Електроніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Електроніка

Електроніка, наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв, в яких ця взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, в основному для передачі, обробки і зберігання інформації. Найбільш характерні види таких перетворень — генерування, посилення і прийом електромагнітних коливань з частотою до 10 12 гц, а також інфрачервоного, видимого, ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань (10 12 —10 20 гц ) . Перетворення до настільки високих частот можливо завдяки виключно малій інерційності електрона — найменшою з нині відомих заряджених часток. У Е. досліджуються взаємодії електронів як з макрополями в робочому просторі електронного приладу, так і з мікрополями усередині атома, молекули або кристалічної решітки.

загрузка...

  Е. спирається на багато розділів фізики — електродинаміку, класичну і квантову механіку, фізику твердого тіла, оптику, термодинаміку, а також на хімію, металургію, кристалографію і інші науки. Використовуючи результати цих і ряду інших галузей знань, Е., з одного боку, ставить перед іншими науками нові завдання, чим стимулює їх подальший розвиток, з іншої — створює нові електронні прилади і пристрої і тим самим озброює науки якісно новими засобами і методами дослідження. Практичні завдання Е.: розробка електронних приладів і пристроїв, що виконують різні функції в системах перетворення і передачі інформації, в системах управління, в обчислювальній техніці, а також в енергетичних пристроях; розробка наукових основ технології виробництва електронних приладів і технології, що використовує електронні і іонні процеси і прилади для різних галузей науки і техніки.

  Е. грає провідну роль в науково-технічній революції. Впровадження електронних приладів в різні сфери людської діяльності значною мірою (частенько вирішальною) сприяє успішній розробці складних науково-технічних проблем, підвищенню продуктивності фізичної і розумової праці, поліпшенню економічних показників виробництва. На основі досягнень Е. розвивається промисловість, що випускає електронну апаратуру для різних видів зв'язку, автоматики, телебачення, радіолокації, обчислювальної техніки, систем управління технологічними процесами, приладобудування, а також апаратуру світлотехніки, інфрачервоної техніки, рентгенотехніки і ін.

  Історична довідка. Е. зародилася на початку 20 ст після створення основ електродинаміки (1856—73), дослідження властивостей термоелектронною емісії (1882—1901), фотоелектронній емісії (1887—1905), рентгенівських променів (1895—97), відкриття електрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), створення електронної теорії (1892—1909). Розвиток Е. почалося з винаходу лампового діода (Дж. А. Флемінг, 1904), трьохелектродної лампи — тріод-пентода (Л. де Форест, 1906); використання тріод-пентода для генерування електричних коливань (німецький інженер А. Мейснер, 1913); розробки потужних генераторних ламп з водяним охолоджуванням (М. А. Бонч-Бруєвіч, 1919—25) для радіопередавачів, використовуваних в системах далекого радіозв'язку і радіомовлення. Вакуумні фотоелементи (експериментальний зразок створив А. Р. Столетов, 1888; промислові зразки — німецькі учені Ю. Ельстер і Г. Хейтель 1910); фотоелектронні помножувачі однокаскадні (П. Ст Тимофіїв, 1928) і багатокаскадні (Л. А. Кубецкий, 1930) — дозволили створити звукове кіно, послужили основою для розробки передавальних телевізійних трубок : відікона (ідея запропонована в 1925 А. А. Чернишевим ) , іконоскопа (С. І. Катаєв і незалежно від нього Ст До. Зворикин, 1931—32), суперіконоскопа (П. Ст Тимофіїв, П. Ст Шмаков, 1933), суперортикону (двостороння мішень для такої трубки була запропонована радянським ученим Г. В. Брауде в 1939; вперше суперортикон описаний американськими ученими А. Розі, П. Веймером і Х. Лоу в 1946) і ін. Створення багаторезонаторного магнетрона (Н. Ф. Алексєєв і Д. Е. Малярів, під керівництвом М. А. Бонч-Бруєвіча, 1936—37), відбивного клістрона (Н. Д. Девятков та інші і незалежно від них радянський інженер Ст Ф. Коваленко, 1940) послужило основою для розвитку радіолокації в сантиметровому діапазоні хвиль; пролітні клістрони (ідея запропонована в 1932 Д. А. Рожанським, розвинена в 1935 радянським фізиком А. Н. Арсеньевой і німецьким фізиком О. Хайлем, реалізована в 1938 американськими фізиками Р. і 3. Варіанамі і ін.) і лампи хвилі (американський учений Р. Компфнер, 1943), що біжить, забезпечили подальший розвиток систем радіорелейного зв'язку, прискорювачів елементарних часток і сприяли створенню систем космічного зв'язку. Одночасно з розробкою вакуумних електронних приладів створювалися і удосконалювалися газорозрядні прилади ( іонні прилади ) , наприклад ртутні вентилі, використовувані головним чином для перетворення змінного струму в постійний в потужних промислових установках; тиратрони для формування потужних імпульсів електричного струму в пристроях імпульсної техніки; газорозрядні джерела світла .

  Використання кристалічних напівпровідників як детекторів для радіоприймальних пристроїв (1900—05), створення купроксних і селенових випрямлячів струму і фотоелементів (1920—1926), винахід крістадіна (О. Ст Лосев, 1922), винахід транзистора (В. Шоклі, В. Браттейн, Дж. Бардін, 1948) визначили становлення і розвиток напівпровідникової електроніки . Розробка планарной технології напівпровідникових структур (кінець 50 — початок 60-х рр.) і методів інтеграції багатьох елементарних приладів (транзисторів, діодів, конденсаторів, резисторів) на одній монокристалічній напівпровідниковій пластині привело до створення нового напряму в Е. — мікроелектроніки (див. також Інтегральна електроніка ) . Основні розробки в області інтегральної Е. направлені на створення інтегральних схем мікромініатюрних електронних пристроїв (підсилювачів, перетворювачів, процесорів ЕОМ(електронна обчислювальна машина), електронних пристроїв і , що запам'ятовують;т. п.), що складаються з сотень і тисяч електронних приладів, що розміщуються на одному напівпровідниковому кристалі площею в декілька мм 2 . Мікроелектроніка відкрила нові можливості для вирішення таких проблем, як автоматизація управління технологічними процесами, переробка інформації, вдосконалення обчислювальної техніки і ін., що висуваються розвитком сучасного суспільного виробництва. Створення квантових генераторів (Н. Р. Басів, А. М. Прохоров і незалежно від них Ч. Таунс, 1955) — приладів квантової електроніки визначило якісно нові можливості Е., зв'язані з використанням джерел потужного когерентного випромінювання оптичного діапазону ( лазерів ) і побудовою надточних квантових стандартів частоти .

  Радянські учені внесли крупний вклад до розвитку Е. Фундаментальниє дослідження в області фізики і технології електронних приладів виконали М. А. Бонч-Бруєвіч, Л. І. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, С. А. Векшинський, А. А. Чернишев, М. М. Богословський і багато др.; по проблемах збудження і перетворення електричних коливань, випромінювання, поширення і прийому радіохвиль, їх взаємодії з носіями струму у вакуумі, газах і твердих тілах — Би. А. Введенський, Ст Д. Калмиків, А. Л. Мінц, А. А. Расплетін, М. Ст Шулейкин і др.; в області фізики напівпровідників — А. Ф. Іоффе ; люмінесценції і по інших розділах фізичної оптики — С. І. Вавілов ; квантової теорії розсіяння світла випромінювання, фотоефекту в металах — І. Е. Тамм і багато ін.

  Області, основні розділи і напрями електроніки. Е. включає 3 області досліджень: вакуумну Е., твердотілу Е., квантову область Е. Каждая підрозділяється на ряд розділів і ряд напрямів. Розділ об'єднує комплекси однорідних физико-хімічних явищ і процесів, які мають фундаментальне значення для розробки багатьох класів електронних приладів даної області. Напрям охоплює методи конструювання і розрахунків електронних приладів, родинних по принципах дії або по виконуваних ними функціям, а також способи виготовлення цих приладів.

  Вакуумна Е. містить наступні розділи: 1) емісійна Е., що охоплює питання термо-, фотоемісії, вторинній електронній емісії, тунельної емісії, дослідження катодів і антиемісійних покриттів; 2) формування потоків електронів і потоків іонів управління цими потоками; 3) формування електромагнітних полів за допомогою резонаторів, систем резонаторів, уповільнюючих систем, пристроїв введення і виведення енергії; 4) електронна люмінесценція ( катодолюмінесценція ) ; 5) фізика і техніка високого вакууму (його здобуття, збереження і контроль); 6) теплофізичні процеси (випар у вакуумі, формоїзмененіє деталей при циклічному нагріві, руйнування поверхні металів при імпульсному нагріві, відведення тепла від елементів приладів); 7) поверхневі явища (утворення плівок на електродах і ізоляторах, неоднородностей на поверхнях електроду); 8) технологія обробки поверхонь, у тому числі електронна, іонна і лазерна обробка; 9) газові середовища — розділ, що включає питання здобуття і підтримки оптимального складу і тиску газу в газорозрядних приладах. Основні напрями вакуумної Е. охоплюють питання створення електровакуумних приладів (ЕВП) наступних видів: електронних ламп (тріод-пентодів, тетродов, пентодів і т. д.); ЕВП СВЧ(надвисокі частоти) (магнетронів, клістронів і т. д.), електроннопроменевих приладів (кінескопів, осцилографічних трубок і т. д.); фотоелектронних приладів (фотоелементів, фотоелектронних помножувачів), рентгенівських трубок; газорозрядних приладів (потужних перетворювачів струму, джерел світла, індикаторів).

  Розділи і напрями твердотілої Е. в основному пов'язані з напівпровідниковою Е. Фундаментальниє розділи останньою охоплюють наступні питання: 1) вивчення властивостей напівпровідникових матеріалів, вплив домішок на ці властивості; 2) створення в кристалі областей з різною провідністю методами епітаксіального вирощування (див. Епітаксия ) , дифузії, іонного впровадження (імплантації), дією радіації на напівпровідникові структури; 3) нанесення діелектричних і металевих плівок на напівпровідникові матеріали, розробка технології створення плівок з необхідними властивостями і конфігурацією; 4) дослідження фізичних і хімічних процесів на поверхні напівпровідників; 5) розробку способів і засобів здобуття і виміру елементів приладів мікронних і субмікронних розмірів. Основні напрями напівпровідникової Е. пов'язані з розробкою і виготовленням різних видів напівпровідникових приладів ; напівпровідникових діодів (випрямних, змішувачах, параметричних, стабілітронів), підсилювальних і генераторних діодів (тунельних, лавинно-пролітних, діодів Ганна), транзисторів (біполярних і уніполярних), тиристорів, оптоелектронних приладів (светоїзлучающих діодів, фотодіодів, фототранзисторів, оптронів, світлодіодних і фотодіодних матриць), інтегральних схем. До напрямів твердотілої Е. відносяться також діелектрична електроніка, що вивчає електронні процеси в діелектриках (зокрема, в тонких діелектричних плівках) і їх використання, наприклад для створення діелектричних діодів, конденсаторів; магнітоелектроника, що використовує магнітні властивості речовини для управління потоками електромагнітної енергії за допомогою феритових вентилів, циркуляторов, фазовращателей і т. д. і для створення пристроїв, що запам'ятовують, у тому числі на магнітних доменах; акустоелектроніка і пьезоелектроника, що розглядають питання поширення поверхневих і об'ємних акустичних хвиль і створюваних ними змінних електричних полів в кристалічних матеріалах і взаємодії цих полів з електронами в приладах з полупроводниково-пьезоелектрічеськой структурою (кварцевих стабілізаторах частоти, п'єзоелектричних фільтрах, ультразвукових лініях затримки, акустоелектронних підсилювачах і т. д.); кріоелектроніка, що досліджує зміни властивостей твердого тіла при глибокому охолоджуванні для побудови малошумливих підсилювачів і генераторів СВЧ(надвисокі частоти), надшвидкодіючих обчислювальних пристроїв, що запам'ятовують; розробка і виготовлення резисторів.

  Найбільш важливі напрями квантової Е. — створення лазерів і мазеров . На основі приладів квантової Е. будуються пристрою для точного виміру відстаней ( далекоміри ) , квантові стандарти частоти, квантові гіроскопи, системи оптичною багатоканальному зв'язку, космічної телекомунікації, радіоастрономії. Енергетична дія лазерного концентрованого випромінювання на речовину використовується в промисловій технології. Лазери знаходять різне вживання в біології і медицині.

  Е. знаходиться у стадії інтенсивного розвитку; для неї характерний поява нових областей і створення нових напрямів у вже існуючих областях.

  Технологія електронних приладів. Конструювання і виготовлення електронних приладів базуються на використанні поєднання всіляких властивостей матеріалів і физико-хімічних процесів. Тому необхідно глибоко розуміти використовувані процеси і їх вплив на властивості приладів, уміти точно управляти цими процесами. Виняткова важливість физико-хімічних досліджень і розробка наукових основ технології в Е. обумовлені, по-перше, залежністю властивостей електронних прибирань від наявності домішок в матеріалах і речовин, сорбованих на поверхнях робочих елементів приладів, а також від складу газу і міри розрядки середовища, що оточує ці елементи; по-друге, — залежністю надійності і довговічності електронних приладів від міри стабільності вживаних вихідних матеріалів і керованості технології. Досягнення технології незрідка дають поштовх розвитку нових напрямів в Е. Общие для всіх напрямів Е. особливості технології полягають у виключно високих (в порівнянні з іншими галузями техніки) вимогах, що пред'являються в електронній промисловості до властивостей використовуваних вихідних матеріалів; міри захисту виробів від забруднення в процесі виробництва; геометричній точності виготовлення електронних приладів. З виконанням першого з цих вимог зв'язано створення багатьох матеріалів, що володіють надвисокою чистотою і досконалістю структури, із заздалегідь заданими физико-хімічними властивостями — спеціальних сплавів монокристалів, кераміки, стекол і ін. Створення таких матеріалів і дослідження їх властивостей складають предмет спеціальної науково-технічної дисципліни — електронного матеріалознавства. Одній з найгостріших проблем технології, пов'язаних з виконанням другої вимоги, є боротьба за зменшення запиленої газового середовища, в якому проходят найбільш важливі технологічні процеси. У ряді випадків допустима запилена — не понад три порошинки розміром менше 1 мкм в 1 м-коду 3 . Про жорсткість вимог до геометричної точності виготовлення електронних приладів свідчать, наприклад, наступні цифри: у ряді випадків відносна погрішність розмірів не повинна перевищувати 0,001%; абсолютна точність розмірів і взаємного розташування елементів інтегральних схем досягає сотих доль мкм. Це вимагає створення нових, досконаліших методів обробки матеріалів, нових засобів і методів контролю. Характерним для технології в Е. є необхідність широкого використання новітніх методів і засобів: електроннопроменевої, ультразвукової і лазерної обробки і зварки, фотолітографії, електронної і рентгенівської літографії, електроїськрової обробки, іонної імплантації плазмохимії, молекулярної епітаксиі, електронної мікроскопії, вакуумних установок, що забезпечують тиск залишкових газів до 10 -13 мм рт. ст. Складність багатьох технологічних процесів вимагає виключення суб'єктивного впливу людини на процес, що обумовлює актуальність проблеми автоматизації виробництва електронних приладів із застосуванням ЕОМ(електронна обчислювальна машина) поряд із загальними завданнями підвищення продуктивності праці. Ці і інші специфічні особливості технології в Е. привели до необхідності створення нового напряму в машинобудуванні — електронного машинобудування.

  Перспективи розвитку Е. Одна з основних проблем, що стоять перед Е., пов'язана з вимогою збільшення кількості оброблюваної інформації обчислювальними електронними системами, що управляють, з одночасним зменшенням їх габаритів і споживаної енергії. Ета проблема вирішується шляхом створення напівпровідникових інтегральних схем, що забезпечують час перемикання до 10 -11 сік; збільшення міри інтеграції на одному кристалі до мільйона транзисторів розміром 1—2 мкм; використання в інтегральних схемах пристроїв оптичного зв'язку і оптоелектронних перетворювачів (див. Оптоелектроніка ) , надпровідників ; розробки пристроїв, що запам'ятовують, ємкістю декілька мегабіт на одному кристалі; вживання лазерної і електроннопроменевої комутації; розширення функціональних можливостей інтегральних схем (наприклад, перехід від мікропроцесора до МІКРОЕОМ на одному кристалі); переходу від двовимірної (планарной) технології інтегральних схем до тривимірної (об'ємною) і використання поєднання різних властивостей твердого тіла в одному пристрої; розробки і реалізації принципів і засобів стереоскопічного телебачення, що володіє більшою інформативністю в порівнянні із звичайним; створення електронних приладів, що працюють в діапазоні міліметрових і субміліметрових хвиль, для широкосмугових (ефективніших) систем передачі інформації, а також приладів для ліній оптичного зв'язку; розробки потужних, з високим ккд(коефіцієнт корисного дії), приладів СВЧ(надвисокі частоти) і лазерів для енергетичної дії на речовину і направленої передачі енергії (наприклад, з космосу). Одна з тенденцій розвитку Е. — проникнення її методів і засобів в біологію (для вивчення кліток і структури живого організму і дії на нього) і медицину (для діагностики, терапії, хірургії). У міру розвитку Е. і вдосконалення технології виробництва електронних приладів розширюються області використання досягнення Е. у всіх сферах життя і діяльності людей, зростає роль Е. у прискоренні науково-технічного прогресу.

  А. І. Шокин.