Надо Знать

добавить знаний



Электроника



План:


Введение

Электронные компоненты поверхностного монтажа
Цифровой вольтметр, подключенный к плате электронного устройства

Электроника (от греч. Ηλεκτρόνιο - электрон):

  • наука о электронные и ионные процессы в вакууме, газах и твердых телах;
  • отрасль техники, которая занимается разработкой, производством и применением электронных и ионных приборов;
  • (Збирн., изм.) Электронные устройства - класс устройств, в которых происходит преобразование электромагнитной энергии, для передачи, обработки и хранения информации.

Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации.

Наиболее характерные виды таких преобразований - генерирование, писилення и прием электромагнитных колебаний с частотой до 10 12 Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (10 12 -10 20 Гц). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона - наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки.

Электроника - отрасль физики и техники, в которой исследуются электронные процессы, связанные с образованием и управлением движения свободных электронов и / или других заряженных частиц в различных средах ( вакуум, твердое тело, газ, плазма) и на их границах, а также проблемы и методы разработки электронных приборов различного назначения.


Электроника опирается на многие разделы физики - электродинамике, классическую и квантовую механику, физику твердого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других отраслей знаний, Е., с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой - создает новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования. Практические задания электроники: разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные функции в системах преобразования и передачи информации, в системах управления, в вычислительной технике, а также в энергетических устройствах, разработка научных основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей электронные и ионные процессы и приборы для различных отраслей науки и техники.

Электроника играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических показателей производства. На основе достижений электроники развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидение, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др..


1. Историческая справка

Е. зародилась в начале 20 в. после создания основ электродинамики (1856-73), исследование свойств термоэлектронной эмиссии (1882-1901), фотоэлектронной эмиссии (1887-1905), рентгеновских лучей (1895-97), открытие электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897) , создания электронной теории (1892-1909). Развитие Э. началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904), трехэлектродной лампы - триода (Л. де Форест, 1906); использования триода для генерирования электрических колебаний (немецкий инженер А. Мейснер, 1913) ; разработки мощных генераторных ламп с водяным охлаждением (М. А. Бонч-Бруевич, 1919-25) для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания. Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал А. Г. Столетов, 1888; промышленные образцы - немецкие ученые Ю. Эльстер и Г. Хейтель 1910); фотоэлектронных умножителей - однокаскадные (П. В. Тимофеев, 1928) и многокаскадные (Л. А. Кубецким, 1930) - позволили создать звуковое кино, послужили основой для разработки передающих телевизионных трубок: видикона (идея предложена в 1925 А. А. Чернышевым), иконоскопа (С. И. Катаев и независимо от него В. К.. Зворыкин, 1931-32), супериконоскоп (П. В. Тимофеев, П. В. Шмаков, 1933), суперортикон (двусторонняя мишень для такой трубки была предложена советским ученым Г. В. Брауде в 1939; впервые суперортикон описан американскими учеными А. Розе, П. Веймером и Х. Лоу в 1946) и др.. Создание многорезонаторного магнетрона (Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров, под руководством М. А. Бонч-Бруевича, 1936-37), отражательного клистрона (Н. Д. Девятков и другие и независимо от них советский инженер В. Ф. Коваленко, 1940) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн; пролетные клистроны (идея предложена в 1932 Д. А. Рожанским, развитая в 1935 советским физиком А. Н. Арсеньевой и немецким физиком О. Хайле, реализована в 1938 американскими физиками Р . и 3. Варианами и др.). и лампы волны (американский ученый Р. Компфнер, 1943), бегущей обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем космической связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы), например ртутные вентили, используемые главным образом для преобразования переменного тока в постоянный в мощных промышленных установках; тиратроны для формирования мощных импульсов электрического тока в устройствах импульсной техники; газоразрядные источники света.

Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприемных устройств (1900-05), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920-1926), изобретение кристадина (О. В. Лосев, 1922), изобретение транзистора (У. Шокли, В. Браттейн, Дж. Бардин, 1948) определили становление и развитие полупроводниковой электроники. Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50 - начало 60-х гг) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления в Э. - микроэлектроники (см. также Интегральная электроника). Основные разработки в области интегральной Э. направлены на создание интегральных схем - микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ (электронная вычислительная машина), электронных устройств и, запоминающие; т. п.), состоящие из сотен и тысяч электронных приборов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм 2. Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, переработка информации, совершенствование вычислительной техники и др.., Предъявляемых развитием современного общественного производства. Создание квантовых генераторов (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, 1955) - приборов квантовой электроники - определило качественно новые возможности Э., связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров ) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты.

Советские ученые внесли весомый вклад в развитие Э. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных приборов выполнили М. А. Бонч-Бруевич, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, С. А. Векшинский, А. А. Чернышев , М. М. Богословский и многие др.; по проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, излучения, распространения и приема радиоволн, их взаимодействия с носителями тока в вакууме, газах и твердых телах - Б.. А. Введенский, В. Д. Калмыков, А. Л. Минц, А. А. Расплетин, М. В. Шулейкин и др.; в области физики полупроводников - А. Ф. Иоффе; люминесценции и по другим разделам физической оптики - С. И. Вавилов; квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах - И. Е. Тамм и многие другие.


2. Области, основные разделы и направления электроники

Э. включает три области исследований: вакуумную Э., твердотельную Э., квантовую область Е. Каждая подразделяется на ряд разделов и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данной области. Направление охватывает методы конструирования и расчетов электронных приборов, родственных по принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления этих приборов.


2.1. Вакуумная электроника

Пример вакуумного устройства. Триод RCA 808

Вакуумная электроника включает следующие разделы:

  1. Эмиссионная электроника, охватывающая вопросы термо-, фотоэмиссии, вторичной электронной эмиссии, тунельної емісії, дослідження катодів і антиемісійних покриттів;
  2. формування потоків електронів і потоків іонів управління цими потоками;
  3. формування електромагнітних полів за допомогою резонаторів, систем резонаторів, уповільнюючих систем, пристроїв введення і виведення енергії;
  4. електронна люмінесценція (катодолюмінесценція);
  5. фізика і техніка високого вакууму (його здобуття, збереження і контроль);
  6. теплофізичні процеси (випар у вакуумі, формозміна деталі|формозміна деталей при циклічному нагріві, руйнування поверхні металів при імпульсному нагріві, відведення тепла від елементів приладів);
  7. поверхневі явища (утворення плівок на електродах і ізоляторах, неоднорідностей на поверхнях електроду);
  8. технологія обробки поверхонь, у тому числі електронна, іонна і лазерна обробка;
  9. газові середовища - розділ, що включає питання здобуття і підтримки оптимального складу і тиску газу в газорозрядних приладах.

Основні напрями вакуумної електроніки охоплюють питання створення електровакуумних приладів (ЕВП) наступних видів: електронних ламп (тріод-пентодів, тетродов, пентодів і т. д.); ЕВП СВЧ(надвисокі частоти) (магнетронів, клістронів і т. д.), електроннопроменевих приладів (кінескопів, осцилографічних трубок і т. д.); фотоелектронних приладів (фотоелементів, фотоелектронних помножувачів), рентгенівських трубок; газорозрядних приладів (потужних перетворювачів струму, джерел світла, індикаторів).


2.2. Твердотільна електроніка

Розділи і напрями твердотільної електроніки. в основному пов'язані з напівпровідниковою електронікою. Фундаментальниє розділи останньої охоплюють наступні питання:

1) вивчення властивостей напівпровідникових матеріалів, вплив домішок на ці властивості;

2) створення в кристалі областей з різною провідністю методами епітаксіального вирощування (епітакся), дифузії, іонного впровадження (імплантації), дією радіації на напівпровідникові структури;

3) нанесення діелектричних і металевих плівок на напівпровідникові матеріали, розробка технології створення плівок з необхідними властивостями і конфігурацією;

4) дослідження фізичних і хімічних процесів на поверхні напівпровідників;

5) розробку способів і засобів здобуття і виміру елементів приладів мікронних і субмікронних розмірів.

Основні напрями напівпровідникової Е. пов'язані з розробкою і виготовленням різних видів напівпровідникових приладів; напівпровідникових діодів (випрямних, змішувачах, параметричних, стабілітронів), підсилювальних і генераторних діодів (тунельних, лавинно-пролітних, діодів Ганна), транзисторів (біполярних і уніполярних), тиристорів, оптоелектронних приладів (світлодіодів, фотодіодів, фототранзисторів, оптронів, світлодіодних і фотодіодних матриць), інтегральних схем. До напрямів твердотілої Е. відносяться також діелектрична електроніка, що вивчає електронні процеси в діелектриках (зокрема, в тонких діелектричних плівках) і їх використання, наприклад для створення діелектричних діодів, конденсаторів; магнітоелектроника, що використовує магнітні властивості речовини для управління потоками електромагнітної енергії за допомогою феритових вентилів, циркуляторов, фазовращателей і т. д. і для створення пристроїв, що запам'ятовують, у тому числі на магнітних доменах; акустоелектроніка і п'єзоелектроніка, що розглядають питання поширення поверхневих і об'ємних акустичних хвиль і створюваних ними змінних електричних полів в кристалічних матеріалах і взаємодії цих полів з електронами в приладах з напівпровідниково-пьєзоелектричною структурою (кварцевих стабілізаторах частоти, п'єзоелектричних фільтрах, ультразвукових лініях затримки, акустоелектронних підсилювачах і т. д.); кріоелектроніка, що досліджує зміни властивостей твердого тіла при глибокому охолоджуванні для побудови малошумливих підсилювачів і генераторів СВЧ(надвисокі частоти), надшвидкодіючих обчислювальних пристроїв, що запам'ятовують; розробка і виготовлення резисторів.


2.3. Квантова електроніка

Лазер (лабораторія NASA)

Найбільш важливі напрями квантової електроніки - створення лазерів і мазерів. На основі приладів квантової електроніки будуються пристрої для точного виміру відстаней (далекоміри), квантові стандарти частоти, квантові гіроскопи, системи оптичною багатоканальному зв'язку, космічної телекомунікації, радіоастрономії. Енергетична дія лазерного концентрованого випромінювання на речовину використовується в промисловій технології. Лазери знаходять різне вживання в біології і медицині.

Е. знаходиться у стадії інтенсивного розвитку; для неї характерний поява нових областей і створення нових напрямів у вже існуючих областях.


3. Технологія електронних приладів

Конструювання і виготовлення електронних приладів базуються на використанні поєднання всіляких властивостей матеріалів і физико-хімічних процесів. Тому необхідно глибоко розуміти використовувані процеси і їх вплив на властивості приладів, уміти точно управляти цими процесами. Виняткова важливість физико-хімічних досліджень і розробка наукових основ технології в електроніці обумовлені, по-перше, залежністю властивостей електронних прибирань від наявності домішок в матеріалах і речовин, сорбованих на поверхнях робочих елементів приладів, а також від складу газу і міри розрядки середовища, що оточує ці елементи; по-друге, - залежністю надійності і довговічності електронних приладів від міри стабільності вживаних вихідних матеріалів і керованості технології.

Досягнення технології незрідка дають поштовх розвитку нових напрямів в Е. Загальні для всіх напрямів Е. особливості технології полягають у виключно високих (в порівнянні з іншими галузями техніки) вимогах, що пред'являються в електронній промисловості до властивостей використовуваних вихідних матеріалів; міри захисту виробів від забруднення в процесі виробництва; геометричній точності виготовлення електронних приладів. З виконанням першого з цих вимог зв'язано створення багатьох матеріалів, що володіють надвисокою чистотою і досконалістю структури, із заздалегідь заданими физико-хімічними властивостями - спеціальних сплавів монокристалів, кераміки, стекол і ін. Створення таких матеріалів і дослідження їх властивостей складають предмет спеціальної науково-технічної дисципліни - електронного матеріалознавства. Одній з найгостріших проблем технології, пов'язаних з виконанням другої вимоги, є боротьба за зменшення запиленої газового середовища, в якому проходят найбільш важливі технологічні процеси. У ряді випадків допустима запилена - не понад три порошинки розміром менше 1 мкм в 1 м-коду 3 . Про жорсткість вимог до геометричної точності виготовлення електронних приладів свідчать, наприклад, цифри: у ряді випадків відносна погрішність розмірів не повинна перевищувати 0,001%; абсолютна точність розмірів і взаємного розташування елементів інтегральних схем досягає сотих доль мкм. Це вимагає створення нових, досконаліших методів обробки матеріалів, нових засобів і методів контролю. Характерним для технології в Е. є необхідність широкого використання новітніх методів і засобів: електроннопроменевої, ультразвукової і лазерної обробки і зварки, фотолітографії, електронної і рентгенівської літографії, електроїськрової обробки, іонної імплантації плазмохимії, молекулярної епітаксиї, електронної мікроскопії, вакуумних установок, що забезпечують тиск залишкових газів до 10 - 13 мм рт. ст. Складність багатьох технологічних процесів вимагає виключення суб'єктивного впливу людини на процес, що обумовлює актуальність проблеми автоматизації виробництва електронних приладів із застосуванням ЕОМ (електронна обчислювальна машина) поряд із загальними завданнями підвищення продуктивності праці. Ці і інші специфічні особливості технології в Е. привели до необхідності створення нового напряму в машинобудуванні - електронного машинобудування.

Електроніку можна розділити на дві важливі пов'язані між собою області - розробку й вдосконалення елементної бази та конструювання електронних схем. Елементну базу електроніки складають електронні прилади із різноманітними характеристиками, які використовуються в електронних схемах для збору, обробки інформації та викориcтання її для управління різноманітними процесами і відтворення її в зручному для споживача вигляді.


4. Елементна база

Елементна база електричних схем включає пристрої для реєстрації, обробки і використання електричних сигналів.

Реєстрацію сигналів виконують давачі, сенсори, детектори, які перетворюють енергію будь-якої природи: механічну, теплову, світлову в електричний струм. Існує широкий спектр електронних пристроїв, які виконують роль давачів, принципи дії яких ґрунтуються на різноманітних фізичних явищах.

Обробка електричних сигналів виконується елементами електричного кола з нелінійними вольт-амперними характеристиками. Нелінійність характеристик елементів електроніки відрізняє їх від елементів електротехніки, хоча елементи електротехніки, такі як джерела живлення, резистори, конденсатори, котушки індуктивності теж використовуються в електронних схемах.

Оброблений сигнал може бути відтворений у зручній для людини формі, наприклад, на екрані монітора або телевізора або у вигляді звукових сигнілів - мови, музики. Він може бути також записаний на носій інформації для відтворення у майбутньому, або управляти сервоприводами в автоматичних системах керування тощо.


4.1. Електровакуумні прилади

Подробнее в статье Електровакуумний прилад

Електровакуумні прилади історично були першим класом електронних елементів із нелінійними вольт-амперними характеристиками, що здобули широке використання. За дату народження електроніки можна вважати 1903 - 1904 роки, коли були винайдені перші діоди та тріоди. В вакуумних лампах електрони рухаються тільки від катода до анода, що забезпечує однонаправленість електричного струму. Найпростішу з електровакуумних ламп можна використовувати для випрямлення струму, нелінійність характеристик тріода дозволяє його застосування в підсилювачах і генераторах.

Другие вакуумные приборы - электронно-лучевые трубки - используются для воспроизведения информации на дисплеях, экранах телевизоров и т.д.. По тем же принципам построены электронные микроскопы.

Большинство приборов такого рода работает в условиях высокой вакуума, но в некоторых, например, газотронах или ионизационных камерах, рабочий объем заповенний газом.

Электровакуумные приборы, широко использовались в первой половине XX в., Постепенно начали уступать твердотельным и в начале XXI века сохраняют только отдельные ниши применений. Электровакуумные лампы заменены транзисторами и микросхемами, дисплей все чаще ЖК, телевизоры - плазменные подобное.


4.2. Твердотельные электронные приборы

Твердотельные электронные приборы в основном используют свойства полупроводников, проводимость которых очень чувствительна к примесей, температуры, освещения и т.п.. На контактах легированного полупроводника с металлом или двух по разному легированных областей полупроводника образуются области пространственного зяряду - контакт Шоттки, pn переход, имеющих нелинейные вольт-амперные характеристики. Эти явления позволили сконструировать полупроводниковые элементы - диоды, транзисторы, которые постепенно вытеснили вакуумные приборы из большинства областей применения.

Развитие полупроводниковой технологии позволил объединить различные элементы электрической цепи: транзисторы, диоды, резисторы и емкости на одной подложке, что привело к созданию интегральных схем или микросхем (см. РТЛ, ТТЛ и др.). Полупроводниковая электроника стала микроэлектроникой. Современные интергральни схемы объединяются в одном устройстве сотни миллионов транзисторов.


5. Электронные схемы

В электронных схемах электронные компоненты объединены в электрические цепи таким образом, чтобы обеспечить выполнение своей функции в электронных приборах.

Электронные схемы делятся на два класса - аналоговые и цифровые. Схемы первого типа предназначены для обработки аналоговых сигналов, схемы второго типа - для работы с цифровым сигналом. Цифровые электронные схемы постепенно вытесняют аналоговые даже из областей традиционного применения, например, в телевидении. Цифровой или дискретный сигнал получают, квантуючы аналоговый. Передача и хранение сигнала в цифровом виде надежнее, незважачы на ​​частичное искажение сигнала при дискретизации.


5.1. Аналоговая электроника

Примером аналогового прибора является аналоговый тип радиоприемника. Аналоговая электроника требует разнообразных схем: генераторов, усилителей, модуляторов и демодуляторов. Радиоприемник получает от антенны модулированный электрический сигнал широкого набора частот. Он фильтрует сигнал, выделяя определенную частоту, усиливает его, демодулируют, превращает в сигнал частоты звукового диапазона и передает на динамик для воспроизведения звука.

Схемы аналоговых приборов обычно строятся из стандартных блоков, которые выполняют определенную фукнция. Число разработанных аналоговых схем огромна - от отдельных элементов, к схемам, которые включают тысячи элементов.


5.2. Цифровая электроника

Цифровая электроника трактует сигнал как дискретный, чаще видилячы только два состояния - наличие и отсутствие сигнала. Часто входной сигнал аналоговый, поэтому первой стадией его обработки в цифровых схемах квантования. Цифровая электроника использует другой тип электронных схем - триггеры, мультивибраторы, особенностью которых является переключение между различными дискретными состояниями.

Вершиной цифровой электроники является программируемая цифровая электроника, которая позволяет задавать правила обработки сигнала с помощью программы - определенного набора инструкций, хранящихся на носители информации и могут изменяться программистом. Развитие программируемой цифровой электроники открыл эру информационных технологий.


6. Перспективы развития электроники

Одна из основных проблем, стоящих перед Э., связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными электронными системами управления, с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путем создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10-11 сек, увеличение степени интеграции на одном кристалле до миллиона транзисторов размером 1-2 мкм использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей (см. статью " Оптоэлектроника" ), сверхпроводников; разработки запоминающих устройств, емкостью несколько мегабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширение функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к микроЭВМ на одном кристалле) перехода от двумерной (планарной ) технологии интегральных схем к трехмерной (объемной) и использования сочетания различных свойств твердого тела в одном устройстве разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения, обладающего большей информативностью по сравнению с обычным; создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи; разработки мощных, с высоким КПД (коэффициент полезного действия), приборов СВЧ (сверхвысокие частоты) и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития Э. - проникновение ее методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). По мере развития Э. и совершенствование технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения Э. во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль Э. в ускорении научно-технического прогресса.


См.. также


Литература


Электроника Это незавершенная статья об электронике.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам