15

Введение

Классификация и направления развития электро­ники

Электроника включает в себя три основные области исследований: вакуумную электронику, твердотель­ную электронику и квантовую электронику. Каждая из областей объединяет исследования разнородных физико-химических явлений и процессов, имеющих фунда­ментальное значение для разработки электронных приборов, родственных по принципам действия, а также методы расчётов и способы изготовления таких приборов.

К важнейшим направлениям исследований в об­ласти вакуумной электроники относится широкий круг вопросов, охватывающих такие проб­лемы, как электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия, туннельная эмиссия); формирование потоков электронов и (или) ионов, управление этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью резонаторов, замедляющих систем, устройств ввода и вывода энергии; катодолюминесценция; физика и техника высокого вакуума (его получение, сохранение, измерение); теплофизические про­цессы, связанные с технологией изготовления и ра­ботой электронных приборов; физико-химические процессы на поверхностях электродов и изоляторов; техно­логия обработки поверхностей, в т. ч. электронной, ионной и лазерной обработки; получение и поддер­жание оптим. состава и давления газа в газораз­рядных приборах и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов (ЭВП) след, видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т. д.), ЭВП СВЧ (магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны и др.), мощных релятивистских приборов (гиротронов, убитронов и др.), приборов, работающих на основе дифракц. явлений, электронно-лучевых и фото­электронных приборов (кинескопов, видиконов, суперортиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей и др.), газоразряд­ных приборов (тиратронов, газоразрядных индика­торов и др.), рентгеновских трубок и др.

Твердотельная электроника решает за­дачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле методами эпитаксии, диффузии, ионного внедрения (имплан­тации) и др. областей с различными типами проводимости; формированием методами плазменного травления, оптической, электронной, ионной и рентгеновской литографии диэлектрических и металлических плёнок на полу­проводниковых материалах; созданием гетеропере­ходов и многослойных структур; исследованием свойств динамических неоднородностей; созданием функциональ­ных устройств микронных и субмикронных разме­ров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлением твердотельной электроники является полупроводниковая электроника, связанная с разработкой и изготовлением различных видов полу­проводниковых приборов: полупроводниковых дио­дов (выпрямительных, смесительных, параметриче­ских и др.), транзисторов (биполярных и полевых), тиристоров, аналоговых и цифровых интегральных схем (ИС) различной степени интеграции, оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодио­дов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных матриц).

Другие важнейшие направления твердотельной электроники относятся к созданию электронных приборов, работающих на основе эффектов взаимо­действия акустических волн с электронами проводимости в конденсированных средах (акустоэлектроника), электромагнитных волн оптического диапазона с электронами в твёрдых телах (оптоэлектроника), электромагнитных полей с носите­лями заряда в твёрдых телах при низких температурах (криоэлектроника), а также приборов на основе пьезоэлектрического эффекта (пьезоэлектроника), магнитных явлений в твёрдых телах (магнитоэлектроника) и др.

Квантовая электроника охватывает широ­кий круг проблем, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твёрдых тел. Наиболее важные направ­ления квантовой электроники — создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усили­телей, молекулярных генераторов и др. Ряд характерных особенностей, отличающих приборы кван­товой электроники от приборов др. типов (высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения), позволяет с успехом использовать их для создания высокоточных дальномеров, кванто­вых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, технологических установок различного назначения, медицинской аппаратуры и др.

Развитие всех направлений электроники сопровож­дается практическим освоением всё новых областей спектра электромагнитных колебаний, повышением уровней мощности генерируемых колебаний, непрерывным улучшением таких основных параметров электронных приборов, как уровень собственных шумов, эко­номичность, быстродействие, надёжность, ресурс, габаритные размеры и масса и ряд других. Однако процесс этот происходит неравномерно и зависит как от прогресса в науке и технике, так и от потребностей практики. На рис. 1 показано, что в вы­сокочастотной части спектра для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн 10¹¹ —10¹² Гц) характерны низкие уровни достигнутой мощности; это свидетельствует о сравнительно не­полном использовании возможностей, связанных с практическим освоением этого перспективного участка спектра. На рис. 2 показана сравнит, характеристика различных СВЧ электронных приборов по их шумовой темп-ре, определяющей чувствительность и разре­шающую способность приборов в различных диапазонах длин волн.

Совершенствование электронной аппаратуры, рост её технико-экономических показателей находятся в пря­мой зависимости от совершенствования её элемент­ной базы. В таблице приведены данные, отра­жающие относит, изменение некоторых важнейших характеристик электронных приборов, составивших элементную базу ЭВМ различных поколений. Однако на основе данных, приведённых в таблице, было бы, например, неправильно сделать вывод о неизбежности полного вытеснения электровакуумных приборов полупроводниковыми. Дело в том, что каждый тип электронных приборов по отдельным показателям имеет свои, только ему присущие достоинства. Так, электровакуумные приборы, уступая полупро­водниковым по уровню шумов, механической прочности, габаритным размерам, имеют неоспоримые преиму­щества по уровню достигаемой мощности, термо­стойкости. Именно поэтому все основные типы электрон­ных приборов, несмотря на изменения их процент­ного содержания (по количеству и по массе) в разл. рода сложных электронных устройствах, сохраняют своё значение и продолжают совершенствоваться. При этом развитие электронных приборов гармо­нически сочетается с ростом их технических и экономических показателей. Это особенно ярко проявляется на примере ИС, для которых по мере роста степени интеграции уменьшается стоимость единицы инфор­мации в тысячу и более раз при сравнительно небольшом увеличении стоимости самих ИС.

Микроэлектроника –

Наноэлектроника -

История развития элек­троники

Возникновению и развитию электроники предшествовал общий прогресс науки и техники, связанный с деятельностью таких учёных, как Г. Га­лилей, У. Гильберт, М. В. Ломоносов, М. Фарадей, Дж. К. Максвелл, Г. Герц, Д. И. Менделеев и мн. другие. Как наука электроника сформировалась в нач. 20 в. после создания основ электродинамики (Максвелл, 1861—73), открытия и исследования фо­топроводимости (У. Смит, 1873), односторонней проводимости контакта металл-полупроводник (К. Ф. Браун, 1874), исследования св-в термоэлектронной эмиссии (О. У. Ричардсон, 1900—01), фото­электронной эмиссии (Герц, 1887; А. Г. Столетов, 1905), рентгеновских лучей (В. К. Рентген, 1895), открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), созда­ния электронной теории (X. А, Лоренц, 1892—1909). Значит, стимулом развития электроники послужило создание А. С. Поповым в 1895 практически дей­ствующей системы передачи-приёма сигналов с по­мощью электромагнитных волн (системы радиосвязи). В свою очередь, первые успехи электроники определили широкое практическое использование радиосвязи, сделав возможным как генерирование достаточно мощных незатухающих электромагнитных колебаний в широ­ком диапазоне высоких частот, так и усиление слабых электрических сигналов. Эти успехи были связаны с созданием электронных приборов вакуумного типа (электровакуумных приборов) на основе дости­жений вакуумной техники и технологии электрических ламп накаливания.

Начало разработке ЭВП было положено изобре­тением лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904), трёхэлектродной лампы-триода (Л. де Форест, 1906), использованием триода для генерирования электрич. колебаний (А. Мейснер, 1913), разработкой мощных генераторных ламп с водяным охлаждением для ра­диопередатчиков систем дальней радиосвязи и радио­вещания (М. А. Бонч-Бруевич, 1919—25).

Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал Столетов в 1886), 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 А. А. Чернышёвым в 1925), иконо­скопа (С. И. Катаев и независимо от него В, К. Зво­рыкин, 1931—32), супериконоскопа. (Тимофеев, П. В. Шмаков, 1933) и др.

Создание многорезонаторного магнетрона (Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров под руководством Бонч-Бруевича, 1936—37), отражательного клистрона (Н. Д. Девятков и др. и независимо от них В. Ф. Ко­валенко, 1940) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн, а создание пролётного клистрона (идея предложена Д. А. Рожанским в 1932) и лампы бегущей волны (Р. Компфнер, 1943) обеспечило дальнейшее развитие СВЧ систем радиорелейной связи, ускорителей заряженных частиц и способствовало созданию систем космич. связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы — ртут­ные вентили, используемые гл. обр. для преобра­зования переменного тока в постоянный в мощных пром. установках, тиратроны для формирования мощных импульсов электрич. тока в установках импульсной техники, газоразрядные источники света и др.

В России первые отечеств, электронные приборы (вакуумные диоды и триоды) созданы в 1910—17 (В. И. Коваленков, Н. Д. Папалекси, В. И. Волынкин и др.). После Великой Октябрьской социалистич. революции началось быстрое развитие отечеств, электронной пром-сти. В декабре 1918 В. И. Ленин подписал Положение «О Нижегородской радио­лаборатории» — первом советском н.-и. центре, с к-рым связаны мн. достижения в области радио­техники и организации радиовещания. В 1922 постановлением ВСНХ в Петрограде создан электро­вакуумный з-д, к-рый в 1928 слился с электро­ламповым з-дом «Светлана». В н.-и. лаборатории этого з-да, организованной С. А. Векшинским, были проведены многосторонние исследования в области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионным св-вам катодов, газовыделению метал­лов и стекла, вакуумной технике и др.)- Лаборатория Векшинского после присоединения к ней ряда др. лабораторий выросла в нач. 30-х гг. в крупную н.-и. организацию, получившую в 1934 назв. Отрас­левая вакуумная лаборатория. В 1928—30 на Мос­ковском электрозаводе (с 1966 — Московский з-д электровакуумных приборов) создан отдел электрон­ных ламп. Для решения научно-техн. задач строительства мощных радиопередающих станций с кон. 20-х гг. организовано Бюро мощного радиостроения, преобразованное в 1930 в Отраслевую радио­лабораторию передающих устройств. В 1933 вступила в строй самая мощная по тому времени в мире 500-киловаттная радиостанция им. Коминтерна.

В кон. 20-х гг. в СССР началось развитие телеви­дения. С 1931 (в Москве, а вскоре и в др. городах) начали проводиться регулярные телевиз. передачи на средних волнах по системе малокадрового механич. телевидения. С сер. 30-х гг. механические системы постепенно вытеснялись электронными, раз­работка которых начата в России ещё в 1907 (Б. Л. Розинг).

В 30-х гг. окончательно сформировалась и полу­чила мировое признание советская школа радио­техники и радиофизики, подготовлена научно-техническая база для последующего развития электросвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и др. областей науки и техники. К кон. 30-х гг. создана крупная научно-исследовательская и промышленная база по производству электронных приборов и устройств на их основе.

До 50-х гг. развитие электроники шло в основном по пути совершенствования ЭВП и устройств на их основе. Однако всё возрастающие потребности связи, радиолокации, вычислит, техники и др. привели к необходимости иметь в качестве элементной базы сложных электронных устройств такие приборы, которые бы выгодно отличались от электровакуумных по энергопотреблению, надёжности, габаритным размерам, технологичности изготовления и др. Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприёмных устройств, создание купроксных и селеновых выпрямителей тока, изобретение кристадина (О. В. Лосев, 1922), изобре­тение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бар­дин, 1948) определило становление и развитие полупроводниковой электроники. Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50-х — начало 60-х гг.) и методов интеграции большого числа элементарных приборов (транзисторов, дио­дов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привела к созданию нового направления электроники — микроэлектро­ники, использующей достижения физики твёрдого тела, прецизионной технологии, схемотехники и прикладной математики. В технологии электронного приборостроения произошли революционные изме­нения, приведшие к созданию принципиально нового базового элемента электроники — интегральной схемы, состоящей из сотен, тысяч или миллионов электронных приборов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько единиц или десятков мм².

Создание в 1955 молекулярного генератора (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо от них Дж. Гордон, Ч. Таунс, X. Цайгер) — первого прибора квантовой электроники положило начало новому направлению в электронном приборостроении, свя­занному с разработкой и использованием генерато­ров, усилителей и преобразователей эл.-магн. колебаний, действие к-рых основано на эффекте вынужденного излучения или нелинейном взаимо­действии излучения с веществом. Успехи квантовой электроники привели к глубоким преобразованиям во мн. областях науки и техники, в т. ч. и в технологии электронного приборостроения, где, напр., исполь­зование лазеров, позволяющих концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в уз­ком спектральном интервале, легло в основу процес­сов литографии, контроля микросхем и мн. др.