Лекция 1. Введение

Электроника – это предмет, изучающий компоненты и базовые элементы электронных схем. Электроника делится на три части: вакуумную (эмиссионную), твердотельную, или обобщенно физическую, и квантовую. Мы будем рассматривать твердотельную, а еще более точно полупроводниковую электронику. Она занимает большую часть всей электроники.

Электроника за время своего развития прошла несколько этапов.

1 этап. 1904 – 1948 гг.

В 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу – диод. В 1907 г. американец Л. Форест ввел в диод управляющий электрод и получил триод, способный усиливать и генерировать колебания. В России первый триод изготовил в 1914 г. Н.Д. Папалекси. В 30-х годах началось активное исследование полупроводников и появились простейшие полупроводниковые элементы – селеновые и купруксные выпрямители. Плотность монтажа в этот период составляла 0,001 –0,003 элемента/см³.

II этап. 1948 – 1959 гг.

Он начался с изобретения точечного германиевого триода – транзистора американцами Бардином и Браттейном. Спустя менее года был сделан кремниевый транзистор. В СССР первые транзисторы были сделаны в 1949 году А.В. Красиловым и С.Г. Мадояном. В 1951 году разработан первый плоскостной транзистор. В 1953 году сделан дрейфовый транзистор. Первые в мире тонкопленочные детали на основе легирования (внесения примесей) разработаны в Англии во второй половине 40-х годов. Первая полупроводниковая ИМС разработана в США в 1958 году независимо друг от друга Д. Килби и Р. Нойсом. Плотность элементов составляла в этот период ~ 0,5 элемента/см³.

III этап. 1960 – 1980 гг.

Разработана планарная технология и появились планарные транзисторы. Были разработаны полевые транзисторы, МОП–транзисторы, туннельные диоды (диод Есаки), динисторы, тринисторы (тиристоры), фотодиоды, фототранзисторы, варикапы, видиконы, кремнеконы, светодиоды, твердотельные лазеры, термисторы и др. Начался промышленный выпуск интегральных схем и микросборок (1962 г.). Появились новые полупроводниковые высокотемпературные материалы и приборы на их основе. Например, максимальная рабочая температура германиевых приборов < 70 С, кремниевых < 125 С, а на основе арсенида галлия (GaAs) – 250 С. Плотность монтажа устройств третьего поколения составила < 50 элементов/см³.

Чем было определено появление интегральных схем? Основные факторы: надежность, габариты, масса, стоимость, мощность. Пример: построить устройство, содержащее 10⁸ компонентов на дискретных элементах, имеющих следующие параметры:

рассеиваемая мощность 15 мВт,

средний размер (с соединениями) 1 см³

средняя масса 1 г,

средняя цена 50 коп. (в ценах 1991г.)

вероятность выхода из строя (отказа) 10^-5 час^-1.

Получится устройство со следующими параметрами:

мощность 1,5 МВт,

габариты 100 м³ ,

масса 100 т,

стоимость (только компоненты, без труда) 50 млн. руб.

Но практически мощность 1,5 МВт нельзя рассеять в объеме 100 м³, т.к. нагрев при этом превысит допустимые температуры для полупроводников. На монтаж необходимо 10 человеко-лет. Затрата непосильная для среднеразвитой страны, а производство небольшой партии – даже для развитой страны. Но, главное, она не будет работать, т.к. отказы происходить будут очень часто: час^-1, т.е. 10³ отказов в час или 1 отказ за 3 секунды.

IV этап. С 1980 г. по настоящее время. Появление больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), представляющих часто готовые, законченные устройства приема, преобразования и передачи информации. Плотность монтажа достигла 1000 элементов/см³ и более. Получили широкое распространение диоды и транзисторы Шотки, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, оптоэлектронные, акустоэлектронные приборы. Возникло новое направление – наноэлектроника. Разработаны приборы на квантовых эффектах (работы Ж.И. Алфёрова).

Таким образом, с 50-х годов электроника становится твердотельной, а точнее, полупроводниковой. Объяснение этому можно найти, если посмотреть на достоинства полупроводниковых приборов:

• малые габариты и вес;

• отсутствие цепей накала и связанных с этим недостатков (прогрев, фон источников питания, низкая надежность и малая долговечность);

• вибростойкость, способность работать при больших перегрузках;

• срок службы и надежность (срок службы определяется в десятки тысяч лет);

• способность работать от источников питания с низкими напряжениями.

Основные тенденции развития электроники:

• увеличение мощности;

• увеличение предельных частот;

• миниатюризация;

• функциональная электроника.