Лекция № 1. Основные этапы развития отечественной электроники

1. Лекция №1. Основные этапы развития отечественной электроники.

Электроника (electronic) - наука о взаимодействии электронов с
электромагнитными полями и методах создания электронных приборов,
устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования
электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранения информации.
Главными этапами развития электроники является:
вакуумная (vacuum);
твердотельная (solid);
квантовая (quantum) 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.

2. Основные направления развития электроники

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРОНИКИ

3. Вакуумная электроника -

Вакуумная электроника 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.
Направления исследований в области вакуумной электроники:
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).
3

4. Твердотельная электроника -

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.
Основные направления твердотельной электроники:
полупроводниковая электроника (разработка различных видов
полупроводниковых приборов);
микроэлектроника (разработка интегральных микросхем).
4

5. 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.
5

6. Акустоэлектроника -

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.
6

7. Магнитоэлектроника -

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;
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.
7

8. 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.
8

9. Оптоэлектроника -

Оптоэлектроника раздел твердотельной электроники, охватывающий использование эффектов
взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона (3·1011 ÷
3·1017Гц) 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.
9

10. Квантовая электроника -

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:
высокая стабильность частоты колебаний;
низкий уровень собственных шумов;
большая мощность в импульсе излучения.
Эти особенности 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.
10