Введение в курс

Лекция 1.

Учебной деятельности.

Пути формирования навыков

Прямой	Косвенный
Ø Выполнение большого количества однотипных упражнений. Ø Основная цель – решить примеры. Ø Основное внимание правильности и автоматизму.	Ø Задания вычислительного характера включены в другие виды заданий, напрямую несвязанные с решением примеров. Ø Основное внимание - на I этапе обучения - осознанности. Другие показатели – следствие сформированности осознанности.

Необходимо применять индивидуально – дифференцированный подход.

Особое внимание уделять контрольно – оценочному компоненту

Преподаватель — Звездин Валерий Васильевич.

Литература:

1. Е.А. Зельдин, Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. Ленинград: Атомиздат, 1986

2. Под ред. проф. Евреинова, Цифровая и вычислительная техника. Москва: Радио и связь, 1991.

3. Титце, Шёнк, Полупроводниковая схемотехника. Москва: Мир, 1982.

4. Б.С. Герушинский, Основы электроники и микроэлектроники. Киев: Высшая школа, 1989.

5. Гусев В.Г., Гусев Ю.М., Электроника. Москва: Высшая школа, 1991

Электроника — отрасль науки и техники, изучающая:

1. физические явления в электровакуумных и полупроводниковых приборах;

2. электрические характеристики и параметры электровакуумных и полупроводниковых приборов;

3. свойства устройств и систем, основанных на применении электровакуумных и полупроводниковых приборов;

В промышленной электронике можно выделить три области:

· Информационная электроника составляет основу электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники, а так же 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. Суда относятся выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и другие устройства.

· Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн различной длины (высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка и сварка и т. д.).

Главными свойствами, обуславливающими широкое применение электронных устройств, является высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность.

Чувствительность электронных устройств, называемая пороговой, определяется абсолютным значением входной величины, при котором они начинают работать. Пороговая чувствительность современных электронных устройств составляет: 10^-17 А по току, 10^-13 по напряжению,10^-24 Вт по мощности.

Большое быстродействие электронных устройств имеет важное значение при автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающих долей микросекунды.

Универсальность заключается в том, что в электрическую энергию, на изменении которой основано действие всех видов электронных приборов, сравнительно легко преобразуются в 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 концеCIC — началеCC века. К этому времени электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности, что требовало создание новых средств измерений, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстродействующих по сравнению с существующими механическими и электромеханическими устройствами. Без этого дальнейшее повышение производительности труда становилось невозможным.

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 учёный А.С. Попов 1889 году, а в 1895 году он построил первый в мире радиоприёмник.

Изобретение в 1904 году английским учёным Я. Флемингом двухэлектродного электровакуумного прибора — диода и применение его в качестве детектора в радиоприёмных устройствах, создание в 1907 году в США Ли де Форестом трёхэлектродной электронной лампы — триода, позволяющей усиливать и генерировать электрические колебания, произвели революцию в радиотехнике.

В России начале CC века сформировалась большая группа учёных и инженеров, работающих в области радиоэлектроники. Среди них в первую очередь следует назвать Н.Д. Паплекси, под руководством которого в 1914 году были изготовлены первые электронные лампы, и М.А. Бонч-Бруевича — создателя первых в мире мощных генераторных ламп. В 1918 году под руководством Бонч-Бруевича была создана Нижегородская радиолаборатория, где было налажено изготовление мощных генераторных ламп, что позволило в 1922 году построить самую мощную тогда в мире (400 кВт) радиостанцию им. Коминтерна.

Создание разнообразных электровакуумных приборов обусловило развитие в 20-30-е годы радиосвязи, телевидения, импульсной многоканальной радиосвязи, радиолокации и других областей электроники.

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 годы в устройствах стали применять огромное количество электронных ламп. Однако выяснилось, что их возможности ограничены: каждая лампа имеет небольшой срок службы, значительные габариты, массу и потребляет пи этом большую энергию. Так, например, если устройство состояло из 2000 ламп, то при их сроке службы каждой лампы 500 часов оно не могло проработать безотказно не более 15 минут.

Начало развитию полупроводниковой электроники в нашей стране было положено советским инженером О.В. Лосевым Работая в начале 20-х годов в нижегородской лаборатории, он исследовал кристаллические детекторы. К тому времени было известно, что эти приборы могли генерировать электромагнитные колебания. 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. Так было введено понятие дырочной электропроводности, исследовано влияние примесей и температуры на механизм электропроводности, разработана теория выпрямления.

В 1948 году в США были созданы полупроводниковые триоды на основе германия, получившие названия транзисторов. За это изобретение их создатели Д.Бардин, У. Браттейн, У. Шокли были удостоены Нобелевской премии. В 1949 году транзисторы были разработаны в нашей стране А.В. Красиловым и С.Г. Мадоян.

Применение полупроводниковых приборов в электронике, вычислительной технике, автоматике приобрело массовый характер, что определялось их большими достоинствами: высоким КПД, долговечностью, надёжностью небольшими габаритами, массой и т. д.

В последние десятилетия, одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники является интегральная микроэлектроника. Начало микроэлектроники было положено в Англии во второй половине 40-х годов созданием тонкоплёночных деталей на основе технологии внесения микропримесей.

Первые интегральные схемы были созданы в 1958 году в США независимо друг от друга Д. Килби и Р. Нойсом, а в 1962 году был начат их промышленный выпуск.

В последние годы широкое развитие получили полупроводниковые интегральные микросхемы.

Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрения методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надёжности и быстродействия, снижению потребления энергии. Так возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронно-цифровые часы. Наличие 20000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало появление микрокалькуляторов.

Значительный прогресс в электронике заметен в создании больших интегральных схем (БИС).

В этих микросхемах количество элементов достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2-3 мкм. Быстродействие достигается миллиардными долями секунды. Создание БИС привело к появлению микропроцессоров (устройств цифровой обработки информации осуществляемой по программе) и микро-ЭВМ. В настоящее время произошло уплотнение компоновки элементов в интегральных микросхемах в 3-5 раз, что привело к массовому выпуску сверх больших интегральных схем (СБИС).

Как показывают расчёты, применение микропроцессоров позволит, например, в приборостроении уменьшить трудоёмкость выпускаемых изделий в 10 раз, стоимость в 5 раз, габариты и потребляемую энергию — в 10 –20 раз, повысить надёжность на порядок.

В 21 веке уровень интеграции предстоит повысить минимум на порядок, и тогда размеры элементов в микросхемах будут соответствовать геометрически размерам некоторых бактерий или молекул ДНК. Переход к такому уровню интеграции вызван стремлением к увеличению электронных устройств и систем. Поэтому уже сейчас встаёт задача поисков новых путей создания микросхем со сверхвысокой степенью интеграции, которую необходимо решить в недалёком будущем. Здесь большие надежды возлагаются на функциональную электронику, которая будет создаваться на основе физической интеграции в отличии от технологической интеграции, по которой изготавливаются современные микросхемы. Характерной особенностью схем с физической интеграцией является то, что в них невозможно выделить область в твёрдом теле микросхемы, выполняющую роль транзистора, резистора, диода и т. д. Подобные функциональные свойства реализуются за счёт атомарных межмолекулярных и других связей, создающих различные эффекты. Примером такого функционального прибора является пьезокристалл.

В последнее время получил широкое распространение получил новый раздел науки и техники — оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а так же процессы распространения излучения в различных средах. Первооткрыватели физических основ оптоэлектроники являются российские учёные — академики, лауреаты Нобелевской премии Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, создавшие оптические квантовые генераторы на основе p-n 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, разъёмы, импульсные трансформаторы, плохо стыкуются с транзисторами из-за механически перемещающихся деталей, плохих эксплуатационных характеристик, невысокой надёжности 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, объёма, 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 использования 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.