Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электроника представляет собой бурноразвивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область, посвященная применению электронных приборов в промышленности, называется Промышленной Электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50-е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолакации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Предметами научных исследований в электронике являются:

Изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с эл./магнитными полями.

Разработка методов создания электронных приборов в которых это взаимодействие используется для преобразования энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания энергетических устройств, создания контрольно-измерительной аппаратуры, средств научного эксперимента и других целей.

Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутри прибора, так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки, для генерирования преобразования и приема эл./магнитных колебаний с частотой до 1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения. Последовательное практическое освоение спектра эл./магнитных колебаний является характерной чертой развития электроники.

1. Фундамент развития электроники

Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII-XIX вв. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили академики Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский ученый Франкель. В 1743 г. Ломоносов в оде "Вечерние размышления о божьем величие" изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния. Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов показали на опыте с помощью "громовой машины", что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды в воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются в воздухе и при отсутствии грозы, т.к. и в этом случае из "громовой машины" можно было извлекать искры. "Громовая машина" представляла собой Лейденскую банку установленную в жилом помещении. Одна из обкладок которой была соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленным на шесте во дворе.

В 1753 г. во время опытов был убит молнией, попавшей в шест, профессор Рихман, проводивший исследования. Ломоносов создал и общую теорию грозовых явлений, представляющую собой прообраз современной теории гроз. Ломоносов исследовал также свечение разряженного воздуха под действием машины с трением.

В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии - Василий Владимирович Петров впервые, за несколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя угольными электродами. Кроме этого фундаментального открытия, Петрову принадлежит описание разнообразных видов свечения разряженного воздуха при прохождении через него электрического тока. Свое открытие Петров описывает так: "Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены 2 или 3 древесных угля, и если металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстоянии от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее разгораются, и от которого темный покой освещен быть может. " Работы Петрова были истолкованы только на русском языке, зарубежным ученым они были не доступны. В России значимость работ не было понято и они были забыты. Поэтому открытие дугового разряда было приписано английскому физику Дэви.

Начавшееся изучение спектров поглощения и излучения различных тел привело немецкого ученого Плюккера к созданию Гейслеровых трубок. В 1857 году Плюккер установил, что спектр Гейслеровой трубки, вытянутой в капилляр и помещенной перед щелью спектроскопа, однозначно характеризует природу заключенного в ней газа и открыл первые три линии так называемой Бальмеровской спектральной серии водорода. Ученик Плюккера Гитторф изучал тлеющий разряд и в 1869 году опубликовал серию исследований эл./проводимости газов. Ему совместно с Плюккером принадлежат первые исследования катодных лучей, которые продолжил англичанин Крукс.

Существенный сдвиг в понимании явления газового разряда был вызван работами английского ученого Томсона, открывшего существование электронов и ионов. Томсон создал Кавендишскую лабораторию откуда вышел ряд физиков исследователей электрических зарядов газов (Таундсен, Астон, Резерфорд, Крукс, Ричардсон). В дальнейшем эта школа внесла крупный вклад в развитие электроники.

Из русских физиков над исследованием дуги и практическим ее применением для освещения работали: Яблочков (1847-1894), Чиколев (1845-1898), Славянов (сварка, переплавка металлов дугой), Бернардос (применение дуги для освещения).

Несколько позднее исследованием дуги занимались Лачинов и Миткевич. В 1905 году Миткевич установил природу процессов на катоде дугового разряда. Не самостоятельным разрядом воздуха занимался Столетов (1881-1891). Во время его классического исследования фотоэффекта в Московском университете Столетов для эксперимента построил "воздушный элемент" (В.Э.) с двумя электродами в воздухе, дающим электрический ток без включения в цепь посторонних ЭДС только при внешнем освещении катода. Столетов назвал этот эффект актиноэлектрическим. Он изучал этот эффект как при повышенном атмосферном давлении, так и при пониженном.

Специально построенная Столетовым аппаратура давала возможность создавать пониженное давление до 0,002 мм. рт. столба. В этих условиях актиноэлектрический эффект представлял собой не только фототок, но и фототок усиленный самостоятельным газовым разрядом. Свою статью об открытии этого эффекта Столетов закончил так: "Как бы ни пришлось окончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать некоторые своеобразные аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор малопонятными, разрядами Гейслеровых и Круксовых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений представляемых моим сетчатым конденсатором я невольно говорил себе, что передо мной Гейслеровая трубка, могущая действовать и без разряжения воздуха с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связанны со световыми явлениями. Там и здесь катод играет особую роль и по-видимому распыляется. Изучение актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессы распространения электричества в газах вообще…" Эти слова Столетова всецело оправдались.

В 1905 году Эйнштейн дал толкование фотоэффекту, связанного со световыми квантами и установил закон, названный его именем. Таким образом фотоэффект, открытый Столетовым, характеризует следующие законы:

Закон Столетова - количество имитируемых в единицу времени электронов пропорционально, при прочих равных условиях, интенсивности падающего на поверхность катода света. Равные условия здесь надо понимать как освещение поверхности катода монохраматическим светом одной и той же длины волны. Или светом одного и того же спектрального состава.

Максимальная скорость электронов покидающих поверхность катода при внешнем фотоэффекте определяется соотношением:

величина кванта энергии монохроматического излучения падающего на поверхность катода.

Работа выхода электрона из металла.

Скорость фотоэлектронов покидающих поверхность катодов не зависит от интенсивности падающего на катод излучения.

Впервые обнаружил внешний фотоэффект немецкий физик Герц (1887 г.). Экспериментируя с открытым им электромагнитным полем. Герц заметил, что в искровом промежутке приемного контура искра, обнаруживающая наличие электрических колебаний в контуре проскакивает при прочих равных условиях легче в том случае если на искровой промежуток падает свет от искрового разряда в генераторном контуре.

Рис. 1

В 1881 году Эдисон впервые обнаружил явление термоэлектронной эмиссии. Проводя различные эксперименты с угольными лампами накаливания, он построил лампу содержащую в вакууме, кроме угольной нити, еще металлическую пластинку А от которой был выведен проводник Р. Если соединить провод через гальванометр с положительным концом нити, то через гальванометр идет ток, если соединить с отрицательным, то ток не обнаруживается. Это явление было названо эффектом Эдисона. Явление испускания электронов раскаленными металлами и другими телами в вакууме или в газе было названо термоэлектронной эмиссией.

2. Этапы развития электроники

1 этап. К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350 м.

Успехи электроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии.

Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.

2 этап. Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод.

Основными частями диода (рис. 2) являются два электрода находящиеся в вакууме. Металлический анод (А) и металлический катод (К) нагреваемый электрическим током до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия.

При высоком вакууме разряжение газа между электродами таково, что длина свободного пробега электронов значительно превосходит расстояние между электродами, поэтому при положительном, относительно катода напряжении на аноде V_a электроны движутся к аноду, вызывая ток I_a в анодной цепи. При отрицательном напряжении анода V_a эмитируемые электроны возвращаются на катод и ток в анодной цепи равен нулю. Таким образом электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что используется при выпрямлении переменного тока.

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А) металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение V_c можно управлять анодным током I_a практически без инерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа - триод (рис. 3). Ее свойства как прибора для усиления и генерирования высокочастотных колебаний обусловили быстрое развитие радиосвязи. Если плотность газа наполняющего баллон настолько высока, что длина свободного пробега электронов оказывается меньше расстояния между электродами, то электронный поток, проходя через межэлектродное расстояние взаимодействует с газовой средой в результате чего свойства среды резко изменяются. Газовая среда ионизируется и переходит в состояние плазмы, характеризующееся высокой электропроводностью. Это свойство плазмы было использовано американским ученым Хеллом в разработанном им в 1905 г. газотроне - мощном выпрямительном диоде наполненном газом. Изобретение газотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов.

В разных странах стало быстро развиваться производство электронных ламп. Особенно сильно это развитие стимулировалось военным значением радиосвязи. Поэтому 1913-1919 годы - период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания. Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции на ламповые, что практически решило проблему радиотелефонии. С этого времени радиотехника становится ламповой. В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР. Папалекси окончил Страсбургский университет, где работал под руководством Брауна. Первые радиолампы Папалекси из-за отсутствия совершенной откачки были не вакуумными, а газонаполненными (ртутными). С 1914-1916 гг. Папалекси проводил опыты по радиотелеграфии. Работал в области радиосвязи с подводными лодками. Руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп.

С 1923-1935 гг. совместно с Мандельштамом руководил научным отделом центральной радиолаборатории в Ленинграде. С 1935 года работал председателем научного совета по радиофизике и радиотехнике при академии наук СССР.

Первые в России электровакуумные приемо-усилительные радиолампы были изготовлены Бонч-Бруевичем. Он родился в г. Орле (1888 г.). В 1909 году окончил инженерное училище в Петербурге. В 1914 г. окончил офицерскую электротехническую школу. С 1916 по 1918 г. занимался созданием электронных ламп и организовал их производство. В 1918 году возглавил Нижегородскую радиолабораторию, объединив лучших радиоспециалистов того времени (Остряков, Пистолькорс, Шорин, Лосев). В марте 1919 года в нижегородской радиолаборатории началось серийное производство электровакуумной лампы РП-1.

В 1920 году Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт. Видные немецкие ученые, ознакомившись с достижениями Нижегородской лаборатории признали приоритет России в создании мощных генераторных ламп. Большие работы по созданию электровакуумных приборов развернулись в Петрограде. Здесь работали Чернышев, Богословский, Векшинский, Оболенский, Шапошников, Зусмановский, Александров. Важное значение для развития электровакуумной техники имело изобретение нагреваемого катода. В 1922 году в Петрограде был создан электровакуумный завод, который слился с электроламповым заводом "Светлана". В научно-исследовательской лаборатории этого завода, Векшинским были проведены многосторонние исследования в области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионным свойствам катодов, газовыделению металла и стекла и другие).

Переход от длинных волн к коротким и средним, и изобретение супергетеродина и развитие радиовещания потребовали разработки более совершенных ламп, чем триоды. Разработанная в 1924 г. и усовершенствованная в 1926 г. американцем Хеллом экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), и предложенная им же 1930 г. электровакуумная лампа с тремя сетками (пентод), решили задачу повышения рабочих частот радиовещания. Пентоды стали самыми распространенными радиолампами.

Развитие специальных методов радиоприема вызвало в 1934-1935 годах появления новых типов многосеточных частотопреобразовательных радиоламп. Появились также разнообразные комбинированные радиолампы, применение которых позволило значительно уменьшить число радиоламп в приемнике. Особенно наглядно взаимосвязь между электровакуумной и радиотехникой проявилась в период, когда радиотехника перешла к освоению и использованию диапазона УКВ (ультракороткие волны - метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые диапазоны). Для этой цели, во-первых, были значительно усовершенствованы уже известные радиолампы. Во-вторых, были разработаны электровакуумные приборы с новыми принципами управления электронными потоками. Сюда относятся многорезонаторные магнетроны(1938г), клистроны(1942г), лампы обратной волны ЛОВ (1953 г). Такие приборы могли генерировать и усиливать колебания очень высоких частот, включая миллиметровый диапазон волн. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие таких отраслей как радионавигация, радиолакация, импульсная многоканальная связь.

Советский радиофизик Рожанский в 1932 г. предложил создать приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идее Арсеньев и Хейль в 1939 г. построили первые приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ (сверх высокие частоты). Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Хохлова, Гуревича, которые в 1938 - 1941 годах сконструировали триоды с плоскими дисковыми электродами. По этому же принципу в Германии были изготовлены металлокерамические лампы, а в США маячковые лампы.

Созданные в 1943г. Компфнером лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечили дальнейшее развитие СВЧ систем радиорелейной связи. Для генерации мощных СВЧ колебаний в 1921 г. был предложен магнетрон, его автор Хелл. По магнетрону исследования проводили русские ученые - Слуцкий, Грехова, Штейнберг, Калинин, Зусмановский, Брауде, в Японии - Яги, Окабе. Современные магнетроны берут свое начало в 1936-1937 годах, когда по идее Бонч-Бруевича его сотрудники, Алексеев и Моляров, разработали многорезонаторные магнетроны.

В 1934 году сотрудники центральной радиолаборатории, Коровин и Румянцев, провели первый эксперимент по применению радиолакации и определению летящего самолета. В 1935 г. теоретические основы радиолакации были разработаны в Ленинградском физико-техническом институте Кобзаревым. Одновременно с разработкой вакуумных электроприборов, на втором этапе развития электроники, создавались и совершенствовались газоразрядные приборы.

В 1918 г. в результате исследовательской работы доктора Шретера немецкая фирма "Пинтш" выпустила первые промышленные лампы тлеющего разряда на 220 В. начиная с 1921 года голландская фирма Philips выпустила первые неоновые лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первые миниатюрные неоновые лампы появились в 1929 г.

В 1930 году Ноулз впервые опубликовал описание неоновой лампы тлеющего разряда, в которой возникновение разряда между анодом и катодом вызывается третьим электродом. Первый тиратрон тлеющего разряда (рис. 4), который нашел широкое применение, сконструировал в 1936 году изобретатель фирмы "Белл Телефон". В то время он именовался "Лампа - 313А". В этом же году другой изобретатель - Витли, предложил свою конструкцию тиратрона. Где с помощью тока (I_c ) управляющего электрода (с) создается необходимый начальный уровень концентрации электронов и ионов, в вакуумном промежутке анод - катод. Этот уровень обеспечивает появление тлеющего разряда. Этот же эффект используется в декатроне, предложенном фирмой "Эриксон". Декатрон представляет собой десятикатодный переключатель(рис. 5), состоящий из одного анода (А) и десяти катодов (К1, К2, К3…, К10) и расположенных между катодами подкатодов (1, 2). Заряд переносится с одного катода на другой путем последовательной подачи пар управляющих импульсов на подкатоды. Пусть существует тлеющий заряд между катодом К1 и анодом А, если потенциал подкатода 1 будет ниже, чем К1 заряд перекинется на подкатод 1. Подавая отрицательный импульс на подкатод 1 и следом на 2, переносят заряд на К1 и К2.

Первый советский тиратрон тлеющего разряда был разработан в 1940 году в лаборатории завода "Светлана". По своим параметрам он был близок к параметрам фирмы "RCA". Свечение, сопровождающее газовый разряд, стали использовать в знаковых газоразрядных индикаторах: при подаче напряжения на тот или иной катод (знак) возникает светящееся изображение.

В 30-е годы были заложены основы радиотелевидения. Первые предложения о специальных передающих трубках сделали независимо друг от друга Константинов и Катаев. Подобные же трубки названные иконоскопами построил в США Владимир Константинович Зворыкин. В 1912 г. он окончил Петербургский экономический институт. В 1914 г. колледж "Де Франс" в Париже. В 1917 эмигрировал в США. В 1920 г. поступил в фирму "Вестингаус Электрик". В 1929 г. возглавил лабораторию американской радиокорпорации "Камдем и Пристон". В 1931 г. Зворыкин создал первый иконоскоп - передающую трубку, которая сделала возможным развитие электронных телевизионных систем. В 1933 г. Шмаков и Тимофеев предложили более чувствительные передающие трубки - супериконоскоп. Позволивший вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Шмаков родился в 1885 г., в 1912 г. закончил МГУ, работал (1924-30 гг.) в МВТУ, (1930-32 гг.) работал в МЭИ, в 1933 изобрел супериконоскоп, (1935-37 гг.) заведовал лабораторией в Всесоюзном НИИ телевидения в Ленинграде. Тимофеев родился в 1902 г., в 1925 г. закончил МГУ, (1925-28 гг.) работал в МВТУ, в 1933 г. вместе со Шмаковым изобрел иконоскоп. Остальные труды относились к области: фотоэффекта, вторичной электронной эмиссии, разрядов в газах, электронной оптики. Разработал конструкции электронных умножителей, электронно-оптических преобразователей.

В 1939 г. советский ученый Брауде предложил идею создания еще более чувствительной передающей трубки названной суперортикон. К 1930 годам относятся первые эксперименты с очень простыми передающими устройствами получившими название видикон. Идея создания видикона была выдвинута Чернышевым в 1925 году. Первые практические образцы видиконов появились в США в 1946 г.

Иконоскоп (рис. 7) представляет собой электроннолучевую трубку в которой с помощью электронного луча и светочувствительной мозаики происходит преобразование световой энергии в электрические видеоимпульсы. Иконоскоп имеет стеклянный баллон (4) в котором находится светочувствительная мозаика (6), состоящая из нескольких миллионов изолированных друг от друга зерен серебра (Ag) покрытых цезием (Cs). Мозаика наносится на тонкую слюдяную пластинку размером 100х100 мм. На обратной стороне слюдяной пластины находится сигнальная пластина (5), представляющая собой миниатюрный фотокатод, излучающий свободные электроны под действием света. Каждое зерно светочувствительной мозаики совместно с сигнальной пластиной можно рассматривать как элементарный конденсатор со слюдяным диэлектриком.

При освещении мозаики через линзу (2) светом отраженным от передаваемого изображения (1), мозаика превращается в систему конденсаторов заряд которых пропорционален освещенности соответствующих зерен. Свободные электроны эмитируемые фотокатодом (5) собираются коллектором (3) на который падает положительное по отношению к сигнальной пластине напряжение. Коллектором служит проводящий слой нанесенный на внутреннюю стенку иконоскопа. Электронный прожектор (8) создает луч, который с помощью отклоняющей системы (7) построчно обегает все зерна мозаики и снимает с них положительный заряд. Свободные электроны электронного луча занимают место электронов вылетевших из мозаики в результате фотоэлектронной эмиссии. Разряд микроскопических конденсаторов вызывает прохождение токов через резистор нагрузки (R_н) и цепь катода (К) электронного прожектора. Падение напряжения на резисторе (R_н) пропорционально освещенности элементарных участков мозаики с которых в данный момент электронный луч снимает положительный заряд. Недостатком иконоскопа является малый КПД и низкая чувствительность. Для работы такого иконоскопа требуется очень большая освещенность передаваемого объекта.

На (рис. 8) приведена принципиальная схема видикона. На внутреннюю торцевую поверхность баллона видикона наносится полупрозрачный слой золота, исполняющего роль сигнальной пластины (9). На этот слой наносится фоторезист (8) - это кристаллический Селен или трехсернистая Сурьма. Свободные электроны, излучаемые катодом (К), формируются в электронный луч с помощью управляющего электрода (11) и двух ускоряющих анодов (5 и 6). Фокусировка луча осуществляется с помощью фокусирующей катушки (3). Сетка (7) расположенная перед фоторезистом создает однородное тормозящее поле, которое препятствует к образованию ионного пятна и обеспечивает нормальное падение электронного луча. Отклоняющие катушки (4) питаются пилообразными токами и заставляют электронный луч построчно обегать рабочий участок фоторезиста(8). Корректирующие (1) и центрирующие (2) катушки дают возможность перемещать электронный луч в 2-х взаимно перпендикулярных областях. Электропроводность фоторезиста зависит от его освещенности. Электронный луч, попадая на поверхность мишени, выбивает вторичные электроны, число которых больше, чем первичных, потому поверхность мишени, обращенная к электронному прожектору, заряжается положительно до потенциала, близкого потенциалу ускоряющего анода (5). Потенциалы другой стороны мишени, обращенной к передаваемому изображению, близки к потенциалу сигнальной пластины. Каждый элемент мишени можно рассматривать как конденсатор с потерями, электропроводность, которого зависит от интенсивности освещения. Изменение потенциала элементов мишени электронным лучом и является видеосигналом снимаемым с резистора нагрузки R_н. Напряжение снимаемое с резистора R_н пропорционально освещенности того элемента на котором в данный момент находится электронный луч.

3. Третий период развития электроники

3.1 Изобретение точечного транзистора

Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии (Sc) и Германии (Ge) [Литература: Дж. Грик "Физика XX в. Ключевые эксперименты", М. 1978 г.] Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:

униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.

биполярные, где использовались разнополярные носители(электроны и дырки).

Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось. Успех был достигнут 23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории "Белл Телефон"- Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли. Бардин и Браттейн в результате многочисленных вариантов получили работающий полупроводниковый прибор. Информация об этом изобретении появилась в журнале "The Physical Review" в июле 1948 года. Вот как об этом изобретении писали сами авторы: "Приводится описание трехэлементного электронного устройства, использующего вновь открытый принцип, который основан на применение полупроводника в качестве основного элемента. Устройство может быть использовано, как усилитель, генератор и в других целях, для которых обычно применяются вакуумные электронные лампы. Устройство состоит из трех электродов размещенных на германиевом блоке, как показано на Рис. 3.1

Два из этих электродов называющиеся, эмиттером (Э) и коллектором (К), являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности. Третий электрод, большой площади и маленького радиуса, нанесен на основание - базу (Б). Использовался Ge n-типа. Точечные контакты изготовлялись как из Вольфрама так и из фосфористой бронзы. Каждый точечный контакт в отдельности вместе с электродом базы образует выпрямитель с высоким обратным сопротивлением. Ток, направление которого по отношению ко всему объему кристалла является прямым, создается дырками т.е. носителями, имеющими противоположный знак по отношению к носителям обычно присутствующим в избытке внутри объема Ge. Когда два точечных контакта расположены очень близко друг к другу и к ним приложено постоянное напряжение, контакты оказывают взаимное влияние друг на друга. Благодаря этому влиянию возможно использовать данное устройство для усиления сигнала переменного тока. Электрическая цепь с помощью которой можно этого добиться показана на Рис. 3.1. К эмиттеру приложено небольшое положительное напряжение в прямом направлении, которое вызывает ток в несколько миллиампер через поверхность. К коллектору прикладывается обратное напряжение, достаточно большое для того чтобы ток коллектора был равным или больше тока эмиттера(I_k ? I_э). Знак напряжения на коллекторе таков, что он притягивает дырки идущие от эмиттера. В результате большая часть тока эмиттера проходит через коллектор. Коллектор создает большое сопротивление для электронов текущих в полупроводник, и почти не препятствует потоку дырок в точечный. Если ток эмиттера модулировать напряжением сигнала, то это приводит к соответствующему изменению тока коллектора. Была получена большая величина отношения выходного напряжения к входному, такого же порядка, что и отношение импедансов, выпрямляющего точечного контакта в обратном и прямом направлении. Таким образом возникает соответствующее усиление мощности выходного сигнала. Получили выигрыш в мощности в 100 раз. Подобные устройства работали как усилители при частотах вплоть до 10 МГц(мегагерц)."

Устройство изобретенное Бардиным и Браттейном было названо точечным транзистором типа А и представлял собой конструкцию представленную на Рис. 3.2. Где (1) кристалл Германия, (2) вывод эмиттера, (3) вывод базы. Усиление сигнала осуществлялось за счет большого различия в величинах сопротивления, низкоомного входного и высокоомного выходного. Поэтому создатели нового прибора назвали его сокращенно - транзистором (в пер. с английского - "преобразователь сопротивления").

Рис. 3.3

лампа диод транзистор интегральный микросхема

3.2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора

Одновременно, в период апрель 1947 - январь 1948 г., Шокли опубликовал теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход между областями p- и n- типа. (Рис. 3.3)

Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем, обладает малым сопротивлением, когда р-область - положительна по отношению к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость. Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла полупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 3.4) Положительная р-область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-область представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных контактов используются две p-n области. В точечном транзисторе два металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая - менее 25 мкм. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-p транзистора условие соответствует - положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для n-p-n - обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер и положительный коллектор.

Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

Рис. 3.4

3.3 Предпосылки появления транзисторов

Появление транзисторов - это результат кропотливой работы десятков выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течение предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии, материаловедению.

Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается.

В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников:

Появление ЭДС при освещении полупроводника.

Рост электрической проводимости полупроводника при освещении.

Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.

В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин". Схема кристадина (Рис. 3.5) содержит входной настраиваемый контур L₁C₁ к которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя П₁ параллельно входному контуру подключается детектор Д₁. Такой детектор может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 3.5(б)). На этом участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит к частичной компенсации потерь в контуре L₁C₁ и тогда приемник становится генератором.

Рис. 3.5 а

Рис. 3.5 б

Потенциометр R₁ регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку L₂.

Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был огромный. "Сенсационное изобретение" - под таким заголовком американский журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", - писал журнал, выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.

Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 20 лет это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под руководством академика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: "Полупроводники - новые материалы электроники". Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые - Б.В. Курчатов, В.П. Жузе и др. В своей работе - "К вопросу об электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой примеси. Немного позднее, советский физик - Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые электроны не могут принимать) - "зонная теория полупроводников".

В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а затем и плоскостного транзистора.

3.4 История развития полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд - автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.

Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 3.6

Рис. 3.6а

Рис. 3.6б

Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор. В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл. Схема из патента №439457 представлена на Рис. 3.7 где:

1 - управляющий электрод

2 - тонкий слой полупроводника (теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия), 3,4 - омические контакты к полупроводнику

5 - источник постоянного тока

6 - источник переменного напряжения

7 - амперметр

Рис. 3.7 Патент о. Хейла

Рис. 3.8 Полевой транзистор Шокли

Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.

Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.

В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n - перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 3.8 - это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, - сток. Третий вывод от p-n-перехода называют затвор.

Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.

В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:

1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.

2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.

3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.

3.5 История развития серийного производства транзисторов в США и СССР

Ускоренная разработка и производство транзисторов развернулись в США в кремниевой долине, расположенной в 80-ти км от Сан-Франциско. Возникновение кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена - декана инженерного факультета Стенфордского университета, когда его студенты Хьюлетт, Паккард и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во время второй мировой войны.

Бурное развитие кремниевой долины началось, когда Шокли покинул "BTL" и основал собственную фирму по производству кремниевых транзисторов при финансовой помощи питомца Калифорнийского политехнического института А. Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г., как отделение фирмы "Beckman Instruments" в армейских казармах Паоло-Алто. Шокли пригласил 12 специалистов (Хорсли, Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Джонс, Клейнер, Блэнк, Нэпик, Са). В 1957 г. фирма изменила свое название на "Shockly Transistor Corporation". Вскоре 8 специалистов (Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Клейнер, Блэнк) договорились с Беккманом и создали отдельную самостоятельную фирму "Fairchild Semiconductor Corporation" в основе деятельности, которой лежало массовое производство высококачественных кремниевых биполярных транзисторов. В качестве первого изделия был выбран в 1957 г. кремниевый n-p-n мезатранзистор с двойной диффузией типа 2N696. Он требовал всего лишь два процесса фотолитографии для создания эмиттера и металлических контактов. Термин мезатранзистор был предложен Эрли из "BTL". Введя дополнительную операцию фотолитографии, Хорни заменил мезаструктуру коллектора диффузионным карманом и закрыл место пересечения эмиторного и коллекторного переходов с поверхностью термическим оксидом(1000^oС). Технологию таких транзисторов Хорни назвал планарным процессом. В 1961 г. был начат крупносерийный выпуск двух планарных кремниевых биполярных транзисторов 2N613(n-p-n), 2N869(p-n-p)

Институт полупроводниковых материалов и оборудования (США) составил генеалогическое дерево, и первые ветви, отпочкованные от фирмы Shockley выглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали Amelco, которая позже превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 году создал Union Corbide Electronics, в 1967 году - Intersil. Ежегодно создавалось по четыре фирмы, и за период с 1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более 100 фирм. Рост продолжается и сейчас. Он стимулируется близостью Стенфордского и Калифорнийского университета и активным участием их сотрудников в деле организации фирм (Рис. 3.9).

Рис. 3.9 Динамика развития кремниевой долины

Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц. Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными характеристиками. Шло время, осваивались новые методы изготовления транзисторов, и транзисторы П1-П6 уже не удовлетворяли действующим требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы типа П13-П16, П201-П203, которые тоже относились к низкочастотным непревышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления. Поэтому транзисторы П1-П6, П13-П16, П201-П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появились значительно позже - это были транзисторы типа П401-П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению новых методов их изготовления.

4. Предпосылки появления микроэлектроники

4.1 Требования миниатюризации электрорадиоэлементов со стороны разработчиков радиоаппаратуры

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных ЭРЭ (электрорадиоэлементов) и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Даже опытные сборщики и наладчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000 спаек. Разработчики предполагали новые перспективные схемы, а изготовители не могли запустить эти схемы сразу после сборки т.к. при монтаже не удавалось избежать ошибок, обрывов в цепи за счет не пропаев, и коротких замыканий. Требовалась длинная и кропотливая наладка. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40-х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла. Переход к изготовлению на одной подложке нескольких соединенных между собой конденсаторов, а затем соединение их с композиционными резисторами, наносимыми также с помощью трафарета, с последующим вжиганием привело к созданию гибридных схем, состоящих из конденсаторов и резисторов. Вскоре в состав гибридных схем были включены и дискретные активные и пассивные компоненты: навесные конденсаторы, диоды и транзисторы. В дальнейшем развитии гибридных схем навесным монтажем были включены сверхминиатюрные электровакуумные лампы. Такие схемы получили название толстопленочные гибридные интегральные микросхемы (ГИС). Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов(проводящих, диэлектрических, резистивных).