Краткая историческая справка развития электронных приборов

В наступившем двадцать первом веке значение электроники существенно возрастает. Научно-технический прогресс немыслим без электроники. Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, которые находят широкое применение в различных областzх [ (народного) хозяйства и отраслях[ науки и техники - вычислительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике и телевидении, в установках измерительной техники, медицине, биологии и т. д..

Собственно начало развития электронной техники было положено изобретением русским учёным Александром Степановичем Поповым в 1895 г способа беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством электромагнитных волн (радиоволн). Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г., когда А.С. Попов выступил с публичным докладом и демонстрацией работы своего радиоприёмника на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге.

Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа: радиотелеграфный, радиотехнический и этап собственно электроники.

В первый период (около 30 лет) развивалась радиотелеграфия и разрабатывались научные основы радиотехники. С целью упрощения устройства радиоприёмника и повышения его чувствительности в разных странах велись интенсивные разработки и исследования различных типов простых и надёжных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.

В 1904 г. была построена первая двухэлектродная лампа (диод), которая до сих пор используется в качестве детектора высокочастотных колебаний и выпрямителя токов технической частоты, а в 1906г. появился карборундовый детектор.

Трёхэлектродная лампа (триод) была предложена Ли де Форестом в 1907 г. В 1913 г. Была разработана схема лампового регенеративного приёмника и с помощью триода были получены незатухающие электрические колебания. Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции ламповыми, что практически решило проблему радиотелефонии. Внедрению электронных ламп в радиотехнику способствовала первая мировая война. С 1913 г. по 1920 г. радиотехника становится ламповой.

Первые радиолампы в России были изготовлены Н.Д. Папалекси в 1914г. в Петербурге. Из-за отсутствия совершенной откачки они были не вакуумными, а газонаполненными (с ртутью). Первые вакуумные приёмно - усилительные лампы были изготовлены в 1916 г. М.А. Бонч-Бруевичем. Бонч-Бруевич в 1918 г. возглавил разработку отечественных усилителей и генераторных радиоламп в Нижегородской радиолаборатории. Тогда был создан в стране первый научно - радиотехнический институт с широкой программой действий, привлёкший к работам в области радио многих талантливых учёных, молодых энтузиастов радиотехники. Нижегородская лаборатория стала подлинной кузницей кадров радиоспециалистов, в ней зародились многие направления радиотехники, в дальнейшем ставшие самостоятельными разделами радиоэлектроники.

В марте 1919 г. начался серийный выпуск электронной лампы РП-1. В 1920 г. Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт, а в 1923 г. - мощностью до 25 кВт. В Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым в 1922 г. была открыта возможность генерировать и усиливать радиосигналы с помощью полупроводниковых приборов. Им был создан безламповый приёмник - кристадин. О. В. Лосев использовал отрицательное дифференциальное сопротивление, возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с полупроводником, для генерации высокочастотных электрических колебаний. Кроме того, им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении тока через точечные контакты

Собственно полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллических детекторов, применяли еще в первых электронных установках. Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. В 1895 г. А. С. Поповым при изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем.

Однако в те годы не были разработаны способы получения полупроводниковых материалов, и его изобретение не получило распространения. В этот период успешно развивается техника электровакуумных приборов, и из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходивших в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы не получили тогда существенного развития и применения

Во второй период (около 20 лет) продолжало развиваться радиотелеграфирование. Одновременно широкое развитие и применение получили радиотелефонирование и радиовещание, были созданы радионавигация и радиолокация. Переход от радиотелефонирования к другим областям применения электромагнитных волн стал возможен благодаря достижениям электровакуумной техники, которая освоила выпуск различных электронных и ионных приборов.

Переход от длинных волн к коротким и средним, а также изобретение схемы супергетеродина потребовали применения ламп более совершенных, чем триод. В 1924 г. была разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), а в 1930 - 1931 г.г. - пентод (лампа с тремя сетками). Электронные лампы стали изготовлять с катодами косвенного подогрева. Развитие специальных методов радиоприёма потребовало создания новых типов многосеточных ламп (смесительных и частотно - преобразовательных в 1934 - 1935 г.г.). Стремление уменьшить число ламп в схеме и повысить экономичность аппаратуры привело к разработке комбинированных ламп.

Освоение и использование ультракоротких волн привело к усовершенствованию известных электронных ламп (появились лампы типа “желудь”, металлокерамические триоды), а также разработке электровакуумных приборов с новым принципом управления электронным потоком - многорезонаторных магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие радиолокации, радионавигации, импульсной многоканальной радиосвязи, телевидения, ускорительной техники и др.

Одновременно шло развитие ионных приборов, в которых используется электронный разряд в газе. Был значительно усовершенствован изобретённый ещё в 1908 г. ртутный вентиль. Появились газотрон (1928-1929 г.г.), тиратрон (1931 г.), стабилитрон, неоновые лампы и т.д.

Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось разработкой и усовершенствованием различных фотоэлектрических приборов (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие телевизионные трубки) и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения.

В эти годы радиотехника превратилась в самостоятельную инженерную науку. Интенсивно развивались электровакуумная промышленность и радиопромышленность. Были разработаны инженерные методы расчёта радиотехнических схем, проведены широчайшие научные исследования, теоретические и экспериментальные работы.

Но и развитие полупроводниковых приборов тоже продолжалось. В годы Великой Отечественной войны в СССР были разработаны точечные диоды. В 1942 г. в СССР был организован выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций партизанских отрядов. Создание и производство этих и многих других приборов стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе.

Период с 60-х годов прошлого века и по настоящее время составляет эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой и т.д. В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались сверхминиатюрные лампы, что даёт возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе. Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германивые диоды.

В 1948 г. американские учёные Дж. Бардин, В. Браттейн и В. Шокли создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Начался новый этап развития полупроводниковой электроники. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически уже не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 50 x годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов, тиристоров, мощных выпрямительных диодов, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов — солнечных батарей, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.

Принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором был предложен еще в 1926 г., но до окончательной разработки этих транзисторов потребовалось почти 30 лет исследований электрофизических процессов на границе полупроводника с диэлектриком и технологии получения необходимых структур.

В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70- х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 мВт) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 Вт, а уже в 1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 Вт и более. Маломощные же транзисторы (до 0,5 - 0,7 Вт) могут работать на частотах свыше 500 МГц. Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше +55 - 70ºС, а на основе кремния - не выше +100 - 120^ººС. Созданные позже образцы транзисторов на арсениде галлия оказались работоспособными при температурах до +250^º С, и их рабочие частоты достигли 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350ºС. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из некоторых областей электроники.

В 1958–1959 годах появились интегральные микросхемы на кремнии, что означало появление нового направления полупроводниковой электроники — микроэлектроники. При этом удалось существенно уменьшить стоимость и повысить надежность устройств электронной техники, значительно уменьшить их массу и габариты путем формирования всех пассивных и активных элементов интегральных микросхем в едином технологическом процессе, а также в результате конструктивной интеграции

В 80-е годы прошлого столетия стремление к уменьшению размеров активных элементов электроники привело к зарождению еще одного направления — наноэлектроники. (Лучше, вероятно, было бы использовать более правильный и логичный термин — наноразмерная электроника). Уменьшение размеров активных элементов до нанометров вызвало появление новых физических явлений и, соответственно, возможностей использования этих явлений в новых приборах.

Следует отметить, что наряду с интенсивным развитием полупроводниковой электроники, вакуумная электроника не собирается целиком сдавать свои позиции. Под девизом «Обратно в будущее» в США в 1988 г. прошла 1-я международная конференция по вакуумной микроэлектронике. Использование в вакуумной микроэлектронике автоэлектронной эмиссии обеспечивает мгновенную готовность к работе, радиационную и термическую стойкость, что очень важно для космической и военной техники, для устройств контроля ядерных реакторов, реактивных двигателей и т. п.

Развитие полупроводниковой электроники идет весьма интенсивно и в нашей стране, о чем свидетельствует присуждение в 2000 г. Нобелевской премии академику Ж. И. Алферову за исследование гетеропереходов, разработку технологии их формирования и за организацию производства полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов.

Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и, что самое главное, достижения высокой надёжности работы. Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.

Основной тенденцией микроминиатюризации является “интеграция” электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверхбольшие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование.

В заключение вводного раздела несколько слов о современном состоянии электронной промышленности России. Во время «холодной войны», отечественная промышленность в первую очередь работала на оборону. Это и определило основные направления развития и судьбу российской электроники. Её научно-производственные комплексы, включавшие НИИ, КБ, опытные и серийные заводы, располагались вблизи крупных центров авиационной, ракетостроительной или судостроительной промышленности, где достаточно рабочих рук и научных кадров. «Гражданская» её часть играла второстепенную роль и была как бы придатком военной — на военную денег не жалели, не считаясь с применением самых дорогих материалов и технологий. Поэтому в начале 90-х г.г. с переходом к рыночной экономике отечественная бытовая техника (телевизоры, магнитофоны, радиоприёмники — не говоря уже о компьютерах) не могла конкурировать с изделиями наиболее развитых стран не только на мировом, но и на российском рынке, а сокращение армии и военного заказа поставило предприятия отрасли (более 1 тыс.) на грань исчезновения. И только к концу века наметились пути выхода из кризиса.

На гребне так называемого «информационного взрыва» электронная промышленность России получила новый толчок, способный поднять её с колен. Сфера связи является третьей в мире по масштабам рыночного оборота (после здравоохранения и банковского дела). Это наиболее динамично развивающийся сектор мировой экономики. В России уже существует рынок — а рынок требует информации. Потенциальными заказчиками электронных информационных систем и линий связи являются банки и биржи, таможни и страховые компании, административные и бизнес - центры, а также крупные отраслевые компании, имеющие филиалы в различных регионах, и транспортные компании — автомобильные, авиационные, флот. Всё возрастающими темпами растёт сеть Интернет, которая позволяет участвовать во всемирном обмене информацией и в диалогах — каждому, кто имеет компьютер и подключён к этой сети. На основе сотрудничества с иностранными фирмами внедряются новые технологии, развиваются сотовые сети связи, сети мультимедиа, интеллектуальные сети и др..