ЭЛЕКТРОНИКА
наука о взаимодействии
электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных
приборов и устройств, в к-рых это взаимодействие используется для преобразования
электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения
информации. Наиболее характерные виды таких преобразований - генерирование,
усиление и приём электромагнитных колебаний с частотой до 1012 гц,
а
также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений
(1012-1020 гц). Преобразование до столь высоких
частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона -
наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В Э. исследуются взаимодействия
электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора,
так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллич. решётки.
Э. опирается на мн. разделы физики - электродинамику,
классич. и квантовую механику, физику твёрдого тела, оптику, термодинамику,
а также на химию, металлургию, кристаллографию и др. науки. Используя результаты
этих и ряда др. областей знаний, Э., с одной стороны, ставит перед др.
науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой
- создаёт новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает
науки качественно новыми средствами и методами исследования. Практические
задачи Э.: разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные
функции в системах преобразования и передачи информации, в системах управления,
в вычислит, технике, а также в энергетич. устройствах; разработка науч.
основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей
электронные и ионные процессы и приборы для различных областей науки и
техники.
Э. играет ведущую роль в научно-технич.
революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой
деятельности в значит, мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке
сложнейших научно-технич. проблем, повышению производительности физ. и
умственного труда, улучшению экономич. показателей производства. На основе
достижений Э. развивается пром-сть, выпускающая электронную аппаратуру
для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислит,
техники, систем управления технологич. процессами, приборостроения, а также
аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др.
Историческая справка.
Э. зародилась
в нач. 20 в. после создания основ электродинамики (1856-73), исследования
свойств термоэлектронной эмиссии (1882-1901), фотоэлектронной
эмиссии (1887-1905), рентгеновских лучей (1895-97), открытия
электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), создания электронной теории (1892-1909).
Развитие Э. началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг,
1904),
трёхэлектродной лампы - триода (Л. де Форест, 1906); использования
триода для генерирования электрич. колебаний (нем. инж. А. Мей-снер, 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;
пром. образцы - нем. учёные Ю. Эльстер и Г. Хейтель, 1910); фотоэлектронные
умножители - однокаскадные (П. В. Тимофеев, 1928) и многокаскадные
(Л. А. Кубецкий, 1930)- позволили создать звуковое кино, послужили
основой для разработки передающих телевизионных трубок: видикона (идея
предложена в 1925 А. А. Чернышёвым), иконоскопа (С. И. Катаев
и
независимо от него В. К. Зворыкин,
1931-32), супериконоскопа
(П.
В. Тимофеев, П. В. Шмаков,
1933), суперортикона (двухсторонняя
мишень для такой трубки была предложена сов. учёным Г. В. Брауде в 1939;
впервые суперортикон описан амер. учёными А. Розе, П. Веймером и X. Лоу
в 1946) и др. Создание многорезонаторного
магнетрона (Н. Ф. Алексеев
и Д. Е. Маляров, под рук. М. А. Бонч-Бруевича, 1936-37), отражательного
клистрона
(Н.
Д. Девятков
и др. и независимо от них сов. инж. В. Ф. Коваленко,
1940) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне
волн; пролётные клистроны (идея предложена в 1932 Д. А. Рожанским, развита
в 1935 сов. физиком А. Н. Арсеньевой и нем. физиком О. Хайлем, реализована
в 1938 амер. физиками Р. и 3. Варианами и др.) и лампы бегущей волны
(амер.
учёный Р. Компфнер, 1943) обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной
связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем
космич. связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов
создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы),
напр,
ртутные вентили, используемые гл. обр. для преобразования переменного
тока в постоянный в мощных пром. установках; тиратроны для формирования
мощных импульсов электрич. тока в устройствах импульсной техники;
газоразрядные
источники света.
Использование кристаллич. полупроводников
в качестве детекторов для радиоприёмных устройств (1900-05), создание
купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов(1920- 1926), изобретение
кристадина (О. В. Лосев, 1922), изобретение транзистора
(У.
Шокли,
У.
Браттейн, Дж. Бардин, 1948) определили становление и развитие
полупроводниковой электроники. Разработка
планарной технологии
полупроводниковых структур (кон. 50 - нач. 60-х гг.) и методов интеграции
мн. элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов)
на одной монокристаллич. полупроводниковой пластине привело к созданию
нового направления в Э. - микроэлектроники
(см. также
Интегральная
электроника). Осн. разработки в области интегральной Э. направлены
на создание интегральных схем - микроминиатюрных электронных устройств
(усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ, электронных запоминающих
устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных приборов, размещаемых
на одном полупроводниковом кристалле площадью в неск.
мм2.
Микроэлектроника
открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация
управления технологич. процессами, переработка информации, совершенствование
вычислит, техники и др., выдвигаемых развитием совр. общественного производства.
Создание квантовых генераторов (Н. Г.
Басов,
А. М. Прохоров и
независимо от них Ч. Тайне, 1955) - приборов квантовой электроники
- определило качественно новые возможности Э., связанные с использованием
источников мощного когерентного излучения оптич. диапазона (лазеров)
и построением сверхточных квантовых стандартов частоты.
Сов. учёные внесли крупный 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. Чернышёв, М. М. Богословский и мн. др.; по
проблемам возбуждения и преобразования электрич. колебаний, излучения,
распространения и приёма радиоволн, их взаимодействия с носителями тока
в вакууме, газах и твёрдых 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
др. разделам физ. оптики - С. И. Вавилов; квантовой теории рассеяния
света излучения, фотоэффекта в металлах - И. Е. Тамм и мн. др.
Области, основные разделы и направления
электроники. Э. включает в себя 3 области исследований: вакуумную Э.,
твердотельную Э., квантовую Э. Каждая область подразделяется на ряд разделов
и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических
явлений и процессов, к-рые имеют фундаментальное значение для разработки
мн. классов электронных приборов данной области. Направление охватывает
методы конструирования и расчётов электронных приборов, родственных по
принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления
этих приборов.
Вакуумная Э. содержит следующие разделы:
1) эмиссионная Э., охватывающая вопросы термо-, фотоэмиссии, вторичной
электронной эмиссии, туннельной эмиссии, исследования катодов и антиэмиссионных
покрытий; 2) формирование потоков электронов и потоков ионов, управление
этими потоками; 3) формирование электромагнитных полей с помощью резонаторов,
систем
резонаторов, замедляющих систем, устройств ввода и вывода энергии;
4) электронная люминесценция (катодолюминесценция); 5) физика и
техника высокого вакуума (его получение, сохранение и контроль); 6) теплофиз.
процессы (испарение в вакууме, формоизменение деталей при циклич. нагреве,
разрушение поверхности металлов при импульсном нагреве, отвод тепла от
элементов приборов); 7) поверхностные явления (образование плёнок на электродах
и изоляторах, неоднородностей на поверхностях электрода); 8) технология
обработки поверхностей, в т. ч. электронная, ионная и лазерная обработка;
9) газовые среды - раздел, включающий вопросы получения и поддержания оптимального
состава и давления газа в газоразрядных приборах. Осн. направления вакуумной
Э. охватывают вопросы создания электровакуумных приборов (ЭВП) след,
видов: электронных ламп (триодов, тетродов, пентодов и т. д.); ЭВП СВЧ
(магнетронов, клистронов и т. д.), электроннолучевых приборов (кинескопов,
осциллографич. трубок и т. д.); фотоэлектронных приборов (фотоэлементов,
фотоэлектронных умножителей), рентгеновских трубок; газоразрядных приборов
(мощных преобразователей тока, источников света, индикаторов).
Разделы и направления твердотельной Э.
в основном связаны с полупроводниковой Э. Фундаментальные разделы последней
охватывают след, вопросы: 1) изучение свойств полупроводниковых материалов,
влияние примесей на эти свойства; 2) создание в кристалле областей с различной
проводимостью методами эпитаксиального выращивания (см. Эпитаксия),
диффузии, ионного внедрения (имплантации), воздействием радиации на
полупроводниковые структуры; 3) нанесение диэлектрич. и металлич. плёнок
на полупроводниковые материалы, разработка технологии создания плёнок с
необходимыми свойствами и конфигурацией; 4) исследование физ. и хим. процессов
на поверхности полупроводников; 5) разработку способов и средств получения
и измерения элементов приборов микронных и субмикронных размеров. Осн.
направления полупроводниковой Э. связаны с разработкой и изготовлением
различных видов полупроводниковых приборов: полупроводниковых диодов
(выпрямительных, смесительных, параметрических, стабилитронов), усилительных
и генераторных диодов (туннельных, лавинно-пролётных, диодов Ганна), транзисторов
(биполярных и униполярных), тиристоров, оптоэлектронных приборов (светоизлу-чающих
диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных
матриц), интегральных схем. К направлениям твердотельной Э. относятся также
диэлектрич. электроника, изучающая электронные процессы в диэлектриках
(в частности, в тонких диэлектрич. плёнках) и их использование, напр, для
создания диэлектрич. диодов, конденсаторов; магнитоэлектроника, использующая
магнитные свойства вещества для управления потоками электромагнитной энергии
с помощью ферритовых вентилей, циркуляторов, фазовращателей и т. д. и для
создания запоминающих устройств, в т. ч. на магнитных доменах; акустоэлектроника
и пьезоэлектроника, рассматривающие вопросы распространения поверхностных
и объёмных акустич. волн и создаваемых ими переменных электрич. полей в
кристаллич. материалах и взаимодействия этих полей с электронами в приборах
с полупроводниково-пьезоэлектрич. структурой (кварцевых стабилизаторах
частоты, пьезоэлектрич. фильтрах, ультразвуковых линиях задержки, акустоэлектронных
усилителях и т. д.); криоэлектроника, исследующая изменения свойств твёрдого
тела при глубоком охлаждении для построения малошумящих усилителей и генераторов
СВЧ, сверхбыстродействующих вычислительных и запоминающих устройств; разработка
и изготовление резисторов.
Наиболее важные направления квантовой Э.
- создание лазеров и мазеров. На основе приборов квантовой Э. строятся
устройства для точного измерения расстояний (дальномеры),
квантовые
стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптич. многоканальной
связи, дальней космич. связи, радиоастрономии. Энергетич. воздействие
лазерного концентрированного излучения на вещество используется в пром.
технологии. Лазеры находят различное применение в биологии и медицине.
Э. находится в стадии интенсивного развития;
для неё характерно появление новых областей и создание новых направлений
в уже существующих областях.
Технология электронных приборов. Конструирование
и изготовление электронных приборов базируются на использовании сочетания
разнообразных свойств материалов и физико-химич. процессов. Поэтому необходимо
глубоко понимать используемые процессы и их влияние на свойства приборов,
уметь точно управлять этими процессами. Исключительная важность физико-химич.
исследований и разработка науч. основ технологии в Э. обусловлены, во-первых,
зависимостью свойств электронных приборов от наличия примесей в материалах
и веществ, сорбированных на поверхностях рабочих элементов приборов, а
также от состава газа и степени разряжения среды, окружающей эти элементы;
во-вторых,- зависимостью надёжности и долговечности электронных приборов
от степени стабильности применяемых исходных материалов и управляемости
технологии. Достижения технологии нередко дают толчок развитию новых направлений
в Э. Общие для всех направлений Э. особенности технологии состоят в исключительно
высоких (по сравнению с др. отраслями техники) требованиях, предъявляемых
в электронной пром-сти к свойствам используемых исходных материалов; степени
защиты изделии от загрязнения в процессе произ-ва; геом. точности изготовления
электронных приборов. С выполнением первого из этих требований связано
создание мн. материалов, обладающих сверхвысокими чистотой и совершенством
структуры, с заранее заданными физико-химич. свойствами - спец. сплавов
монокристаллов, керамики, стёкол и др. Создание таких материалов и исследование
их свойств составляют предмет спец. научно-технич. дисциплины - электронного
материаловедения. Одной из самых острых проблем технологии, связанных с
выполнением второго требования, является борьба за уменьшение запылённости
газовой среды, в к-рой проходят наиболее важные, технологич. процессы.
В ряде случаев допустимая запылённость - не св. трёх пылинок размером менее
1 мкм в 1 м3. О жёсткости требований к геом. точности
изготовления электронных приборов свидетельствуют, напр., след, цифры:
в ряде случаев относит, погрешность размеров не должна превышать 0,001%;
абс. точность размеров и взаимного расположения элементов интегральных
схем достигает сотых долей мкм. Это требует создания новых, более
совершенных методов обработки материалов, новых средств и методов контроля.
Характерным для технологии в Э. является необходимость широкого использования
новейших методов и средств: электроннолучевой, ультразвуковой и лазерной
обработки и сварки, фотолитографии, электронной и рентгеновской литографии,
электроискровой обработки, ионной имплантации, плазмо-химии, молекулярной
эпитаксии, электронной микроскопии, вакуумных установок, обеспечивающих
давление остаточных газов до 10-13 мм рт. ст. Сложность
мн. технологич. процессов требует исключения субъективного влияния человека
на процесс, что обусловливает актуальность проблемы автоматизации произ-ва
электронных приборов с применением ЭВМ наряду с общими задачами повышения
производительности труда. Эти и другие специфические особенности технологии
в Э. привели к необходимости создания нового направления в машиностроении
- электронного машиностроения.
Перспективы развития Э.
Одна из
осн. проблем, стоящих перед Э., связана с требованием увеличения количества
обрабатываемой информации вычислит, и управляющими электронными системами
с одноврем. уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема
решается путём создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих
время переключения до 10-11 сек; увеличения степени интеграции
на одном кристалле до миллиона транзисторов размером 1-2 мкм; использования
в интегральных схемах устройств оптич. связи и оптоэлектронных преобразователей
(см. Оптоэлектроника), сверхпроводников;
разработки запоминающих
устройств ёмкостью неск. мегабит на одном кристалле; применения лазерной
и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей
интегральных схем (напр., переход от микропроцессора к микроЭВМ на одном
кристалле); перехода от двумерной (пленарной) технологии интегральных схем
к трёхмерной (объёмной) и использования сочетания различных свойств твёрдого
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 субмилллметровых
волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации,
а также приборов для линий оптич. связи; разработки мощных, с высоким кпд,
приборов СВЧ и лазеров для энергетич. воздействия на вещество и направленной
передачи энергии (напр., из космоса). Одна из тенденций развития Э.- проникновение
её 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 совершенствования технологии произ-ва
электронных приборов расширяются области использования достижения Э. во
всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль Э. в ускорении
научно-технич. прогресса. А. И. Шокин.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я