Краткий исторический обзор развития электроники

Современная электроника как важнейшая отрасль науки и техники развива­лась на основе физики и электротехники на базе тех открытий и изобретений, которые были сделаны в конце XIX — начале XX века, но корнями своими уходят в более далекие времена. В 1752 г. М. В. Ломоносов и Б. Франклии почти одновременно и независимо друг от друга показали на опытах, что гром и молния представляют собой явления, сопровождающие мощный электрический разряд в атмосфере. В 1785 г. Ш. Кулон обнаружил утечку электрических зарядов через воздух, т. е. темный разряд.

Следующее, XIX столетие ознаменовалось большим количеством важнейших открытий и изобретений, приведших к возникновению электроники. Русский электрик П. Н. Яблочков исследовал электрическую дугу и в 1876 г. практически применил ее для освещения. В 1872 г. А. Н. Лодыгин изобрел электрическую осве­тительную лампу с нитью накаливания, которая является прообразом электро­вакуумного прибора. В 1883 г. Томас Эдисон обнаружил прохождение электри­ческого тока в вакууме между раскаленной нитью и положительной пластинкой. Однако он не мог ни объяснить, ни применить это явление. Оно было объяснено лишь после открытия в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном существования электронов и успехов физики в области разработки электронной теории строения вещества.

Открытое Т. Эдисоном явление получило практическое применение в 1904 г. — при создании англичанином Д. Флемингом двухэлектродной электронной лампы и использовании ее для выпрямления переменного тока.

В 1907 г. Ли де Форест в Америке ввел в электронную лампу третий электрод и обнаружил усилительные свойства этой лампы — триода.

Изобретение радио в 1895 г. русским ученым А. С. Поповым и появление элек­тронных ламп способствовало бурному развитию радиотехники.

В России в 1910 г. В. И. Коваленков продемонстрировал макет усилителя на триоде. Первые электровакуумные триоды, наполненные парами ртути, были раз­работаны академиком Н. Д. Папалекси в 1914 г., а первые вакуумные приемно­усилительные лампы создал М. А. Бонч-Бруевич в 1916 г. Однако в технически отсталой царской России эти изобретения, как и многие другие, не были исполь­зованы, поскольку не существовало электровакуумной промышленности. Она начала развиваться только после Октябрьской революции.

Началом развития отечественной радиоэлектронной промышленности следует считать создание в 1918 г. по инициативе В. И. Ленина радиолаборатории в Ниж­нем Новгороде. Она явилась научной и одновременно производственной базой для развития радиоэлектроники в Советском Союзе. В ней под руководством М. А. Бонч- Бруевича работали крупные ученые и инженеры, такие, как В. П. Вологдин, А. Ф. Шорин, О. В. Лосев. Ими были разработаны и освоены в производстве радиоприемные лампы и мощные генераторные лампы для радиопередатчиков.

Дальнейшее развитие радиотехники потребовало разработки более сложных электронных ламп: в 1924—1926 гг. был создан тетрод, в 1930—1931 гг. — пентод, в 1934—1935 гг. — многосеточные и комбинированные лампы.

Параллельно с Нижегородской радиолабораторией с 1917 г. в Москве и Петрограде в области радиоэлектроники работали ячейки физиков, превративши­еся впоследствии в крупные лаборатории и научно-исследовательские институты. В них создавались радиолампы, разрабатывалась теория- электронных процессов, изучались фотоэлектрические явления. В 1922 г. в Петрограде на базе лаборато­рии, руководимой А. А. Чернышевым и С. А. Векшинским, был создан электро­ламповый завод, получивший в 1928 г. название «Светлана».

Одновременно с электронными лампами развивались газоразрядные приборы: в 1908 г. В. П. Вологдиным разработаны ртутные выпрямители, в 1929—1931 гг. созданы газотроны, тиратроны, затем стабилитроны, неоновые лампы и другие.

Для развития способов передачи изображения и измерительной техники созда­вались фотоэлектронные и электронно-оптические приборы. В 1887—1889 гг. А. Г. Столетов вывел основной закон фотоэлектронной эмиссии, на основании ко­торого был создан первый фотоэлемент. Углубление теории этой работы дал А. Эйнштейн, установив в 1905 г. второй закон фотоэлектронной эмиссии. В 1932—1934 гг. советские ученые С. А. Векшинский, П. В. Тимофеев, Л. А. Ку- бецкий разработали фотоумножители.

В России одну из первых электроннолучевых трубок для осциллографа пред­ложил в 1910—1911 гг. Д. А. Рожанский, а в 1912 г. профессор Б. Л. Розинг про­демонстрировал возможность использования электроннолучевых трубок для пере­дачи и приема телевизионного изображения. Созданием передающих и приемных электроннолучевых трубок занимались советские ученые П. В. Шмаков, П. В. Ти­мофеев, С. И. Катаев.

На современном этапе развития электроники полупроводниковые приборы практически вытеснили электровакуумные почти во всех областях науки и техни­ки. Интересна история их развития. Еще в 1874 г. А. С. Попов обнаружил выпря­мительные свойства контактов между металлом и некоторыми сернистыми соеди­нениями, а в 1900 г. он впервые применил в своем приемнике кристаллический детектор в виде графитовой пластинки и металлической иглы. Однако физические основы действия полупроводниковых приборов еще не были изучены и полупро­водники долгое время не находили технического применения.

О. В. Лосев, изучая полупроводниковые кристаллы в Нижегородской радиолаборатории, разработал в 1922 г. радиоприемник с использованием такого кристалла. Дальнейшие его работы привели в 1923 г. к обнаружению в кристал­лах явления свечения, что позднее легло в основу создания светоизлучающих диодов и лазеров. Долгое время внедрение полупроводников в радиотехнику тормозилось недостаточным знанием их свойств, отсутствием теоретической и технологической базы для их создания. Широкое исследование полупроводников проводили в 30-е годы советские ученые под руководством академика А. Ф. Иоффе. Большой вклад в развитие полупроводниковой техники внесли Б. В. Курчатов, Б. Т. Коломиец, Д. Н. Наследов и другие физики исследованиями фотоэлектри­ческих явлений в полупроводниках.

В 1940 г. были изготовлены первые точечные германиевые и кремниевые диоды. В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и У. Браттейн разработали и изготовили первый германиевый точечный транзистор. В 1951 г. были созданы плоскостные транзисторы. В 1952 г. У. Шокли разработал теорию плоскостных транзисторов, а также полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Поз­днее появились тиристоры, фотодиоды.

Первые отечественные транзисторы были созданы в 1949 г. А. В. Красиловым и С. Г. Мадояном. В 1950 г. предложены кремниевые СВЧ-диоды, а в 1961 г,— германиевые; в 1954 г. — солнечные батареи. В 60-е годы разработаны новые методы технологии изготовления полупроводниковых структур, предложены МОП-структуры, получено когерентное излучение полупроводников, появились туннельные диоды, варикапы, СВЧ-транзисторы, эффективные светоизлучающие диоды.

Все это положило начало бурному развитию полупроводниковой электроники, возникла лазерная техника. В 1964 г. за большой вклад в развитие квантовой радиофизики советским ученым Н. Г. Басову и А. А. Прохорову была присуждена Нобелевская премия. В 1972 г. Ж. И. Алферов создал инжекционные лазеры.

Полупроводниковая электроника вошла во все отрасли науки и техники. Ее успехи создали базу для развития микроэлектроники, которая позволяет решить проблему уменьшения массы, габаритов и стоимости электронной аппаратуры при одновременном увеличении ее сложности, расширении функций и повышении надежности.

Микроэлектроника занимается исследованием, разработкой, конструирова­нием, изготовлением и применением микроэлектронных изделий. Ее основные направления — интегральная и функциональная микроэлектроника.

Интегральная микроэлектроника создает микроэлектронные изделия на базе интегральных схем. Технология их изготовления основана на объединении всех элементов электронного узла, аналогичных обычным радиодеталям, внутри или на поверхности полупроводникового кристалла. Каждый элемент формируется в определенном микроучастке кристалла. При этом все элементы и их межсоедине­ния создаются в едином технологическом процессе, после чего кристалл гермети­зируется в корпусе с выводами для внешних соединений. Полученная интеграль­ная микросхема выполняет определенную функцию преобразования электричес­кого сигнала и является законченным узлом устройства — усилителем, выпрями­телем, фильтром, логическим элементом ЭВМ и т. п.

Функциональная микроэлектроника создает функциональные приборы и микросхемы. Они отличаются от интегральных микросхем тем, что не имеют элементов, аналогичных радиодеталям, — диодов, транзисторов, резисторов и кон­денсаторов. Для преобразования сигналов в них осуществляется превращение одного вида энергии в другой за счет использования различных свойств веществ и явлений в твердом теле, как связанных, так и не связанных с электропровод­ностью: фотоэлектрических, оптических, магнитных, электрохимических, тепловых, ультразвуковых и т. д. В зависимости от используемых явлений различают на­правления функциональной микроэлектроники. Одним из них, получившим широ­кое распространение, является оптоэлектроника, основанная на преобразовании электрических сигналов в оптические и наоборот. Для этого служат оптопары, содержащие светоизлучающие диоды и фотодиоды, используемые в приборах, называемых оптронами.

Первые разработки в области интегральных микросхем появились в конце 50-х — начале 60-х г. В 1961 —1962 гг. начали создавать отечественные микро­схемы на биполярных транзисторах, а в 1964 г. — на полевых транзисторах. С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем.

В настоящее время микроэлектроника создает сверхбольшие и сверхбыстро­действующие микросхемы и микропроцессоры. Одновременно все большее разви­тие получает функциональная микроэлектроника.

Постоянное совершенствование производства полупроводниковых приборов идет по пути разработки новых технологических процессов и методов использо­вания новых материалов, широкого внедрения автоматизации и механизации производственных процессов.