенциале сетки могут контролировать большие объемы анодного тока.

Вакуумная трубка позволяла развивать радиовещание, междугородную телефонную связь, телевидение и первые электронные цифровые компьютеры. Эти ранние электронные компьютеры были, по сути, крупнейшими системами вакуумной трубки, когда-либо построенными. Возможно, самым известным представителем является ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), который был завершен в 1946 году.

Особые требования многих применений вакуумных ламп привели к многочисленным улучшениям, позволяющим обрабатывать большие количества энергии, работать на очень высоких частотах, иметь более высокую среднюю надежность или быть очень компактными (размер наперстка). Электронно-лучевая трубка, первоначально разработанная для отображения электрических сигналов на экране для инженерных измерений, превратилась в телевизионную телевизионную трубку. Такие трубки работают, образуя электроны, испускаемые катодом, в тонкий пучок, который падает на флуоресцентный экран в конце трубки. Экран излучает свет, который можно просматривать снаружи трубки. Отклонение электронного пучка приводит к тому, что на экране создаются картины света, создающие требуемые оптические изображения.

Несмотря на замечательный успех твердотельных устройств в большинстве электронных приложений, существуют определенные специализированные функции, которые могут выполнять только вакуумные трубки. Обычно это связано с работой в экстремальных условиях или частоте.

Вакуумные трубки являются хрупкими и в конечном итоге изнашиваются. Неисправность возникает при нормальном использовании либо из-за эффектов повторного нагрева и охлаждения, когда оборудование включено и выключено (термическая усталость), что в конечном итоге приводит к физическому разрушению в некоторой части внутренней структуры трубы или к ухудшению свойств катод остаточными газами в трубке. Вакуумные трубки также требуют времени (от нескольких секунд до нескольких минут), чтобы «разогреться» до рабочей температуры - в лучшем случае неудобства и в некоторых случаях серьезное ограничение их использования. Эти недостатки побудили ученых Bell Laboratories искать альтернативу вакуумной трубке и привели к развитию транзистора.

Революция полупроводников

Изобретение транзистора

Изобретение транзистора в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттеном и Уильямом Б. Шокли из исследовательского персонала Bell представило первую из серии новых устройств с замечательным потенциалом для расширения полезности электронного оборудования (см. Фотографию). Транзисторы наряду с такими последующими разработками, как интегральные схемы, изготовлены из кристаллических твердых материалов, называемых полупроводниками, которые обладают электрическими свойствами, которые могут варьироваться в чрезвычайно широком диапазоне за счет добавления незначительных количеств других элементов. Электрический ток в полупроводниках переносится электронами с отрицательным зарядом, а также «дырками», аналогичными объектами, несущими положительный заряд. Наличие двух типов носителей заряда в полупроводниках является ценным свойством, используемым во многих электронных устройствах, изготовленных из таких материалов.

Ранние транзисторы были получены с использованием германия в качестве полупроводникового материала, потому что методы его очистки в требуемой степени были разработаны во время и вскоре после Второй мировой войны. Поскольку электрические свойства полупроводников чрезвычайно чувствительны к малейшим следам некоторых других элементов, в материалах, которые можно использовать для изготовления полупроводниковых приборов, можно переносить только одну часть на миллиард таких элементов.

В конце 1950-х годов исследования по очистке кремния позволили создать материал, подходящий для полупроводниковых приборов, а новые устройства, изготовленные из кремния, были изготовлены примерно с 1960 года. Кремний быстро стал предпочтительным сырьем, потому что он намного больше, чем германий, и, следовательно, дешевле. Кроме того, кремний сохраняет свои полупроводниковые свойства при более высоких температурах, чем германий. Силиконовые диоды могут работать при температурах до 200 ° C (400 ° F), тогда как германиевые диоды не могут работать при температуре выше 85 ° C (185 ° F). Было еще одно важное свойство кремния, которое в то время не ценилось, но имело решающее значение для развития недорогих транзисторов и интегральных схем: кремний, в отличие от германия, образует прочно прилипающую оксидную пленку с превосходными электрическими изоляционными свойствами, когда она нагревается до высокой температуры в присутствии кислорода. Эта пленка используется в качестве маски, позволяющей желаемым примесям изменять электрические свойства кремния, которые должны быть введены в него при производстве полупроводниковых приборов. Шаблон маски, образованный фотолитографическим процессом, позволяет создавать крошечные транзисторы и другие электронные компоненты в кремнии.

Интегральные схемы

К 1960 году вакуумные трубки быстро вытеснялись транзисторами, потому что последние стали менее дорогими, не выгорали на службе и были намного меньше и надежнее. Компьютеры использовали сотни тысяч транзисторов. Этот факт вместе с необходимостью создания компактных легких электронных систем управления ракетами привел к независимому изобретению интегральной схемы (ИС) Джеком Килби из Texas Instruments Incorporated в 1958 году и Жаном Хуерни и Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor Corporation в 1959. Килби обычно приписывают разработку концепции интегрирования устройства и элементов схемы на одном кремниевом чипе, в то время как Нойс получает кредит за то, что задумал метод интеграции отдельных элементов.

Ранние ИС содержали около 10 отдельных компонентов на кремниевой микросхеме размером 3 мм (0,12 дюйма). К 1970 году количество было до 1000 на чипе того же размера без увеличения стоимости. В конце следующего года был введен первый микропроцессор. Устройство содержало все арифметические, логические и контрольные схемы, необходимые для выполнения функций центрального процессора (ЦП) компьютера. Этот тип крупномасштабных ИС был разработан командой в корпорации Intel, той же компании, которая также представила ИС памяти в 1971 году. Теперь была организована стадия компьютеризации малого электронного оборудования.

Пока микропроцессор не появился на месте происшествия, компьютеры были по существу дискретными частями оборудования, используемыми в основном для обработки данных и научных расчетов. Они располагались в размерах от миникомпьютеров, сопоставимых по размерам с небольшим шкафом для хранения, до мейнфреймов, которые могли заполнять большую комнату. Микропроцессор позволил компьютерным инженерам разрабатывать микрокомпьютерные системы размером с обеденный ящик или меньше, но с достаточной вычислительной мощностью для выполнения многих видов деловых, промышленных и научных задач. Такие системы позволили управлять множеством небольших инструментов или устройств (например, токарных станков с числовым программным управлением и одноруких роботизированных устройств для точечной сварки), используя стандартные компоненты, запрограммированные для выполнения конкретной работы. Само существование компьютерного оборудования внутри таких устройств не является очевидным для пользователя.

Большой спрос на микропроцессоры, создаваемые этими первоначальными приложениями, привел к увеличению объема производства и значительному снижению стоимости. Это, в свою очередь, способствовало использованию устройств во многих других приложениях, например, в бытовой технике и автомобилях, для которых электронные средства управления ранее были слишком дорогими для рассмотрения. Дальнейшие достижения в технологии ИС привели к очень крупномасштабной интеграции (СБИС), что существенно увеличило плотность контуров микропроцессоров. Эти технологические достижения в сочетании с дополнительными сокращениями затрат, обусловленными улучшенными технологиями производства, сделали возможным массовое производство персональных компьютеров для использования в офисах, школах и домах.

К середине 1980-х годов недорогие микропроцессоры стимулировали компьютеризацию огромного разнообразия потребительских товаров. Среди распространенных примеров были программируемые микроволновые печи и термостаты, стиральные машины и сушилки, самонастраивающиеся телевизоры и камеры самофокусировки, видеомагнитофоны и видеоигры, телефоны и автоответчики, музыкальные инструменты, часы и системы безопасности. Микроэлектроника также вышла на первый план в бизнесе, промышленности, правительстве и других секторах. Расширялось оборудование на базе микропроцессора, начиная от банкоматов и банкоматов в розничных магазинах до автоматизированных заводских сборочных систем и офисных рабочих станций.

К середине 1986 года были доступны микросхемы памяти емкостью 262 144 бит (двоичные разряды). Фактически, Гордон Э. Мур, один из основателей Intel, наблюдал еще в 1965 году, что сложность ИС приблизительно удваивалась каждые 18-24 месяца, что все еще имело место в 2000 году. Этот эмпирический «закон Мура» широко распространен используется для прогнозирования технологических требований для производства будущих ИС.