Области электроники
Условно в электронике можно выделить следующий ряд составных частей или областей:
- физическая электроника;
- техническая электроника;
- промышленная электроника;
- микроэлектроника.
По самому смыслу слова физической электроникой называют науку, которая занимается изучением и использованием потоков движущихся носителей заряда, порождающих электрический ток. Но более точным будет следующее определение – физическая электроника это наука, изучающая электронные и ионные явления и процессы, связанные с изменением концентрации и перемещением заряженных частиц в различных средах (в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах, а также на поверхности раздела между вакуумом или газом и твёрдыми или жидкими телами) и условиях (при различной температуре, под воздействием электрических и магнитных полей).
Техническая электроника изучает устройство электронных приборов и их применение в технике; её задачей является разработка, производство и эксплуатация электронных приборов и устройств самого различного назначения.
Промышленная электроника – область, посвящённая применению электронных приборов в промышленности, на транспорте, в электроэнергетике; её задачей является разработка устройств передачи, преобразования и хранения информации, создаваемых на базе достижений физической электроники.
В свою очередь, в промышленную электронику, обеспечивающую разнообразные виды техники электронными устройствами измерения, контроля, управления и защиты, а также электронными системами преобразования электрической энергии, входят:
- информационная электроника, к которой относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление промышленными объектами и технологическими процессами, включая производство и научные исследования во многих инженерных и неинженерных отраслях (биология, медицина и т.п.);
- энергетическая (силовая) электроника (преобразовательная техника), связанная с преобразованием переменных и постоянных токов для нужд электроэнергетики, электротяги, металлургии и пр.
Неуклонное развитие физической электроники привело к знаменательному этапу – возникновению микроэлектроники. Так принято называть область науки и техники, охватывающую исследование и разработку интегральных микросхем и принципов их применения. Её задачей является микроминиатюризация электронной аппаратуры с целью уменьшения её объёма, массы, стоимости, повышения надёжности и экономичности на основе комплекса конструктивных, технологических и схемных методов [1, 2, 4 - 7].
Этапы развития электроники
В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определённых этапах становится невозможным решать новые задачи старыми электронными средствами, или, как говорят, средствами на основе старой элементной базы, например, с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Таким образом, появляются предпосылки для дальнейшего совершенствования элементной базы. Основными факторами, вызывающими необходимость разработки электронных устройств на новой элементной базе, являются повышение надёжности, уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.
Основными этапами развития электроники являются вакуумная, твердотельная и квантовая электроника. Каждый этап подразделяется на ряд разделов и направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данного этапа. Направление охватывает методы конструирования и расчёта электронных приборов, родственных по принципам действия или выполняемым функциям.
Направления развития вакуумной, твердотельной и квантовой электроники приведены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Основные направления развития электроники
Каждый последующий этап развития, внося коренные изменения в элементную базу электронной аппаратуры, в то же время не означает полного отрицания предшествующих этапов, так как технические средства ламповой и дискретной полупроводниковой электроники всё ещё широко используются.
Вакуумная электроника – это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследований в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и (или) ионов и управление этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.
Основные направления вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов (например кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); рентгеновских трубок; газоразрядных приборов (например тиратронов, газоразряных индикаторов).
Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием гетеропереходов и многослойных структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.
Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных микросхем.
В микроэлектронике используется схемотехническая интеграция функционально простых элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т.п.), которые локализованы в различных участках полупроводникового кристалла и способны выполнять сложные схемотехнические функции лишь в совокупности, включая также элементы связи (межсоединения). В настоящее время разработаны уже сверхбольшие интегральные схемы с количеством отдельных элементов порядка одного миллиона штук в одном кристалле, что потребовало применения субмикронной технологии. Дальнейшее повышение степени интеграции связано со снижением топологических размеров элементов, что является уже физическим пределом промышленного изготовления таких сверхбольших интегральных схем.
Функциональная электроника является одним из направлений твердотельной электроники и охватывает вопросы использования разнообразных физических явлений в твёрдых средах для интеграции различных схематических функций в объёме одного твёрдого тела (то есть функциональной интеграции) и создание электронных устройств с такой интеграцией. Переход от схемотехнической интеграции к функциональной позволяет устранить значительную часть технологических трудностей, связанных с формированием в одном кристалле большого числа простых элементов и межсоединений. Поэтому схемотехническую интеграцию называют также технологической, а функциональную интеграцию – физической.
Функциональная электроника ориентируется на преимущественное использование волновых процессов взаимодействия электромагнитных полей с электронами и атомами в твёрдых телах. Отличительной чертой приборов функциональной электроники являются несхематические принципы их построения. Функции схемотехники выполняют непосредственно те или иные физические процессы в твёрдом теле. Функциональные электронные приборы могут выполняться на основе не только полупроводниковых, но и таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, магнитодиэлектрики и др.
Акустоэлектроника - одно из направлений твердотельной электроники, связанное с явлениями взаимодействия акустических волн с электромагнитными полями и электронами проводимости в твёрдых телах, а также созданием акустоэлектронных устройств, работающих на основе этих эффектов. В этих устройствах электрические сигналы преобразуются в (механические) акустические путём использования обратного пьезоэффекта, суть которого состоит в изменении размеров твёрдого тела при приложении к нему электрического поля. С помощью устройств акустоэлектроники осуществляется преобразование сигналов во времени (задержка сигналов, изменение их длительности), по частоте и фазе (преобразование частоты и спектра, сдвиг фаз), по амплитуде (усиление, модуляция), а также более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование и др.). В ряде случаев акустоэлектронные методы преобразования сигналов являются более простыми по сравнению с электронными методами, а иногда и единственно возможными. Возможность такого использования устройств обусловлены малой скоростью распространения акустоэлектронных волн по сравнению со скоростью распространения электромагнитных волн и различными видами взаимодействия этих волн с электромагнитными полями и электронами проводимости в твёрдых телах, а также малым поглощением акустических волн в кристаллах.
В устройствах акустоэлектроники используются как объёмные, так и поверхностные акустические волны. В большинстве устройств осуществляется преобразование высокочастотных электрических сигналов в акустические волны (возбуждение акустических волн), которые распространяются в звукопроводе, а затем вновь преобразуются в высокочастотный сигнал (приём акустических волн). Для возбуждения и приёма объёмных акустических волн используют в основном пьезоэлектрические преобразователи. На объёмных акустических волнах были созданы первые линии задержки, осуществляющие задержку сигналов в диапазоне частот до 50 МГц, и кварцевые резонаторы, предназначенные для стабилизации частот генераторов.
Наибольшее распространение получили акустоэлектронные устройства на поверхностных акустических волнах, что обусловлено малыми потерями на преобразование при возбуждении волн, возможностью управления распространением волн в любых точках звукопровода, а также возможностью создания устройств с управляемыми частотными, фазовыми и другими характеристиками. К таким устройствам относятся, например, резонаторы на поверхностных акустических волнах, которые применяют в качестве узкополосных акустоэлектронных фильтров, а также вводят в контур генераторов для стабилизации частоты.
Магнитоэлектроника – направление функциональной электроники, базирующееся на использовании магнитных свойств вещества. К числу наиболее типичных объектов магнитоэлектроники относятся приборы управления потоками электромагнитной высокочастотной энергии (например ферритовые вентили), запоминающие и логические устройства, а также приборы, в которых используются свойства магнитостатических волн и явления ферромагнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса.
Наибольшее применение нашло использование тонкоплёночных металлических магнитных материалов в микроэлектронных запоминающих устройствах. Эти плёнки позволяют создавать надёжные быстродействующие запоминающие устройства с малой мощностью управления. Перспективными оказались устройства памяти на цилиндрических магнитных доменах. На тонких магнитных плёнках могут выполняться не только элементы памяти ЭВМ, но также логические интегральные схемы, магнитные усилители и другие приборы.
Криоэлектроника (криогенная электроника) – направление твердотельной электроники, охватывающее исследование при криогенных температурах (ниже 120 К) эффектов взаимодействия электромагнитного поля с носителями зарядов в твёрдых телах и методы создания электронных приборов и устройств на их основе – криоэлектронных приборов. Действие криоэлектронных приборов основано на различных физических явлениях и эффектах, происходящих в сверхпроводниках, проводниках, полупроводниках и диэлектриках при криогенных температурах. Например, полупроводниковые материалы получили широкое распространение в криоэлектронных параметрических усилителях, транзисторных усилителях, смесительных и детекторных устройствах и др. На основе сверхпроводящих материалов создан криотрон, представляющий собой переключающее криоэлектронное устройство, основанное на свойстве сверхпроводников скачком изменять свою проводимость под воздействием внешнего магнитного поля, имеющего критическое значение. Действие криотрона аналогично работе ключа или реле. Криотрон может находиться только в одном из двух состояний: либо в сверхпроводящем, либо с малой проводимостью.
Оптоэлектроника – раздел твердотельной электроники, охватывающий использование эффектов взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона (3·1011 ÷ 3·1017 Гц) с электронами в твёрдых телах и методы создания оптоэлектронных приборов и устройств, использующих эти эффекты для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. В оптоэлектронике условно выделяют фотонику, радиооптику и оптронику.
Фотоника исследует методы создания и свойства устройств, предназначенных для хранения, передачи, обработки и отображения информации, представленной в виде только оптических сигналов. К таким устройствам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и светоизлучающие диоды.
Радиооптика – это приложение принципов и методов радиофизики к оптике.
Оптроника исследует методы создания электронных устройств с внутренними оптическими связями, так называемых оптронных схем.
В оптоэлектронике практически освоенный диапазон электромагнитных волн лежит в пределах 0,2 ÷ 20 мкм. Достоинства оптоэлектроники по сравнению с вакуумной и полупроводниковой электроникой определяются преимуществами использования оптического излучения в приборах и устройствах. Например, электрическая нейтральность фотонов обеспечивает невосприимчивость оптических каналов связи (помехозащищённость, отсутствие перекрёстных помех и др.); полную гальваническую развязку в оптоэлектронных устройствах с внутренними оптическими связями; двойную (пространственную и временную) модуляцию потока оптического излучения, которая позволяет одновременно и параллельно обрабатывать большие массивы информации. Высокая частота световых колебаний обеспечивает достаточно высокую информационную ёмкость оптических каналов связи. Малые значения длины волны оптического излучения обуславливают высокую плотность оптической записи информации.
Одним из ближайших продолжений развития микроэлектроники является наноэлектроника. Наноэлектроника обеспечивает не только успехи в развитии элементной базы информационного приборостроения. Уже в настоящее время нанотехнологические разработки используются в медицине, робототехнике, машиностроении, атомной энергетике, оборонных системах и многих других областях. Начало XXI века будет характеризоваться бурным развитием нанотехнологий вообще и наноэлектроники в частности.
Квантовая электроника охватывает широкий круг проблем, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения – которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для лекционного сопровождения [2 - 4, 6, 8, 9].