1. Введение

Электронику обычно определяют как область науки и техники, которая занимается решением задач, связанных с проектированием, изготовлением и применением электронных приборов и устройств на их основе. Электронными эти приборы называют потому, что их работа связана с движением электронов в рабочей среде прибора, в качестве которой используют вакуум, газы и твёрдые тела. Таким образом, существуют вакуумные, газонаполненные и твёрдотельные приборы, и электроника, как таковая, подразделяется на вакуумную, газоразрядную (поскольку процесс движения заряженных частиц в газе называют газовым разрядом) и твёрдотельную.

Существует также особый класс приборов, предназначенных для преобразования электрической энергии в энергию света и световой энергии в электрическую. Указанные приборы разработаны на основе квантовых представлений, поэтому соответствующее направление носит название оптической и квантовой электроники.

Как научно-техническое направление электроника прошла несколько этапов развития.

Первый этап, начавшийся в 1904г., был этапом вакуумных приборов и устройств. Своё название они получили в связи с тем, что потоки электронов ( а иногда говорят пучки, а также лучи, если поток имеет малое поперечное сечение) использовались в сильно разреженной среде, условно называемой вакуумом. Разреженная среда создаётся путём откачки газа (воздуха) из корпусов приборов и устройств. Необходимость создания вакуума объясняется тем, что в процессе своего движения электроны могут взаимодействовать (сталкиваться) с атомами и молекулами газа (воздуха). При этом, если их энергия достаточно велика, – а в реальных приборах она составляет величину порядка 10² – 10⁸эВ, то такое взаимодействие может приводить к ударной ионизации атомов газа, в результате которой появляются дополнительные электроны и ионы. Подобное развитие событий часто нежелательно, так как появление новых электронов является неконтролируемым процессом, а ионы, будучи заряжены положительно, начинают двигаться в противоположном - по отношению к электронам – направлении, оказывая, кроме того, разрушительное воздействие на конструктивные элементы устройства, поскольку их масса в тысячу с лишним раз больше массы электрона. В разреженной же среде (вакууме) концентрация атомов и молекул газа мала, а потому мала и вероятность ударной ионизации.

Приборы и устройства вакуумной электроники используют в разных целях. Например, в таком вакуумном устройстве как электронный микроскоп электроны играют ту же роль, что и фотоны электромагнитного излучения (ЭМИ) в микроскопе оптическом. Дело в том, что микро – и наноразмерные объекты, которые создаются, к примеру, методами интегральной технологии, можно рассмотреть лишь в том случае, если длина волны падающего на них и отражаемого от них в глаза наблюдателя излучения меньше, чем размеры исследуемого объекта (например, линейкой с миллиметровыми делениями невозможно точно измерить толщину пылинки). Диапазон длин волн видимой части спектра ЭМИ составляет примерно 0,38 – 0,78мкм или 380 – 780нм. Следовательно, оптический микроскоп не позволит рассмотреть элементы структуры кристалла микросхемы, например, отдельные атомы или молекулы, имеющие размеры порядка долей нанометров. В то же время электрон, чьи волновые свойства были предсказаны Луи де Бройлем (1924), может иметь длину волны (волны де Бройля) на порядки меньшие, чем у фотонов. Следовательно, электронный микроскоп, в котором на исследуемый объект направляется пучок электронов, имеет гораздо большее разрешение, нежели оптический микроскоп (под разрешением, в данном случае, понимают минимальный размер объекта, доступного наблюдению).

Электронные потоки используются также в ускорителях элементарных частиц, предназначенных для изучения строения вещества и др. целей.

Воздействуя на потоки электронов электрическими сигналами малой мощности, можно получать эффект усиления этих сигналов, т.е. увеличения их мощности без искажения закона изменения сигналов во времени.

С помощью электронных потоков можно также получать эффект генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний, используемых в радиолокации, для передачи информации (спутниковая связь), в медицине. И так далее.

Из сказанного следует, что в вакуумной электронике решаются две задачи: во-первых, получение электронов как таковых, находящихся вне того вещества, в котором они ранее находились, т.е. свободных (от вещества) электронов, во-вторых – формирование из них электронных потоков необходимой конфигурации, скорости и направления.

Первая задача решается путём использования явления электронной эмиссии (от англ. emission - испускание), т.е. явления испускания веществом электронов, совершаемое при определённых условиях. Вещество, способное испускать электроны – а чаще всего это твёрдое вещество, называют эмиттером. Что касается свободных электронов, испущенных в вакуум, то они организуются в электронные потоки с помощью внешних - специально созданных - электрических и (или) магнитных полей.

Приборы и устройства, в которых создаётся вакуум и используется явление электронной эмиссии, являются объектами соответствующего направления – вакуумной эмиссионной электроники.

Исследовательские работы, выполненные в рамках первого этапа, показали, что если в корпуса приборов ввести некоторое количество инертного газа (неон, аргон, криптон, ксенон и др.), то можно получить ряд полезных эффектов. Инертными их называют потому, что при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних энергетических воздействий эти газы являются изоляторами, т.е. у них отсутствуют носители тока – электроны и ионы. Однако, при воздействии на газ каким-либо источником энергии атомы газа ионизуются, в нём появляются носители заряда, следовательно, при наложении внешнего электрического поля в объёме газа начинает протекать электрический ток, т.е. возникает газовый разряд. Газоразрядным прибором, к примеру, является счётчик Гейгера, предназначенный для измерения уровня радиоактивности.

Таким образом, помимо вакуумной электроники существует также и газоразрядная электроника, в рамках которой рассматриваются вопросы, связанные с эффектами, возникающими при прохождении тока в газах. Во многих газоразрядных приборах целенаправленно используется процесс эмиссии, поэтому газоразрядная электроника также является эмиссионной.

Второй этап развития электроники (1948) ознаменовался появлением твёрдотельных приборов, в которых использовались полупроводниковые материалы. Интерес к ним связан с тем, что в полупроводниках сравнительно легко – за счёт пОлевых воздействий – можно менять концентрацию носителей тока от уровня, соответствующего диэлектрикам, до уровня, почти соответствующего проводникам. В этих приборах электронные потоки создаются наложением преимущественно электрических полей на вещество полупроводника. И если поведение электронов в вакууме описывается чаще всего с использованием аппарата классической физики (исключением является описание движения электронов в веществе эмиттера), то в случае с полупроводниковыми приборами необходимо использовать только квантовую механику.

Применение приборов второго этапа развития электроники позволило в десятки раз уменьшить массу и габариты электронных устройств и существенно снизить их энергопотребление. С помощью приборов твёрдотельной электроники решаются задачи усиления, генерации, трансформации электрических сигналов и др.

Наконец, на третьем этапе (середина 50-х годов прошлого столетия) была разработана интегральная технология изготовления так называемых микросхем – полупроводниковых конструкций чрезвычайно малых размеров, содержащих огромное – порядка миллиона – количество твёрдотельных полупроводниковых приборов в одном корпусе. Использование микросхем в различных электронных устройствах позволило, в свою очередь, многократно уменьшить их массу, габариты и энергопотребление.