Электроника - это наука об электронных процессах в вакууме, газах, полупроводниках; это область техники, занимающаяся разработкой, производством и применением радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
Промышленной электроникой называется отрасль электроники, связанная с изучением принципа действия, характеристик электровакуумных и полупроводниковых приборов, использованием их в промышленных устройствах и системах.
В промышленной электронике можно выделить три области: информационную электронику, энергетическую электронику и электронную технологию.
Информационная электроника составляет основу электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройства управления различными объектами и технологическими процессами.
Энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства.
Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн различной длины (высокочастотные нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т. д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка и сварка и т. д.).
Главными свойствами, обусловливающими широкое применение электронных устройств, являются высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность.
Чувствительность электронных устройств, называемая пороговой, определяется абсолютным значением входной величины, при котором они начинают работать.
Большое быстродействие электронных устройств имеет большое значение при автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающими долей микросекунды.
Универсальность заключается в том, что в электрическую энергию, на изменении которой основано действие всех видов электронных приборов, сравнительно легко преобразуются другие виды энергии: механическая, тепловая, акустическая, атомная и др. Подобная универсальность очень важна для промышленной электроники, так как в промышленности используются все виды энергии.
Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства в конце XIX - начале XX в. К этому времени электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности, что требовало создания новых средств измерения, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстродействующих по сравнению с существовавшими механическими и электромеханическими устройствами. Без этого дальнейшее повышение производительности труда становилось невозможным. Кроме того, в связи с бурным развитием промышленности стали необходимы средства быстрой передачи на большие расстояния различного рода информации.
В 1872г. А. Н. Лодыгин изобрёл электрическую осветительную лампу с нитью накаливания, которая стала прообразом электровакуумного прибора.
На становление и дальнейшее развитие электроники решающее влияние оказало изобретение радио. Впервые на возможность практического применения электромагнитных волн для передачи сигналов на большие расстояния указал выдающийся русский ученый А.С.Попов в 1889 г., а в 1895 г. он построил первый в мире радиоприемник.
В 1904 г. английский ученый Д. Флеминг создал двухэлектродный электровакуумный прибор-диод и применил его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. В1907 г. в США Ли де Форестом была изготовлена трехэлектродная электронная лампа-триод, позволяющая усиливать и генерировать электрические колебания.
В России в начале XX в. сформировалась большая группа ученых и инженеров, работающих в области радиоэлектроники. Среди них в первую очередь следует назвать Н. Д. Папалекси, под руководством которого в 1914 г. были изготовлены первые в России электронные лампы - триоды, наполненные парами ртути, и М. А. Бонч-Бруевича - создателя первых в мире мощных генераторных ламп.
2 декабря 1918 г. была создана Нижегородская радиолаборатория. В ней под руководством М.А.Бонч-Бруевича работали ученые и инженеры: В.П.Вологдин, А. Ф. Шорин, О.В.Лосев. Ими было налажено изготовление мощных генераторных ламп, что позволило в 1922 г. построить са¬мую мощную тогда в мире (400 кВт) радиостанцию им. Коминтерна.
Одновременно разрабатывалась теория мощных электронных генераторов и радиопере¬датчиков, не утратившая своего значения и сегодня. Особые заслуги в этих работах принадлежат М. В. Шулейкину и А. И. Бергу.
В 1907 г. Б. Л. Розингом были высказаны идеи, лежащие в основе современных систем электронного телевидения, реализованные после разработки и изготовления Д. А. Рожанским в 1911 г. одной из первых электронно-лучевых трубок.
В 1931 г. С. И. Катаевым была предложена конструкция первой передающей телевизионной трубки - иконоскопа, вскоре осуществленная В. К. Зворыкиным в США. Еще более совершенная передающая телевизионная трубка была разработана в 1933 г. П. В. Тимофеевым и П. В. Шмаковым.
В 1931 г. под руководством Д. А. Рожанского был разработан и изготовлен первый клистрон, а в 1935 г. Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым предложен и выполнен магнетрон. До настоящего времени клистроны и магнетроны являются основными приборами, используемыми в радиолокации для генерирования мощных колебаний в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.
Создание разнообразных типов электровакуумных приборов обусловило развитие в 20-30-е годы радиосвязи, телевидения, импульсной многоканальной радиосвязи, радиолокации, измерительной техники и других областей радиоэлектроники. Эти успехи позволили широко внедрять электронные приборы и устройства в промышленную электронику.
Развитие электроники характеризуется постоянным увеличением сложности электронных устройств. В настоящее время принято считать, что сложность электронной аппаратуры каждые пять лет возрастает примерно в 10 раз.
В 30-40-е годы в устройствах стали применять огромное количество электронных ламп. Однако выяснилось, что их возможности ограничены: каждая электронная лампа имеет небольшой срок службы, значительные габариты и массу и потребляет при этом большую энергию. Так, например, если электронное устройство состояло из 2000 ламп, то при сроке службы каждой лампы 500 ч оно могло безотказно проработать не более 15 мин.
Недостатки электронных ламп при одновременном непрерывном усложнении электронных устройств заставили специалистов разрабатывать электронные приборы с другим принципом действия, которые могли бы заменить по своим функциональным возможностям электронные лампы. Ими оказались полупроводниковые приборы.
Начало развитию полупроводниковой электроники в нашей стране было положено советским инженером О. В. Лосевым. Работая в начале 20-х годов в Нижегородской радиолаборатории, он исследовал кристаллические детекторы. К тому времени было известно, что эти приборы могли генерировать электромагнитные колебания. О. В. Лосев на их основе создал усилитель, известный под названием «кристадин».
Основополагающая роль в разработке теории полупроводников и их техническом применении принадлежит советской школе физиков под руководством акад. А. Ф. Иоффе. Эти исследования начали проводиться в конце 20-х - начале 30-х годов. Так, было введено понятие дырочной электропроводности, исследовано влияние примесей и температуры на механизм электропроводности, разработана теория выпрямления.
Большой вклад в развитие полупроводниковой техники внесли Б.В.Курчатов, Б.К.Коломиец, Д.Н.Наследов и другие физики исследованиями фотоэлектрических явлений в полупроводниках.
В 1948 г. в США были созданы полупроводниковые триоды на основе германия, получившие название транзисторов. За это изобретение их создатели Д. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли были удостоены Нобелевской премии. В 1949 г. транзисторы были разработаны в нашей стране А. В. Красиловым и С. Г. Мадояном.
К 1968 г. в СССР было разработано и внедрено в производство 50 типов транзисторов, большое количество типов диодов, тиристоров и других полупроводниковых приборов. За создание этих приборов группа советских ученых во главе с акад. В. М. Тучкевичем была удостоена Ленинской премии. В 1972г. Ж.И.Алферов создал инжекционные лазеры.
Применение полупроводниковых приборов в электронике, вычислительной технике, автоматике, энергетике приобрело массовый характер. Это определялось их достоинствами: высоким КПД, долговечностью, надежностью, небольшими габаритами, массой и т. д.
Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия явилась интегральная микроэлектроника. Начало микроэлектроники было положено в Англии во второй половине 40-х годов созданием тонкопленочных деталей на основе технологии внесения микропримесей.
Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США независимо друг от друга Д. Килби и Р. Нойсом, а в 1962 г. был начат их промышленный выпуск. С каждым годом роль и значение интегральной микроэлектроники все больше возрастают.
В последние годы широкое развитие получили полупроводниковые интегральные микросхемы.
Полупроводниковая интегральная микросхема - микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные проводники изготовляются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала и имеют общую герметичную оболочку.
Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микро¬схем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии. Так, возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронно-цифровые часы. Наличие 20 000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало появление микрокалькуляторов.
Значительный прогресс в электронике заметен в создании больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). В этих микросхемах количество элементов достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2-3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС привело к появлению микропроцессоров (устройств цифровой обработки информации, осуществляемой по программе) и микроЭВМ. В Японии разработаны сверхбольшие интегральные схемы, которые содержат миллионы элементов типа «транзистор». В ближайшие годы ожидается уплотнение компоновки элементов в интегральных микросхемах в 3-5 раз.
80-е и 90-е годы справедливо считают временем широчайшего внедрения микропроцессоров и микро-ЭВМ в различные производственные процессы, системы связи, управления промышленным оборудованием и бытовыми устройствами, транспортом.
Как показывают расчеты, применение микропроцессоров позволяет, например, в приборостроении уменьшить трудоемкость выпускаемых изделий в 10 раз, стоимость - в 5 раз, габариты, потребляемую энергию - в 10…20 раз, повысить надежность на порядок.
Специалисты приходят к выводу, что наиболее полное использование преимуществ микроэлектроники возможно только тогда, когда аппаратура или системы будут создаваться на основе комплексной микроминиатюризации с учетом назначения прибора, условий его эксплуатации, элементной базы и т. д. Задача комплексной микроминиатюризации заключается в том, чтобы, несмотря на быстрый рост сложности аппаратуры, их масса, объем и стоимость не увеличивались.
В недалеком будущем уровень интеграции повысится как минимум на порядок, и тогда размеры элементов в микросхемах будут соответствовать геометрическим размерам некоторых бактерий или молекул ДНК. Переход к такому уровню интеграции вызван стремлением к увеличению быстродействия электронных устройств и систем. Поэтому уже сейчас встает задача поисков новых путей создания микросхем со сверхвысокой степенью интеграции, которую необходимо решить в недалеком будущем. Здесь большие надежды возлагаются на функциональную электронику, которая будет создаваться на основе физической интеграции в отличие от технологической интеграции, по которой изготовляются современные микросхемы. Характерной особенностью схем с физической интеграцией является то, что в них невозможно выделить область в твердом теле микросхемы, исполняющую роль транзистора, диода, резистора и т. д. Подобные функциональные свойства реализуются за счет атомарных, межмолекулярных и других связей, создающих различные эффекты. Примером такого функционального прибора является пьезокристалл.
В последние десятилетия широкое развитие получил новый раздел науки и техники - оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах. Следует отметить, что первооткрывателями физических основ оптоэлектроники являются ученые - академики, лауреаты Нобелевской премии Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, создавшие оптические квантовые генераторы на основе р-п-перехода.
Появление и развитие оптоэлектроники было обусловлено тем, что полупроводниковая дискретная и интегральная электроника не могла решить окончательно проблему комплексной микроминиатюризации электронной аппаратуры. Такие элементы и устройства, как реле, кабели, переменные резисторы, разъемы, импульсные трансформаторы, плохо стыкуются с транзисторами из-за механически перемещающихся деталей, плохих эксплуатационных характеристик, невысокой надежности и большой стоимости. Кроме того, существующие устройства для ввода и вывода информации (электронно-лучевая трубка, электронно-оптические преобразователи, лампы накаливания и т. д.) несовместимы по ряду электрических параметров с интегральными микросхемами. Следует отметить, что на долю перечисленных элементов и устройств приходится большая часть потребляемой энергии, объема, массы, отказов, стоимости электронной аппаратуры. Налицо противоречие между интегральной полупроводниковой электроникой и традиционными электрорадиокомпонентами. Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления этого противоречия.
Преимуществом оптоэлектроники являются практически неисчерпаемые возможности повышения рабочих частот и использование принципа параллельной обработки информации.
Оптоэлектроника развивается как принципиально новое направление информационной техники. Она оказалась наилучшим образом приспособленной для создания адаптивных систем обработки больших массивов информации. Происходит активное проникновение оптоэлектроники в вычислительную технику.
В 2000г. российский ученый академик Ж. И. Алфёров удостоен Нобелевской премии за выдающиеся достижения в разработке оптоэлектронных полупроводниковых приборов.
Радиоэлектронная аппаратура независимо от ее сложности собирается из некоторого ограниченного набора типовых элементов. Всю совокупность элементов можно разделить на четыре группы: электрорадиоэлементы, электронные приборы, коммутационные изделия, конструкционные изделия.
Первая группа - электрорадиоэлементы: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, элементы задержки, трансформаторы, дроссели. Элементы первой группы называют пассивными.
Ко второй группе относятся электронные приборы: электровакуумные, полупроводниковые, интегральные микросхемы различной степени интеграции. Это активные элементы, так как они могут осуществлять выпрямление, усиление, генерацию, преобразование частоты переменных токов и другие активные процессы.
Электронным прибором называют прибор, в котором электрическая проводимость осуществляется, главным образом, посредством электронов или ионов, движущихся в вакууме, газе или полупроводнике.
Электронные приборы (ЭП), в которых проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся в вакууме или газе между электродами, расположенными в рабочем пространстве, называются электровакуумными приборами. Они разделяются на электронные электровакуумные приборы, в которых проводимость осуществляется посредством только электронов (электронные лампы и электронно-лучевые трубки) и ионные (газоразрядные) приборы, в которых осуществляется взаимодействие электронного потока с газовой средой в рабочем пространстве, в результате чего свойства среды резко изменяются.
Электронные приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводника, называются полупроводниковыми приборами.
Наиболее ценными являются усилительные свойства большой группы ЭП, осуществляющих преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний, по форме совпадающих с воздействующим сигналом, но значительно превышающих его по мощности.
Существуют ЭП, которые обладают сильной зависимостью протекающих в них процессов от внешнего воздействия: тепла, света, ионизирующего излучения, злектромагнитного поля и т.д. Такие приборы могут непосредственно преобразовывать один вид энергии в другой, например, тепло или свет в электричество, а также служить эффективными индикаторами (датчиками) этого воздействия.
Таким образом, функции ЭП в радиоэлектронных устройствах весьма разнообразны и это предопределяет разнообразие их типов, различающихся как по принципу действия, так и по назначению. При этом отдельные типы ЭП с разным принципом действия могут иметь сходные свойства и применяться для одних и тех же целей. Электронный прибор является основным и одновременно самым сложным элементом радиоэлектронных устройств.
Третья группа - коммутационные изделия: соединители, различного рода переключатели, кнопки, реле, провода, кабели и т.п.
К четвертой группе относятся изделия, с помощью которых осуществляется монтаж, крепление и сборка радиоэлектронного устройства: платы, шасси, крепежные детали и т.п.