Области применения электроники

Достижения электронной науки и техники используются почти без исключения во всех областях человеческой деятельности. Ускоренными темпами электроника внедряется в науч. исследования, пром-сть, на транс­порт, в связь, сельское хозяйство, здравоохранение, культуру, быт, военное дело и др. Средства электрон­ной техники стали неотъемлемой частью сложных приборов и устройств самого широкого назначения. Особое место среди них занимают микропроцессоры, создаваемые на базе больших интегральных схем (БИС). Совр. микропроцессор представляет собой полупроводниковый кристалл размером ок. 5х5 мм², помещённый в пластмассовый или металлич. корпус. В кристалле методами пленарной технологии форми­руются десятки и сотни тыс. активных и пассивных электронных приборов, образующих сложную элек­тронную систему, к-рая по сравнению с традиц. электронными устройствами имеет новое, особое качество (т. н. интеллектуальные свойства), обеспе­чивающее прохождение электрич. сигналов по задан­ной программе, выполнение логич. и вычислит, функций. Решение таких задач достигается путём формирования на кристалле областей постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ), арифметико-логич. схем, регистров, дешифраторов команд, входных и выходных шин и др. Существуют две разновидности микропроцессоров: в виде одной БИС с фиксированной разрядностью и набором команд и секционированные в виде неск. БИС. Последние допускают наращивание функциональных возможностей за счёт подключения дополнит. БИС с хранящимися в них микрокомандами.

Повышение степени интеграции микросхем до (3—5)-10⁵ элементов в кристалле (сверхбольшие интегральные схемы — СБИС) привело к появлению микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ, к-рые содержат оперативный блок, блок микропро­граммного управления, ОЗУ, ПЗУ, устройства управ­ления. Однокристальные микро-ЭВМ, как правило, имеют постоянные наборы команд, хранящиеся в собственном ПЗУ. Существ, достоинство микро­процессоров и микро-ЭВМ определяется возможностью встраивать их в самые разнообразные объек­ты управления.

Внедрение микропроцессоров и микро-ЭВМ в уп­равление технологии, процессами рассматривается кок новый этап пром. революции. На их основе развивается произ-во и применение станков с число­вым программным управлением, пром. роботов, сметем автоматич. контроля качества продукции, управления цехами и з-дами, создаются гибкие автоматизир. переналаживаемые технологич. участки и цехи (гибкие автоматизир. произ-ва — ГАП), ориентированные на выпуск широкой номенклатуры изделий. Широкое применение электронной техники в пром-сти ведёт к повышению производительности труда и качества продукции, освобождает человека от выполнения однообразных утомительных операций и работ в условиях опасных для здоровья. На базе электронной техники реализуются осн. устройства автоматич. систем управления на объектах непре­рывного действия — электростанциях, прокатных станах, печах для плавки металла и др.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ составляют основу устройств контроля и управления технологич. про­цессами произ-ва самой электронной аппаратуры, и, в частности, микропроцессоров (обработка полу­проводниковых подложек, дозировка и подача газов и паров при наращивании монокрист. слоев на подложку и др.).

Микропроцессорная техника не только существен­но расширяет возможности автоматизации, но и позволяет использовать принципиально новые методы управления на основе матем. моделей объектов управления. Сравнение истинного поведения объекта с тем, к-рое прогнозируется в ходе функциони­рования модели, позволяет в необходимых случаях вести такое управление, когда система приобретает св-ва оптим. приспособления к окружающим условиям, что исключительно важно для мн. систем управления — от относительно простых систем автоматич. регулирования до роботов с «искусственным интеллектом».

При исключит. важности всего арсенала микро­процессорной техники отнюдь не устраняется необ­ходимость использования в системах автоматики и управления др. электронных средств. Наоборот, появляются новые условия для их применения в связи с общим научно-техн. прогрессом. Это относится как к простейшим электронным элементам (напр., реле), так и к сложным оптич., оптоэлектронным и др. устройствам.

В 30-х гг. окончательно сформировалась и полу­чила мировое признание советская школа радио­техники и радиофизики, подготовлена научно-техн. база для последующего развития электросвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и др. областей науки и техники. К кон. 30-х гг. создана крупная н.-и. и пром. база по произ-ву 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, к-рые бы выгодно отличались от электровакуумных по энергопотреблению, надёжности, габаритным размерам, технологичности изготовления и др. Использование крист. 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 (кон. 50-х — нач. 60-х гг.) и методов интеграции большого числа элементарных приборов (транзисторов, дио­дов, конденсаторов, резисторов) на одной монокрист. 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 неск. 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.

Технология электронных приборов. В основе принципа действия электронных приборов лежит использование разл. физико-хим. процессов в ве­ществе, а также использование разнообразных электрич., магн., оптич., электрохим. и др. св-в материалов, что придаёт исключит. значение физико-хим. исследованиям и разработкам науч. основ технологии в ходе создания и конструирования таких приборов. Важность проблемы обусловлена, во-первых, зависимостью св-в электронных приборов от количества и состава примесей в материале, из к-рого сделан рабочий элемент прибора, от количест­ва и состава веществ, сорбированных на поверх­ностях рабочих элементов, а также от состава газа и степени разряжения среды их окружающей, и, во-вторых, зависимостью надёжности и долговеч­ности электронных приборов от стабильности св-в в используемых материалах. Стабильное высокое качество электронных приборов при их массовом выпуске (достигающем сотен млн. и млрд. шт. в год) может достигаться только за счёт группового произ-ва с высоким уровнем автоматизации на базе передовой технологии.

Общие для всех направлений электроники особен­ности технологий состоят в исключительно высоких (по сравнению с др. отраслями техники) требо­ваниях, предъявляемых к св-вам используемых исходных материалов (в т. ч. используемых в ка­честве технологич. сред), степени защиты изделий от загрязнений в процессе произ-ва, геометрич. точности изготовления электронных приборов. С вы­полнением первого из этих требований связано создание материалов, обладающих сверхвысокими чистотой и совершенством структуры, с требуемыми физико-хим. св-вами — спец. сплавов, монокристал­лов, керамики, стёкол, растворителей и др. Полу­чение таких материалов и исследование их св-в составляет предмет спец. научно-техн. дисциплины — электронного материаловедения. Одной из самых острых проблем технологии, связанных с выполнением второго требования, является борьба за уменьшение запылённости газовой среды и загряз­нения жидких сред, в к-рых происходят технологич. процессы. В ряде случаев допустимая запылённость составляет не более трёх частиц размером менее 0,5 мкм на 1 дм³. О жёсткости требований к гео­метрич. точности изготовления электронных прибо­ров свидетельствуют, напр., след. цифры: в отдельных случаях относит, погрешность не должна превышать 10^-3%; абсолютная точность размеров и взаимного расположения элементов ИС достигает сотых долей мкм.

Для технологии электронного приборостроения характерно широкое использование таких прогрес­сивных технологич. операций, как электронно-луче­вая, ультразвуковая и лазерная обработка и сварка, электроискровая обработка, электронная, рентгенов­ская и ионная литография, молекулярная эпитаксия, ионная имплантация, плазмохим. обработка, а также использование методов и средств электронной, лазер­ной и ультразвуковой микроскопии, высокоточных средств контроля чистоты технологич. сред, исполь­зование вакуумных установок, обеспечивающих разряжение до 10^-13 мм рт. ст., и др. Сложность мн. технологич. процессов диктует исключение участия человека во всех критичных стадиях проектирования и произ-ва электронных приборов, где он может быть источником снижения качества продукции за счёт неизбежных ошибок и вносимых загрязнений. Это требование в совокупности с необходимостью повышения производительности труда обусловливает актуальность проблемы автоматизации самих техно­логич. процессов и всего произ-ва в целом на базе применения микропроцессорной техники и ЭВМ разл. классов. Необходимость создания спец. оборудования для произ-ва электронных приборов и их испытаний предопределило появление нового направления в ма­шиностроении — электронного машино­строения.

Области применения электроники. Достижения электронной науки и техники используются почти без исключения во всех областях человеческой деятельности. Ускоренными темпами электроника внедряется в науч. исследования, пром-сть, на транс­порт, в связь, сельское хозяйство, здравоохранение, культуру, быт, военное дело и др. Средства электрон­ной техники стали неотъемлемой частью сложных приборов и устройств самого широкого назначения. Особое место среди них занимают микропроцессоры, создаваемые на базе больших интегральных схем (БИС). Совр. микропроцессор представляет собой полупроводниковый кристалл размером ок. 5х5 мм², помещённый в пластмассовый или металлич. корпус. В кристалле методами пленарной технологии форми­руются десятки и сотни тыс. активных и пассивных электронных приборов, образующих сложную элек­тронную систему, к-рая по сравнению с традиц. электронными устройствами имеет новое, особое качество (т. н. интеллектуальные свойства), обеспе­чивающее прохождение электрич. сигналов по задан­ной программе, выполнение логич. и вычислит, функций. Решение таких задач достигается путём формирования на кристалле областей постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ), арифметико-логич. схем, регистров, дешифраторов команд, входных и выходных шин и др. Существуют две разновидности микропроцессоров: в виде одной БИС с фиксированной разрядностью и набором команд и секционированные в виде неск. БИС. Последние допускают наращивание функциональных возможностей за счёт подключения дополнит. БИС с хранящимися в них микрокомандами.

Повышение степени интеграции микросхем до (3—5)-10⁵ элементов в кристалле (сверхбольшие интегральные схемы — СБИС) привело к появлению микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ, к-рые содержат оперативный блок, блок микропро­граммного управления, ОЗУ, ПЗУ, устройства управ­ления. Однокристальные микро-ЭВМ, как правило, имеют постоянные наборы команд, хранящиеся в собственном ПЗУ. Существ, достоинство микро­процессоров и микро-ЭВМ определяется возможностью встраивать их в самые разнообразные объек­ты управления.

Внедрение микропроцессоров и микро-ЭВМ в уп­равление технологии, процессами рассматривается кок новый этап пром. революции. На их основе развивается произ-во и применение станков с число­вым программным управлением, пром. роботов, сметем автоматич. контроля качества продукции, управления цехами и з-дами, создаются гибкие автоматизир. переналаживаемые технологич. участки и цехи (гибкие автоматизир. произ-ва — ГАП), ориентированные на выпуск широкой номенклатуры изделий. Широкое применение электронной техники в пром-сти ведёт к повышению производительности труда и качества продукции, освобождает человека от выполнения однообразных утомительных операций и работ в условиях опасных для здоровья. На базе электронной техники реализуются осн. устройства автоматич. систем управления на объектах непре­рывного действия — электростанциях, прокатных станах, печах для плавки металла и др.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ составляют основу устройств контроля и управления технологич. про­цессами произ-ва самой электронной аппаратуры, и, в частности, микропроцессоров (обработка полу­проводниковых подложек, дозировка и подача газов и паров при наращивании монокрист. слоев на подложку и др.).

Микропроцессорная техника не только существен­но расширяет возможности автоматизации, но и позволяет использовать принципиально новые методы управления на основе матем. моделей объектов управления. Сравнение истинного поведения объекта с тем, к-рое прогнозируется в ходе функциони­рования модели, позволяет в необходимых случаях вести такое управление, когда система приобретает св-ва оптим. приспособления к окружающим условиям, что исключительно важно для мн. систем управления — от относительно простых систем автоматич. регулирования до роботов с «искусственным интеллектом».

При исключит. важности всего арсенала микро­процессорной техники отнюдь не устраняется необ­ходимость использования в системах автоматики и управления др. электронных средств. Наоборот, появляются новые условия для их применения в связи с общим научно-техн. прогрессом. Это относится как к простейшим электронным элементам (напр., реле), так и к сложным оптич., оптоэлектронным и др. устройствам.

На основе использования новейших достижений в области технологии и произ-ва электронных приборов продолжают развитие быстрыми темпами и традиц. области применения электроники — связь, радиовещание, телевидение и др.