Радиосвязь. Введение

Когда говорят об электронной технике, то в воображении возникает представление о красивых, удобных установках и приборах, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Действительно, трудно представить время, когда не было разнообразной аудио- и видео техники, компьютеров, электронных часов, электромузыкальных инструментов и т. п. Огромное количество электронной техники используется в разнообразных отраслях промышленности, радиотехнике, сельском хозяйстве, авиации, космонавтике, медицине, мореплавании и в военных разработках.

В настоящее время под электронной техникой понимают также приборы и устройства, основанные на электронных потоках и их взаимодействии с веществом и электромагнитными полями.

В основе электронных устройств лежат электронные приборы.

Электронные приборы - это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции. Различают электровакуумные и твердотельные электронные приборы.

К вакуумным электронным приборам относят электронные лампы, электроннолучевые трубки и другие электровакуумные и газоразрядные приборы (магнетроны, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т.п.).

К твердотельным приборам и устройствам относят полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры, интегральные микросхемы, устройства формирования электрических импульсов тока и напряжения и др.

Под электронной техникой понимают также разнообразные электронные устройства, связанные с использованием элементарных электронных приборов, начиная от простых усилителей и заканчивая сложными вычислительными машинами. Особое место занимают электронные устройства, связанные с формированием, распознаванием и преобразованием радиосигналов. Их изучением и описанием занимается радиоэлектроника.

Характерной является область электроники, к которой относятся импульсные устройства и электронные устройства, связанные с цифровой и вычислительной техникой.

Специфичны и разделы электроники, посвященные методам исследования физических явлений, измерениям физических величин, характеристик и параметров электронных устройств, а также относящихся к ним электрических цепей и электромагнитных полей. Приборы, осуществляющие измерения параметров и исследования процессов, протекающих в электрических цепях и устройствах, называют электронными измерительными приборами.

Все это дает основание сделать вывод. что: » Электронная техника (электроника) - это область науки и техники, связанная с изучением и внедрения физических свойств, методов исследования и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме или твердом теле.»

Элементы электронной техники -- это выпускаемые промышленностью электронные приборы и устройства, выполняющие определенные функции. Элементы электронной техники являются как бы кирпичиками, из которых конструируются более сложные электронные устройства. Базовыми, или основными элементами электронной техники являются резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы и т.п

Активные элементы электронной техники (светодиоды, лазеры, оптроны, управляющие микросхемы) также называют электронными элементами, подчеркивая возможность выполнения ими определенных функций.

Элементная база электронной техники -- это основной набор электронных элементов, используемых в промышленном производстве сложной электронной аппаратуры на данном историческом этапе.

Аналоговая электроника -- это электронная техника, работающая с непрерывными сигналами (непрерывно меняющимися напряжениями и токами). К устройствам аналоговой электроники относятся усилители, смесители, преобразователи частоты, фильтры, стабилизаторы напряжения, тока, частоты, а также генераторы гармонических колебаний.

Импульсная электроника -- это электронная техника, работающая с импульсными сигналами (одиночными импульсами напряжения и тока или последовательностями импульсов). Примерами импульсных устройств являются импульсные усилители и генераторы, преобразователи напряжение -- частота и т.п.

Цифровая электроника -- это электронная техника, работающая с отдельными (дискретными) значениями напряжений (токов, частот), представленных в виде цифр. К устройствам цифровой электроники относятся логические устройства, оперирующие с сигналами 0 и 1, аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микропроцессоры, персональные вычислительные машины, сложные вычислительные устройства. Цифровая электроника тесно связана с импульсной техникой, так как сигналы в ней передаются последовательностями импульсов.

Вся линейка электронной техники зависит от применяемой элементной базы, развитию которой посвящены труды многих ученых, их исследований и изобретений. Путь развития электронной техники условно можно разбить на несколько этапов, начало которых ведется от момента открытия электричества и его дальнейшего изучения.

Целью данной работы является проследить этот путь более детально, ознакомиться с азами работы электронных устройст и приборов, их появления в процессе исследований различных свойств электричества и явлений учеными и физиками разных эпох.

Лицензионное соглашение.

Данную книгу разрешается копировать, размножать и печатать, если это делается на некоммерческой основе и не извлекается выгода. В случае её коммерческого применения, например, если Вы хотите продавать, сдавать в прокат, аренду всю книгу «Электронная техника» или любую её часть, то на это требуется согласие её автора (Москатова Евгения Анатольевича) за гонорар. Перек омпоновка книги з апрещается. Запрещается изменять содержимое книги, удалять сведения об авторстве. Книга распространяется “как есть”, то есть её автор не несёт ответственности за возможный ущерб, упущенную выгоду и прочее. В случае некоммерческой публикации (например, на сервере бесплатных материалов) следует поставить автора в известность, а также явно указать авторство и источник, с которого произведена публикация.

Материал, изложенный в книге, разбит на следующие разделы и темы.

Раздел 1. Электронно-дырочные и металлополупроводниковые переходы
Тема 1. Движение электронов в электрических и магнитных полях
1) Движение электронов в ускоряющем электрическом поле
2) Движение электрона в тормозящем электрическом поле
3) Движение электрона в поперечном электрическом поле
4) Движение электрона в магнитных полях
5) Зонная энергетическая диаграмма
Тема 2. Электропроводность полупроводников
1) Собственная проводимость полупроводников
2) Примесная проводимость полупроводников
3) Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
Тема 3. Электронно-дырочный (p-n) переход
1) Образование электронно-дырочного перехода
2) Прямое и обратное включение p-n перехода
3) Свойства p-n перехода
Тема 4. Переход Шоттки
1) Образование перехода Шоттки
2) Прямое и обратное включение диодов Шоттки
Тема 5. Некоторые эффекты полупроводника
1) Тоннельный эффект
2) Эффект Гана
3) Эффект Холла
Раздел 2. Полупроводниковые приборы
Тема 6. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов
1) Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов
2) Конструкция полупроводниковых диодов
3) Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов
Тема 7. Выпрямительные диоды
1) Общая характеристика выпрямительных диодов
2) Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей
Тема 8. Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды
1) Стабилитроны
2) Варикапы
3) Фотодиоды
4) Светодиоды
Тема 9. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды
1) Импульсные диоды
2) Диоды ВЧ
3) СВЧ диоды
Раздел 3. Биполярные транзисторы
Тема 10. Устройство, классификация и принцип действия биполярных транзисторов
1) Классификация и маркировка транзисторов
2) Устройство биполярных транзисторов
3) Принцип действия биполярных транзисторов
Тема 11. Схемы включения биполярных транзисторов
1) Схема включения с общей базой ОБ
2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ
3) Схема включения с общим коллектором ОК
4) Усилительные свойства биполярного транзистора
Тема 12. Статические характеристики транзисторов
1) Статические характеристики транзистора по схеме ОБ
2) Статические характеристики транзистора по схеме ОЭ
Тема 13. Динамический режим работы транзистора
1) Понятие о динамическом режиме
2) Динамические характеристики и понятие рабочей точки
3) Ключевой режим работы транзистора
Тема 14. Эквивалентная схема транзистора
1) Эквивалентная схема транзистора с ОБ
2) Эквивалентная схема транзистора с ОЭ
3) Эквивалентная схема транзистора с ОК
4) Транзистор как активный четырёхполюсник
Тема 15. Система h-параметров транзистора. Y-параметры
1) h-параметры и их физический смысл
2) Определение h-параметров по статическим характеристикам
3) Y-параметры транзисторов
Тема 16. Температурные и частотные свойства транзисторов. Фототранзисторы
1) Температурное свойство транзисторов
2) Частотное свойство транзисторов
3) Фототранзисторы
Раздел 4. Полевые транзисторы
Тема 17. Представление о полевых транзисторах
1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом
2) Характеристики и параметры полевых транзисторов
3) Полевые транзисторы с изолированным затвором
4) Полевые транзисторы для ИМС, репрограммирующих постоянных запоминающих устройств (РПЗУ)
Раздел 5. Тиристоры
1) Устройство и принцип действия динисторов
2) Основные параметры тиристоров
3) Тринисторы
4) Понятие о симисторах
Раздел 6. Электровакуумные приборы
Тема 18. Электровакуумный диод
1) Электровакуумный диод, устройство и принцип действия электровакуумного диода
2) ВАХ и основные параметры электровакуумного диода
Тема 19. Триод
1) Устройство и принцип действия триода
2) ВАХ и основные параметры триода
Тема 20. Тетрод
1) Устройство и схема включения тетрода
2) Динатронный эффект
3) Лучевой тетрод
Тема 21. Пентод
Раздел 7. Цифровая микросхемотехника
Тема 22. Основы микроэлектроники
1) Классификация и УГО интегральных микросхем (ИМС)
2) Элементы и компоненты гибридных ИМС (ГИС)
3) Элементы и компоненты полупроводниковых ИМС
Раздел 8. Булева алгебра
Тема 23. Простейшие логические функции и логические элементы
1) Логические функции и их реализация
2) Схемотехника простейших логических элементов
3) Характеристики и параметры цифровых ИМС
Тема 24. Транзисторно-транзисторная логика
1) Основные типы логики и понятие о многоэмиттерном транзисторе
2) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) с простым инвертором
3) ТТЛ со сложным инвертором
Тема 25. Логические элементы ТТЛ со специальными выводами
1) ТТЛ с открытым коллектором
2) ТТЛ с Z-состоянием
3) ТТЛШ
4) Оптоэлектронные ИМС
Тема 26. Логические элементы на полевых транзисторах МОП – структуры
1) Ключи на МОП – транзисторах
2) Комплементарная МОП - пара (КМОП)
3) Реализация функции И-НЕ в КМОП – логике
4) Реализация функции ИЛИ-НЕ в КМОП – логике
Тема 27. Эмиттерно-связная логика
1) Реализация функций ИЛИ и ИЛИ-НЕ в эмиттерно-связной логике (ЭСЛ)
2) Источник опорного напряжения
3) Базовый элемент ЭСЛ серии К500
Раздел 9. Аналоговые электронные устройства
Тема 28. Классификация и основные технические показатели усилителей
1) Классификация усилителей
2) Основные технические показатели усилителей
3) Характеристики усилителей
Тема 29. Питание цепи базы транзисторов и температурная стабилизация рабочей точки
1) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным током базы
2) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы
3) Температурная стабилизация (термостабилизация) рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода
4) Термостабилизация рабочей точки при помощи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению
5) Термостабилизация рабочей точки при помощи ООС по постоянному току
Тема 30. Обратная связь в усилителе
1) Виды обратной связи
2) Влияние ООС на основные показатели усилителя
Тема 31. Режимы работы усилительных элементов
1) Понятие о проходной динамической характеристике
2) Режим работы класса А
3) Режим работы класса В
4) Режим работы класса АВ
5) Режим работы класса С
6) Режим работы класса D
Тема 32. Межкаскадные связи в усилителях
1) Виды межкаскадных связей
2) Эквивалентная схема усилительного каскада с резисторно - ёмкостными связями
3) Анализ эквивалентной схемы на низких, средних и высоких частотах
Тема 33. Выходные каскады усиления
1) Однотактный выходной трансформаторный каскад
2) Двухтактный выходной трансформаторный каскад
3) Двухтактный выходной бестрансформаторный каскад
Тема 34. Усилители постоянного тока с непосредственными связями
1) Усилители постоянного тока с непосредственными связями
2) Дифференциальный каскад УПТ
Тема 35. Операционные усилители
1) Классификация и основные параметры операционных усилителей (ОУ)
2) Схемы включения ОУ
Раздел 10. Устройства отображения информации
Тема 36. Электронно-лучевые трубки и кинескопы
1) Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением
2) ЭЛТ с электромагнитным управлением
3) Кинескопы
4) Цветные кинескопы
Тема 37. Индикаторы
1) Буквенно-цифровые индикаторы
2) Матричные индикаторы
3) Вакуумные электролюминесцентные индикаторы
4) Жидкокристаллические индикаторы
Заключение
Приложение
Решение типовых задач по курсу "Электронная техника"

Тезаурус по дисциплине «Электронная техника»

Электроника – это область науки и техники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств.

Электронными приборами называются приборы, в которых электропроводимость осуществляется посредствам заряженных частиц (ē или ионов) в кристалле полупроводника, в вакууме или газовой среде.

Определённые значения энергии, которыми обладают электроны, называются энергетическими уровнями .

Процесс разрыва ковалентных связей и образование парных носителей заряда (электрон - дырка) при воздействии на полупроводник источников энергии называется генерацией .

Ионизация – это процесс отрыва электронов от атома или присоединения электрона к атому.

Процесс заполнения разорванных ковалентных связей электронами называется рекомбинация .

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле движение электронов и дырок будет направленным, то есть появляется собственная проводимость .

Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена движением положительных зарядов, называются дырочными (полупроводниками p-типа), а примеси - акцепторными .

Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена движением отрицательных зарядов, называются электронными (полупроводниками n-типа), а примеси - донорными .

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля, называется дрейфом , а вызванный этим явлением ток - дрейфовым .

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой концентрацией в слой, где их концентрация ниже, называется диффузией , а вызванный эти явлением ток - диффузионным .

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различным типом электропроводимости.

Включение p-n – перехода в электрическую цепь, когда плюс источника питания подсоединен к области р, а минус к области n, называется прямым .

Включение, при котором к области р подсоединен минус источника питания, а к области n – плюс, называется обратным .

Полупроводниковый диод – это прибор принцип действия, которого основан на односторонней проводимости p-n-перехода.

Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, который имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от проходящего тока.

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании барьерной емкости при обратном напряжении.

Туннельный диод – туннельным называют диод, принцип действия которого основан на туннельном эффекте.

Пробой p - n -перехода – это явление резкого увеличения обратного тока через переход при достижении обратным напряжением критического значения.

Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля при обратном смещении.

Тепловой пробой – это пробой, наступающий в результате нарушения равновесия между рассеиваемой теплотой и теплотой выделяемой при протекании тока.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n – переходами и тремя выводами.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором значение рабочего тока определяется напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Введение носителей заряда через p-n – переход из области, где они были основными в область, где они являются не основными, за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией .

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и перенос их при обратном напряжении через p-n-переход, в область с противоположным типом электропроводимости называется экстракцией .

Тиристором называется полупроводниковый прибор, имеющий три и более p-n- перехода, который может быстро переключатся из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Фотоэлектронным прибором называется электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрическую.

Влияние света на электрические свойства вещества носит название фотоэффекта.

Фотоэлектронная эмиссия – это испускание электронов с поверхности вещества под действием энергии падающего света (внешний фотоэффект ).

Фотогальванический эффект – это возникновение на p-n-переходе под действием падающего света разности потенциалов, называемой фотоэ.д.с.

Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие которого основано на уменьшении удельного сопротивления полупроводника под действием света или невидимого излучения (инфракрасного или ультрафиолетового).

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n-перехода (ток которого управляется световым потоком).

Фототранзистором называют фотогальванический приемник излучения с двумя p-n-переходами, предназначенный для преобразования потока излучения в электрические сигналы.

Светоизлучающий диод (светодиод) – это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию оптического излучения.

Выпрямителями называют устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий одного направления.

Болометр – это терморезистор, предназначенный для индикации и измерения энергии электромагнитного излучения в оптическом или инфракрасном диапазоне частот.

Варистор – это полупроводниковый резистор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой.

Терморезистор (термистор) – это полупроводниковый тепловой прибор, способный изменять свое электрическое сопротивление при изменении его температуры.

Позистор – это полупроводниковый резистор, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления.

Максимальная энергия электрона внутри металла при температуре абсолютного нуля называется уровнем Ферми.

Дополнительная энергия, необходимая электрону для выхода в вакуум называется работой выхода.

Электронной лампой называют прибор, в котором проводимость осуществляется посредством движения электронов между электродами, помещенными в вакуум.

Электровакуумный диод - это двухэлектродная электронная лампа, предназначенная для выпрямления переменного тока.

Электровакуумным триодом называют трехэлектродную лампу, предназначенную для усиления и генерирования переменных токов и напряжений.

Явление перехода вторичных электронов, вылетающих с анода на экранирующую сетку, имеющую более высокий потенциал, называют динатронным эффектом.

Ионные приборы – это приборы, электропроводимость которых обусловлена электронами и ионами, возникающими при электрическом разряде в газовой среде.

Совокупность явлений, происходящих в газе или парах ртути при прохождении через них электрического тока, называют электрическим разрядом в газе.

Неоновые лампы представляют собой двухэлектродные приборы с аномальным тлеющим разрядом и применяются для индикации напряжения или электромагнитного поля высокой частоты.

Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) называют электровакуумные приборы, в которых управляемый электрическими или магнитными полями поток электронов, сформированный в электронный луч, используется для преобразования электрических сигналов в световые.

Усилитель – это устройство, построенное на электронных активных элементах (лампах, транзисторах и т.д.) и преобразующее электрическую энергию источников питания в электрические колебания усиливаемого сигнала.

Усилитель – это радиотехническое устройство, усиливающее мощность, напряжение или ток электрического сигнала, подводимого к его входу.

Усилитель – это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.

Усилительный каскад – это (конструктивное звено усилителя) усилительный элемент вместе с другими пассивными элементами, которые обеспечивают необходимый режим его работы и связь с источником сигнала и нагрузкой.

Номинальное входное напряжение, при котором усилитель отдает в нагрузку заданную выходную мощность, называется чувствительностью усилителя.

Обратная связь – это передача выходных колебаний усилителя на его вход.

Динамический диапазон амплитуд – это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на выходе усилителя.

Коэффициентом усиления называется отношение выходного параметра к входному.

Электронный генератор – это устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний заданной формы, мощности и частоты.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором .

Автогенератор – это усилитель с сильной положительной обратной связью.

Автогенератор – это электронный генератор, принцип действия которого основан на автоматическом пополнении энергии, затрачиваемой формирователем колебаний.

Дифференцирующей называют цепь , у которой выходное напряжение пропорционально производной входного.

Интегрирующей называют цепь, напряжение на выходе которой пропорционально интегралу входного.

Импульсным называется устройство, работающее в прерывистом, импульсном режиме.

Импульсный сигнал – это кратковременное изменение тока или напряжения.

Видеоимпульс – это кратковременное изменение тока или напряжения неизменной полярности.

Радиоимпульс – это кратковременное изменение синусоидального тока или напряжения, огибающая которого повторяет форму видеоимпульсов.

Импульсными генераторами называют устройства, формирующие электрические импульсные сигналы.

Триггер – это импульсная схема, имеющая два электрических состояния устойчивого равновесия и предназначенная для генерирования импульсов прямоугольной формы.

Триггер – это переключающее устройство, которое сколь угодно долго сохраняет одно из своих двух состояний устойчивого равновесия и скачкообразно переключается по сигналу извне из одного состояния в другое.

Мультивибратор – это релаксационный автогенератор с прямоугольной формой выходных колебаний.

Мультивибратор – представляет собой генератор несинусоидальных колебаний, близких по форме к прямоугольным.

Одновибратор – это генератор, работающий в ждущем режиме и вырабатывающий одиночный импульс.

Триггер Шмита – это несимметричный триггер (с эмиттерной связью), применяемый для формирования прямоугольных импульсов из синусоидальных сигналов и других периодических сигналов непрямоугольной формы.

Блокинг-генератор – это релаксационный генератор с трансформаторной обратной связью, вырабатывающий кратковременные электрические импульсы

Блокинг-генератор – автоколебательная система, генерирующая кратковременные прямоугольные импульсы с большой скважностью.

Логический элемент – это элемент, в котором сигнал на выходе связан с входным по закону алгебры логики.

Микроэлектроника представляет собой современное направление электроники, которое охватывает проблемы, связанные с разработкой, исследованием, изготовлением и применением микроэлектронных устройств.

ИМС – выполняет определенную функцию преобразования сигнала и представляет собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации.

Степень интеграции – это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Кристаллом в полупроводниковой техники принято называть готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или микросхему без внешних выводов.

Элементом ИМС принято называть её часть, которая выполняет функцию какого - либо одного элемента (транзистора, диода, резистора) и не может быть отделена от ИМС, как самостоятельное изделие.

Компонент ИМС – это часть микросхемы, которая выполняет функцию какого - либо одного электрорадиоэлемента и может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие.

Плотность упаковки – это количество элементов (обычно транзисторов) на единицу площади или объема кристалла.

Суммарное число элементов и компонентов, входящих в ИМС, называют уровнем интеграции .

Активным элементом называют элемент, обладающий свойством преобразования электрической энергии – выпрямления, усиления, генерирования, управления.

Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Минский государственный высший

Авиационный колледж

Дудников И. Л.

АВИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ЧАСТЬ 1

Учебно-методическое пособие

ББК 39.52-051-04

И. Л. ДУДНИКОВ,

кандидат технических наук, доцент

Рецензент

А. Г. Клюев

кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭРЭО

Учебно-методическое пособие по курсу «Авиационная электроника» предназначено для студентов (курсантов) специальности 1-37 04 02 «Техническая эксплуатация авиационного оборудования» (специализация 1-37 04 02-01). В нем содержатся теоретические сведения по элементной базе электроники и схемотехники, список рекомендуемой литературы.

© МГВАК, 2011

РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

Введение. Определение понятия «Электроника»

Электроника, это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов, работа которых основана на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц (электронов) в вакууме, газе или твердых кристаллических телах.

Электроника, особо тесно связанная с радиотехникой получила название радиоэлектроники (радиосвязь и телевидение).

Радиоэлектроника относиться к числу чрезвычайно быстро развивающихся отраслей науки, техники, народного хозяйства. Сложность электронной аппаратуры каждые 5 лет возрастает в 10 раз. Происходит непрерывная замена одних приборов другими, более совершенными. Раньше возможности электронных ламп казались совершенными, но появились полупроводниковые приборы с еще большими возможностями. То, что было недоступно электронным лампам (высокая механическая прочность, малогабаритность, долговечность) стало доступно полупроводниковым приборам.

Электроника находит все более широкое применение почти во всех областях науки и техники, что обусловлено высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью и небольшими габаритами электронных приборов.

1. Высокая чувствительность электронных устройств обеспечивается с помощью различных усилительных схем. Может быть достигнута чувствительность электронных устройств: по току 10 -17 А, по напряжению
10 -13 В и по мощности 10 -24 Вт.

2. Быстродействие определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с микроминиатюризацией элементов и устройств в целом.

3. Универсальность обусловлена возможностью преобразования всех видов энергии (механической, тепловой, световой, лучистой, звуковой, химической) в электрическую энергию, на изменении и преобразовании которой основано действие всех электронных схем.

Без электроники были бы невозможны применение авиации, космических кораблей и кибернетических устройств, космические и астрономические исследования, автоматизация научных исследований и производственных процессов, компьютерная техника, радиосвязь и телевидение, системы записи и воспроизведения информации и многие другие достижения современной науки и техники.

Электронные устройства широко используются в технике связи (радиовещание, телевидение); в измерительной технике; на транспорте (автомобильный, железнодорожный, водный транспорт); в медицине и биологии (исследовательская, диагностическая, лечебная аппаратура); в промышленности и сельском хозяйстве, т. е. почти во всех областях деятельности человека весьма широко и успешно применяются электронные устройства.

Область электроники, занимающаяся применением в промышленности, на транспорте и сельском хозяйстве различных электронных устройств, позволяющих осуществлять контроль, регулирование и управление производственными процессами называется промышленной электроникой.

Промышленная электроника немыслима вне радиотехники и радиоэлектроники, которые явились для нее исходным началом.

В промышленную электронику входят:

1. Информационная электроника, к которой относятся электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами.

2. Энергетическая электроника (преобразовательная техника), связанная с преобразованием вида электрического тока для целей электропривода, сварки, электрической тяги, электротермии и т. д.

3. Электронная технология – воздействие на вещество электронными лучами, плазмой.

В основе радиоэлектроники лежит величайшее открытие электромагнитного поля, связанное с именем выдающихся ученых: М. Фарадеем, открывшим закон электромагнитной индукции (1831 г.), Дж. Максвеллом, создавшим теорию электромагнитного поля (1865 г.), Г. Герцем, впервые экспериментально получившим электромагнитные волны (1887 г.).

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники и электронных устройств:

I поколение (1904 – 1950 гг.) – основную элементную базу электронных устройств составляли электровакуумные приборы.

II поколение (1950 – начало 60-х годов) – применение в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов.

III поколение электронных устройств (1960 – 1980 гг.) связано с развитием микроэлектроники. Основой элементной базы электронных устройств стали интегральные микросхемы и микросборки.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на основе применения БИС и СБИС.

Критерием научно-технического прогресса считается в настоящее время степень использования в различных областях человеческой деятельности электронной аппаратуры, позволяющей резко повысить производительность физического и умственного труда, улучшить технико-экономические показатели производства и комплексно решать такие задачи, которые нельзя разрешить другими средствами.

Элементная база – это отдельные детали или модули, представляющие собой предварительно собранные из отдельных деталей схемы неразъемных соединений. Элементную базу делят на три группы элементов:

Активные (транзисторы, электронные лампы);

Преобразующие (электронно-лучевые трубки);

Пассивные (резисторы, индуктивности, емкости, трансформаторы, дроссели).

Любое сложное электронное устройство состоит из более простых активных и пассивных компонентов. К активным элементам относят транзисторы, диоды, электронные лампы, микросхемы, способные усиливать электрические сигналы по мощности; пассивными радиокомпонентами считаются резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Давайте проанализируем этапы становления электроники в историческом срезе

Историю развития электроники можно условно разделить на четыре периода. Первый период относится к концу 19 века . В этот период были открыты или расшифрованы из источников древних основные физические закономерности работы электронных приборов и открыты различные явления, стимулирующие их развитие и использование. Началом развития ламповой техники принято считать открытие русским ученым электротехником А. Н. Лодыгиным обычной лампы накаливания.

На ее базе уже 1883 г. американский инженер Т. А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейщую роль в развитии электроники сыграло открытие русским ученым в 1895 г. А. С. Поповым возможности передачи радиоволн на растояние . Это открытие дало огромный импульс развития и внедрения различных электронных приборов в практику; так появился спрос на устройствадля генерации, усиления и детектирования электрических сигналов.

Второй этап истории развития электроники охватывает первую половину 20-го века. Этот период характеризуется разработкой и совершенствованием электровакуумных приборов и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа - диод , нашедший широчайшее применение в радиотехнике для детектирования электрических колебаний. Спустя всего несколько лет в 1907 г. изготовлена трехэлектродная лампа - триод , усиления электрических сигналов. В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914-1915 гг. под руководством Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича.

Но развязанная англичанами и немцами первоя мировая война, препятствовала работе по созданию новых типов электронных ламп. После государственного переворота проплаченного англосаксами 1917 года несмотря на сложнейшее финансовое состояние начала создаваться отечественная радиотехническая промышленность. В 1918 г. начинает работать Нижегородская радиолаборатория под руководством М. А. Бонч-Бруевича - первое научно-исследовательское учреждение по вопросам радио и электровакуумной техники. Уже в тяжелейшем для страны 1919 году лаборатории были изготовлены первые образцы отечественных приемно-усилительных радиоламп, а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением. Существенный вклад в развитие электровакуумной техники и массового производства радиоламп внес коллектив построенного в 1922 г. Ленинградского электролампового завода впоследствии именуемого «Светлана».

В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семи мильными шагами. Освоение радиотехникой гектометровых (X=1000-f-100 м) и декаметровых (А=100-10 м) волн потребовало разработки высокочастотных ламп. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды) , в 1930 г. - пятиэлектродные (пентоды ), в 1935 г. - многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды ). В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых (А-100-н 10 см) и сантиметровых (А=10ч-1 см) волн - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны.

Параллельно с разработкой электронных создавались электронно-лучевые, фотоэлектрические, ионные приборы, в создание которых существенный вклад внесли российские инженеры. К середине 30 х годов в основном сформировалась ламповая электроника. Развитие электровакуумной техники в последующие годы шло по-пути снижения габаритов приборов, улучшения их параметров и характеристик, увеличения рабочей частоты, повышения надежности и долговечности.

История развития электроники. Третий период относится к концу 40-х и началу 50-х годов, характеризующихся бурным развитием дискретных полупроводниковых приборов. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела. Большие заслуги изучения физики полупроводников принадлежат школе советских физиков, длительное время возглавляемой академиком А. Ф. Иоффе. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств полупроводников, выполненные советскими учеными А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатовым, В. П. Жузе, В. Г. Лошкаревым и другими, позволили создать стройную теорию полупроводников и определить пути их применения.

Начало кремниевого века В 1947 году, положили в недрах лабораторий телефонной компании Bell где «родился» первый в в текущем цикле транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век». Предполагается, что как раз знания от полупроводников смогли расшифровать от предыдущего цикла развития цивилизации на Земле

Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов - , способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.

В первой половине 50-х годов был разработан метод диффузии легирующих примесей в полупроводниковые материалы, а в начале 60-х годов - планарная и эпитаксиальная технология, на многие годы определившие прогресс в производстве полупроводниковых структур. 50-е годы знаменуются открытиями в области физики твердого тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и техники внесли советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, удостоенные Ленинской (в 1959 г.) и Нобелевской (в 1964 г.) премий.

Четвертый период развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем , совместивших в едином технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции БИС достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств - микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.

Достижения полупроводниковой электроники явились фактором появления микроэлектроники. Далее развитие электроники идет по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надежности, экономичности электронных приборов и интегральных микросхем ИМС, улучшения их качественных показателей, уменьшения разброса параметров, расширения частотного и температурного диапазонов. Начатая в 50-е годы «транзисторизация» электронного оборудования и на ближайшие годы останется символом полупроводниковой электроники в ее качественно новом виде - интегральной электронике. Важное значение приобретает развитие нового направления электроники - оптоэлектроники, сочетающей электрические и оптические способы преобразования и обработки сигнала (преобразование электрического сигнала в оптический, а затем оптического снова в электрический).

История развития электроники. Пятым этапом можно назвать полупроводники в процессорах . Или закат эпохи кремния. В передовых областях современной электроники, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. В последнии годы улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов.

С увелечением скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и с тех пор увеличивается лишь «многоядерность», что собственно по сути является топтанием на месте.

Небольшие подвижки есть лиши в количественной интеграции полупроводниковых элементов в одном чипе путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. По состоянию на 2009-11 годы во всю использовалась технология в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет всего 20 нм. Переход на более тонкий технологически процесс 16 нм началась лишь в 2014 году.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не возможен рост тактовой частота ядра процессора, как было до 90 нм технологического процесса. Это говорит лишь о тупике развития кремниевых технологий, хотя они будут использоваться по меньшей мере еще столетие, если конечно не будет осуществлена перезагрузка седьмого цикла цивиализации в этой солнечной системе.

В ближайшее десятилетие должны быть обнародованы графеновые разработки , особенно в этом продвинулись некоторые российские институты благодоря расшифровки информации от предыдущего цикла, названия которых я пока указать не могу.

Графен - это полупроводниковый материал, повторно открытый лишь 2004 году. В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трех устойчивых состояниях. Для аналогичного решения в кремниевом исполнение, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых полупроводников является их способность работать на высоких частотах. Причем, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.