Электроника

Электроника, наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями 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. Наиболее характерные виды таких преобразований — генерирование, усиление и приём электромагнитных колебаний с частотой до 10¹² гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (10¹²—10²⁰ гц). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона — наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В Э. исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решётки.

  Э. опирается на многие разделы физики — электродинамику, классическую и квантовую механику, физику твёрдого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, Э., 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. Практические задачи Э.: 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.

  Э. играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических показателей производства. На основе достижений Э. развивается промышленность, 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 др.

  Историческая справка. Э. 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 Э. 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 Э. — микроэлектроники (см. также Интегральная электроника). Основные разработки в области интегральной Э. направлены на создание интегральных схем — микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ(электронная вычислительная машина), электронных запоминающих устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных приборов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм². 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 Э., связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты.

  Советские учёные внесли крупный вклад в развитие Э. 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 — А. Ф. Иоффе; люминесценции и по другим разделам физической оптики — С. И. Вавилов; квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах — И. Е. Тамм и многие др.

  Области, основные разделы и направления электроники. Э. включает в себя 3 области исследований: вакуумную Э., твердотельную Э., квантовую Э. 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.

  Вакуумная Э. содержит следующие разделы: 1) эмиссионная Э., охватывающая вопросы термо-, фотоэмиссии, вторичной электронной эмиссии, туннельной эмиссии, исследования катодов и антиэмиссионных покрытий; 2) формирование потоков электронов и потоков ионов, управление этими потоками; 3) формирование электромагнитных полей с помощью резонаторов, систем резонаторов, замедляющих систем, устройств ввода и вывода энергии; 4) электронная люминесценция (катодолюминесценция); 5) физика и техника высокого вакуума (его получение, сохранение и контроль); 6) теплофизические процессы (испарение в вакууме, формоизменение деталей при циклическом нагреве, разрушение поверхности металлов при импульсном нагреве, отвод тепла от элементов приборов); 7) поверхностные явления (образование плёнок на электродах и изоляторах, неоднородностей на поверхностях электрода); 8) технология обработки поверхностей, в том числе электронная, ионная и лазерная обработка; 9) газовые среды — раздел, включающий вопросы получения и поддержания оптимального состава и давления газа в газоразрядных приборах. Основные направления вакуумной Э. охватывают вопросы создания электровакуумных приборов (ЭВП) следующих видов: электронных ламп (триодов, тетродов, пентодов и т. д.); ЭВП СВЧ(сверхвысокие частоты) (магнетронов, клистронов и т. д.), электроннолучевых приборов (кинескопов, осциллографических трубок и т. д.); фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей), рентгеновских трубок; газоразрядных приборов (мощных преобразователей тока, источников света, индикаторов).

  Разделы и направления твердотельной Э. в основном связаны с полупроводниковой Э. Фундаментальные разделы последней охватывают следующие вопросы: 1) изучение свойств полупроводниковых материалов, влияние примесей на эти свойства; 2) создание в кристалле областей с различной проводимостью методами эпитаксиального выращивания (см. Эпитаксия), диффузии, ионного внедрения (имплантации), воздействием радиации на полупроводниковые структуры; 3) нанесение диэлектрических и металлических плёнок на полупроводниковые материалы, разработка технологии создания плёнок с необходимыми свойствами и конфигурацией; 4) исследование физических и химических процессов на поверхности полупроводников; 5) разработку способов и средств получения и измерения элементов приборов микронных и субмикронных размеров. Основные направления полупроводниковой Э. связаны с разработкой и изготовлением различных видов полупроводниковых приборов; полупроводниковых диодов (выпрямительных, смесительных, параметрических, стабилитронов), усилительных и генераторных диодов (туннельных, лавинно-пролётных, диодов Ганна), транзисторов (биполярных и униполярных), тиристоров, оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных матриц), интегральных схем. К направлениям твердотельной Э. относятся также диэлектрическая электроника, изучающая электронные процессы в диэлектриках (в частности, в тонких диэлектрических плёнках) и их использование, например для создания диэлектрических диодов, конденсаторов; магнитоэлектроника, использующая магнитные свойства вещества для управления потоками электромагнитной энергии с помощью ферритовых вентилей, циркуляторов, фазовращателей и т. д. и для создания запоминающих устройств, в том числе на магнитных доменах; акустоэлектроника и пьезоэлектроника, рассматривающие вопросы распространения поверхностных и объёмных акустических волн и создаваемых ими переменных электрических полей в кристаллических материалах и взаимодействия этих полей с электронами в приборах с полупроводниково-пьезоэлектрической структурой (кварцевых стабилизаторах частоты, пьезоэлектрических фильтрах, ультразвуковых линиях задержки, акустоэлектронных усилителях и т. д.); криоэлектроника, исследующая изменения свойств твёрдого тела при глубоком охлаждении для построения малошумящих усилителей и генераторов СВЧ(сверхвысокие частоты), сверхбыстродействующих вычислительных и запоминающих устройств; разработка и изготовление резисторов.

  Наиболее важные направления квантовой Э. — создание лазеров и мазеров. На основе приборов квантовой Э. строятся устройства для точного измерения расстояний (дальномеры), квантовые стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии. Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии. Лазеры находят различное применение в биологии и медицине.

  Э. 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 Э. 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 Э. Общие для всех направлений Э. 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 м³. 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 Э. 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(электронная вычислительная машина) наряду с общими задачами повышения производительности труда. Эти и другие специфические особенности технологии в Э. привели к необходимости создания нового направления в машиностроении — электронного машиностроения.

  Перспективы развития Э. Одна из основных проблем, стоящих перед Э., связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путём создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10^-11 сек; увеличения степени интеграции на одном кристалле до миллиона транзисторов размером 1—2 мкм; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей (см. Оптоэлектроника), сверхпроводников; разработки запоминающих устройств ёмкостью несколько мегабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к микроЭВМ на одном кристалле); 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(коэффициент полезного действия), приборов СВЧ(сверхвысокие частоты) и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития Э. — 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 Э. и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения Э. во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль Э. в ускорении научно-технического прогресса.

  А. И. Шокин.