Техносфера - Базовые лекции по электронике (в 2-х томах) Том I: Электровакуумная, плазменная и квантовая электроника

Содержание

Лекция 1. Введение в электронику

Лекция 2.Рентгеновские приборы. Устройство и применение

Лекция 3.Вакуумная электроника

Лекция 4.Приборы плазменной электроники

Лекция 5.Мощные генераторные лампы

Лекция 6.Телевизионные фотоэлектронные приборы

Лекция 7. Современные средства отображения информации

Лекция 8. СВЧ электроника - история, проблемы и перспективы

Лекция 9. Квантовая электроника

Лекция 10. Революция в связи: волоконно-оптические системы передачи информации

Лекция 11. Кристаллы для фотоники

Лекция 12. Конденсаторы

Лекция 13. Вакуумные коммутационные приборы и вакуумные конденсаторы

Лекция 14. Резисторы и их классификация. Конструкции. Технологии

Сборник состоит из двух томов. Первый том посвящен электровакуумной, плазменной и квантовой электронике. Классические электровакуумные приборы представлены лекциями Г.Л.Брусиловского, Б.И.Горфинкеля, В.С.Прилуцкого и А.В.Галдецкого. Лекция Р.М.Степанова, знакомит читателя с фотоэлектронными приборами, а обзор К.Н.Быструшкина – с современными средствами отображения информации. Некоторые разделы квантовой электроники описаны в лекциях Г.М.Зверева, А.А.Шокина, Т.Т.Басиева, В.В.Осико и Е.В.Жарикова. Плазменная электроника представлена лекцией А.С.Арефьева и В.А.Коротченко, а конденсаторы и резисторы – лекциями Б.П.Беленького, В.П.Буца и В.Г.Недорезова.
В.М.Пролейко к.т.н., профессор

К читателю

Уроки Великой Отечественной войны и начавшаяся в конце 1940-х годов холодная война потребовали развития отечественной электроники до мирового уровня, в первую очередь как средства предупреждения новой возможной агрессии.
Соревнующиеся, а иногда и противодействующие (как в Корейской, Вьетнамской и Ближневосточных войнах) стороны находились в различных условиях для развития своих радиоэлектронных отраслей. Ресурсная поддержка этих отраслей Западных стран во много раз превышала возможности Советского Союза. Кроме того, наша страна оказалась в условиях жесткой изоляции, в то время как противостоящие страны пользовались широкой международной кооперацией.
Несмотря на это уже к концу 1960-х годов уровень советской электроники как по электронным приборам, так и по электронной аппаратуре в большинстве направлений соответствовал передовому зарубежному уровню, а по ряду направлений специальной, оборонной и космической электроники превосходил лучшие зарубежные достижения.
Ответ на этот парадокс еще в конце 1950-х годов нашли сами американцы. Уже после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли американская администрация приступила к реорганизации собственной системы образования с использованием при этом опыта советской системы подготовки научных и инженерных кадров. Действительно, кадры в электронике нашей страны в 1950-е – 80-е годы были главным ресурсом выхода на мировой уровень.
К прекрасно подготовленным советским специалистам, выпускникам университетов и таких традиционно ориентированных на электронику вузов, как МЭИ, МФТИ, МИФИ, МХТИ, ЛЭТИ в 1960-е годы для решения задач развивающейся электроники подключились высококвалифицированные выпускники вновь созданных МИЭМ, МИЭТ, МИРЭА.
Советская радиопромышленность, промышленность средств связи и особенно электронная промышленность в этот период развивались рекордными темпами, при этом СССР был единственной в мире страной, где производились все виды электронных приборов.
К сожалению, по ряду причин с конца 1980-х до 2005 года отечественная электроника в целом и система подготовки кадров в том числе потеряла многое из ранее достигнутого.
Однако некоторые опасные современные тенденции развития человеческого общества , в том числе угроза экстремизма, терроризма, военных конфликтов и даже войн, необходимость обеспечения безопасности с одной стороны и возрастающее значение современной электроники и информационной техники с другой, привели к началу процесса интенсивного восстановления и дальнейшего развития российского радиоэлектронного комплекса. Этот процесс естественно потребует подготовки на современном уровне высококвалифицированных кадров.

Предлагаемый читателям двухтомный сборник «Базовые лекции по электронике» безусловно будет способствовать выполнению непростой задачи подготовки современных ученых, инженеров, технологов, руководителей для наиболее эффективной отрасли науки, техники, промышленности – электроники .
Лекции подготовлены ведущими учеными, академиками РАН: Ж.И. Алферовым, К.А. Валиевым, Ю.В. Гуляевым, В.К. Левиным, А.А. Орликовским, В.В. Осико, а также научными руководителями НИИ и КБ радиоэлектронного комплекса, профессорами вузов. Лекции охватывают все виды электронных приборов, включая приборы наноэлектроники и микросистемотехники.
Надеюсь, что лекции будут интересны и полезны не только студентам, но и преподавателям средних и высших учебных заведений и специалистам радиоэлектронного комплекса.
Ю. Борисов,
доктор технических наук,
заместитель Министра
промышленности и торговли РФ

Введение в электронику

I. Рождение электроники

Среди естественных наук, в значительной степени определивших развитие человеческой цивилизации, особое место занимает физика в силу своего фундаментального значения и многообразия.
«Физика – одна из древнейших естественных наук, уступает в исторической хронологии лишь математике и астрономии. В дошедших до нас свидетельствах античных летописцев упоминаются эмпирические наблюдения некоторых процессов при строительстве и ремесленном производстве, а также, попытки описания технологий, относящихся к VIII – VII векам до н.э.» [1].
Энциклопедия определяет: «Физика – наука, изучающая простейшие, и вместе с тем, наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, и законы ее движения. Поэтому понятие «физика» и ее законы лежат в основе всего естествознания» [2]
За почти 3000 лет своей истории физика прирастала все новыми и новыми разделами, возникающими обычно как результат эволюции ранее известных и развивающихся направлений. Таким предшественником интересующего нас раздела физики по имени «электроника», было электричество.
Ключевым словом данных лекций можно считать слово «электрон». Этим словом древние греки называли янтарь – природный генератор статического электричества.
С древних времен в природе наблюдались электрические разряды и свечения, обнаруживались магнитные свойства некоторых материалов. Началом становления науки об электричестве можно считать работы английского физика У.Гильберта, описавшего в 1600 году природу электрических и магнитных явлений.
В 1745 году был создан прототип первого пассивного электронного (электрического) прибора – конденсатора, так называемой «Лейденской банки». Это был прибор электричества. Согласно определению «Электричество – это совокупность явлений, обусловленных существованием, движением электрически заряженных тел или частиц» [3]. Электрически заряженные частицы в конденсаторе накапливают электрический заряд.
Важным событием, предопределившим рождение электроники, было открытие и описание в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция, согласно выводам Фарадея, связывает электрические и магнитные поля, и дает основания для объединения понятия этих двух полей в общее понятие электромагнитного поля.
В 1832 году Фарадей высказал предположение о единой природе волн, расходящихся на поверхности возмущенной воды и электромагнитных волн.
Теоретическое обоснование этого предположения было разработано другим английским физиком Джемсом Максвеллом в фундаментальных трудах «Динамическая теория электромагнитного поля» 1864 года и двухтомном «Трактате об электричестве и магнетизме» 1873 года.
В этих трудах Максвелл выразил законы электромагнитного поля в форме четырех дифференциальных уравнений в частных производных, из которых следовало убедительное обоснование существование электромагнитных полей.
Экспериментальное подтверждение наличия в природе электромагнитных волн осуществил в 1887 году немецкий физик Генрих Герц в опыте по передаче и при ему электромагнитного сигнала, проведенном в лаборатории Высшей технической школы в Карлсруе.
Эти работы Фарадея, Максвелла и Герца выходили за рамки традиционного раздела физики с названием «электричество» и открывали путь новому направлению физики – «электроника», основанному на использовании электромагнитных волн.

Майкл Фарадей Джеймс Клерк Максвелл Генрих Рудольф Герц

Именно эти работы и создали предпосылки зарождения на рубеже 19 и 20 веков нового направления физики – электроники.
В последнее десятилетие 19 века и в первое десятилетие 20 века произошел удивительный цивилизационный прорыв – одновременное возникновение нескольких крупных научных и технологических направлений, активно развивающихся с тех пор уже более 100 лет.
Это был старт квантовой и ядерной физики, электроники, рентгеновской техники, фототелеграфа, автомобиле- и самолетостроения, магнитной записи и техники кино. В каждом из этих направлений за последние годы достигнуты весьма значительные результаты, но эффективность развития электроники, универсальность и широта ее внедрения в деятельность человека, вывели электронику в наши дни на позиции науки и промышленности, определяющих дальнейшее развитие человечества.

1888 – 1907 г.г. – период рождения электроники

Первые наблюдения электронных процессов принадлежат американскому изобретателю Т.А.Эдисону, открывшему при создании лампы накаливания в 1883 году эффект протекания тока в вакууме между угольной нитью и впаянным в вакуумированную стеклянную колбу металлическим электродом с положительным напряжением. Этот важный, хотя и необъясненный и неисследованный автором открытия эффект, названный позже «Эффектом Эдисона», фактически был открытием термоэлектронной эмиссии – одного из базовых процессов в электронных приборах.
Временем зарождения электроники, как самостоятельного раздела физики, можно считать 20-летний период между 1888 и 1907 годами. В эти годы в университетах и высших школах Германии, России, Англии и Голландии были проведены базовые исследования электронных процессов и созданы первые прототипы электронных приборов.

1988 – первый электронный прибор

Первый электронный прибор – вакуумный фотоэлемент – был создан русским физиком, профессором Московского Университета А.Г.Столетовым в 1888 году.
Фотоэлемент Столетова полностью соответствовал сформулированному позже определению электронного прибора, как прибора, в котором происходит взаимодействие электронов с электромагнитными волнами. Электромагнитные волны светового спектра, или, по терминологии Столетова, «энергия световых лучей», выбивали из фотокатода поток электронов. Между фотокатодом и анодом с положительным зарядом возникал фототок. Этот процесс, проходящий в вакууме, позже использовался в различных фотоэлектронных приборах.
1895 – рентгеновская трубка, изобретение радио.
В этом году немецкий физик В.К.Рентген создал высоковольтный ионный прибор – «рентгеновскую трубку», в котором энергия высокоэнергетических ионов (позже – электронов) преобразовывалась в энергию электромагнитного излучения самой высокой для электронных приборов даже настоящего времени частотой.
Это изобретение было отмечено в 1901 году первой Нобелевской премией.
В том же 1895 году преподаватель Высшего технического училища морского ведомства в Кронштадте А.С.Попов изобрел и продемонстрировал первые радиопередающее и радиопринимающее устройства. Символично, что первая в истории радиограмма, переданная и принятая А.С.Поповым при демонстрации радиосвязи 25 апреля (7 мая) 1895 года на заседании Русского физико-химического общества, состояла из двух слов: «Генрих Герц». Этими словами изобретатель радио А.С.Попов отдавал должное ученому, экспериментально подтвердившему фундаментальные положения Максвелла об электромагнитных волнах.
Важным фактом было применение А.С.Поповым в радиоприемном устройстве усовершенствованного им когерера Э.Брандли – прототипа электронного прибора, детектирующего электромагнитные волны.
Недавние исследования российских историков науки доказали неоспоримый приоритет изобретения радио А.С.Поповым [4].
Александр Георгиевич Вильгельм Конрад Александр Степанович .
Столетов Рёнтген Попов
1897 – открытие электрона, катодная трубка
В 1897 году английский ученый, профессор Кембриджского университета Дж.Дж.Томсон открыл и описал элементарную частицу – электрон, а немецкий физик, профессор Страсбургского университета К.Ф.Браун изобрел катодную трубку - прототип электронно-лучевых приборов.
1892 – 1909 – электронная теория
В 1892 – 1909 годах голландский физик, профессор Лейденского университета, Х.А.Лоренц создает электронную теорию. Согласно этой теории, всякое вещество содержит положительные и отрицательные заряды, движением и взаимодействием которых обусловлены электромагнитные явления, а также электрические, магнитные и оптические свойства вещества.

Дж.Дж.Томсон Карл Фердинанд Браун Гедрик Лоренц

1900 – 1901 – термоэлектронная эмиссия

Английский физик из Кавендишской лаборатории Кэмбриджского университета О.У.Ричардсон в 1900 – 1901 г.г. провел первые исследования открытой Эдисоном термоэлектронной эмиссии.

1904 – 1907 вакуумные диод - триод

Изобретение англичанином Дж. Флемингом вакуумного диода в 1904 году и американцем Ли де Форестом вакуумного триода в 1907 году завершило этап становления электроники как науки – период создания основ теории и разработки первых прототипов электронных приборов

О.У.Ричардсон Джон Эмброуз Флеминг Ли де Форест

II. Специфика электроники

Следующие 100 лет развитие электроники происходило нарастающими темпами, как в научном и техническом, так и в технологическом и производственном направлениях. Электроника преображала применяемую человечеством технику, завоевав наиболее выигрышные позиции в эволюционной последовательности используемых процессов – от механических - через электромеханические – к электронным.
Рассмотрим три примера такой эволюции:
1. До изобретения в 30-е годы 19 века американским художником и изобретателем Самюэлем Морзе электромеханического телеграфа связь на расстоянии реализовывалась механическим способом – путем перемещения информации вместе с ее носителем – гонцом, послом, письмом, и т.д. Даже в устройствах искровой радиосвязи Попова и Маркони вместе с использованием электромагнитных волн использовались электромеханические устройства.
Изобретение Ли де Форестом вакуумного триода и разработка на его базе Э.Армстронгом схемы положительной обратной связи (регенерации) стали основой полностью электронной радиосвязи

2. На смену механическим устройствам передачи изображения П.Нипкова (1884) и электромеханических телевизионных систем Д.Бэрда (20-е годы 20-го века), благодаря изобретению В.К.Зворыкиным приемной и передающей телевизионных трубок в 1935 году началась эпоха полностью электронного телевидения.

3. Еще более эффективным стал процесс замещения электронным приборами механических и электромеханических вычислительных элементов в счетно-вычислительных устройствах. ЭВМ на электронных лампах в 50-е годы 20-го века полностью вытеснили вычислительные машины на базе электромеханического реле Айкена и Цузе, которые всего лишь одним десятилетием раньше пришли на смену механическим вычислителям Паскаля и Лейбница 17 века и Бэббиджа 19 века.

Количество подобных примеров уникальной эффективности электроники возрастало в течение всего 20 века и начала 21 века. Сегодня существуют реальные предпосылки дальнейшего рекордно продуктивного внедрения электроники в различные области жизни и деятельности человека.

20-е годы стали временем, когда впервые проявились три важнейших тенденции в истории электроники.

Это, во-первых, характер совместных работ специалистов в двух направлениях развивающейся электроники: электронного приборостроения и электронного (тогда – радиоэлектронного) аппаратостроения.
Первым результатом такого сотрудничества была, как уже говорилось выше, разработка в 1912 году американским военным инженером Э.Армстронгом схемы передачи части анодного напряжения на сетку вакуумного триода Ли де Фореста, что превращало триод в усилительный и генераторный прибор. Использование схем Армстронга в радиопередатчиках и радиоприемниках сделало возможным организовать в 1915 году американскую трансконтинентальную и трансатлантическую радиосвязь. Это научно-техническое разделение создателей электроники на специалистам по электронным приборам и специалистов по электронной аппаратуре сохранялось до 80-х годов 20-го века и изменилось в сторону объединения только в связи с прогрессом микроэлектроники и в комплексированных электронных устройствах СВЧ-диапазона.
С усложнением в 30-е – 60-е годы функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры и параллельным развитием электронного приборостроения все в большей степени усложнялись и процедуры взаимного согласования между приборными и аппаратурными специалистами параметров базовых электронных приборов и конечной аппаратуры.
Развитие с начала 70-х годов микроэлектроники привело к росту степени интеграции микросхем, превращая их во все более сложные схемо- и, даже, системо-технические приборы, что еще больше усложнило согласование параметров.
Проблемы нового взаимопонимания специалистов электроники были изучены, изменены, и в итоге, описаны в выпущенном в 1987 году ГОСТ – 27394 в форме более 40 последовательных шагов совместной работы математиков, системо- и схемо-техников, топологов и технологов. ГОСТ – 27394 имеет характерное название : «Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем».[5]

Это, во-вторых, определяющая роль специальной технологии, состоящей из многих различных технологических процессов для электронных приборов
Около 10 лет потребовалось американским специалистам И.Лангмюру и Г.Арнольду и советским Н.Папалески и М.Бонч-Бруевичу и другим технологам для отработки технологии производства первых электронных ламп. С 1920-х годов, с начала серийного, а затем и массового производства электронных ламп для специалистов электроники стало не хватать только знаний электродинамики, разработанных основоположниками. Потребовались новые знания физико-химических и химических процессов, обеспечивающих воспроизводимый процесс производства электровакуумных приборов и стабильность их параметров в процессе эксплуатации. Сумма технологических процессов при этом обеспечивала получение и сохранение высокого вакуума, применение специальных вакуумных металлов и диэлектриков, получение высоконадежных сплавов металлов со стеклом и керамикой, использование высокоэффективных катодно-подогревательных узлов, применение систем охлаждения и многих других технологических операций и процессов. С появлением новых типов электронных приборов технология их производства изменилась по следующим направлениям:

а) Увеличение числа технологических процессов.
Технологический цикл производства первых электронных ламп вырос от нескольких десятков операций до 600 – 800 операций для сложных электровакуумных приборов СВЧ-диапазона Рекордсмен – производство цветного масочного кинескопа с тремя электронными пучками – состоит из более чем 8000 технологических операций.
б) Возрастающее разнообразие применяемых технологических процессов.
В электронике используются технологии, базирующиеся на таких направлениях физики, как механика, электричество, оптика, колебания и излучения, термодинамика, химическая, квантовая и атомная физика, физика плазмы, вакуума, физика твердого тела, физика элементарных частиц и др. Большое число электронных технологий базируется на таких направлениях химии, как неорганическая, органическая и физическая химия, кристаллохимия, электрохимия аналитическая и коллоидная химия и др. В последние годы разрабатываются электронные биотехнологии, в первую очередь, для создания молекулярных и биологических (в т.ч., ДНК) компьютеров. В электронных технологиях используются некоторые модифицированные процессы из металлургии, материаловедения, метрологии, эргономики, экологии и других прикладных наук.
Важную роль в производстве электронных приборов играют созданные в самой электронике электронно- и ионно-лучевые, рентгеновские, фотолитографические и квантовые технологии. В производственных отраслях мировой промышленности электроника – самая технологически насыщенная и технологически зависимая отрасль.
в) Повышающаяся точность выполнения технологических процессов. Требования к точности технологических операций возрастали еще в период освоения электровакуумными приборами все более высоких частот и уровней мощности.
Промышленные технологии полупроводниковых приборов потребовали, например, для диффузионных процессов, точности 0.02%, а о технических нормах в микроэлектронике, исчисляемых десятыми с сотыми долями микрометра, уже много лет на обывательском уровне, рассуждают, как о курсе доллара и стоимости барреля нефти.
Третьей важнейшей тенденцией в истории электроники является быстрота развития электроники и эффективность ее применения. Так, в юбилейном выпуске журнала «Электроника: прошлое, настоящее и будущее», утверждается, что уже: «к 1940 году в США действовало 777 радиостанций и в пользовании находилось около 500 миллионов (!) радиоприемников» [6]
Наивысшую эффективность электроника показывала в военных применениях, в войнах и военных конфликтах, которыми, к сожалению, был насыщен весь 20-й век. Еще в Русско-Японской войне 1904 – 1905 годов в период развития искровой радиосвязи были впервые применены такие методы радиоэлектронной войны, как подавление русскими связистами корректирующих радиосигналов для японской артиллерии при осаде Порт-Артура и радионаведение японского флота на русскую эскадру в Цусимском проливе.
Высокая результативность применения радиоэлектронных систем связи и радиолокации во 2-й мировой войне 1939 – 1945 годов дала основания многим аналитикам считать эту войну первой радиоэлектронной войной в истории человечества. Убедительные доводы в пользу этого определения дает история радиолокации. Радиолокационные системы, ускоренными темпами разрабатываемые в Англии и США до начала и в ходе Второй мировой войны, уже в 1940 году обеспечили победу британских ВВС над втрое превышающем по числу самолетов армадами германских бомбардировщиков, а также, подавление в 1942 году американской авиацией подводного флота Германии и Японии и уничтожение с помощью радиовзрывателей, в 1944 – 1945 году японской авиации, в т.ч., самолетов смертников - камикадзе.
Каждая следующая война 20-го века прирастала новыми видами электронного вооружения: в корейской войне 1953 – 55 годов впервые активно применялись военные системы инфракрасного диапазона, во Вьетнамской войне 1955 – 75 годов – зенитные ракеты, управляющиеся радиоэлектронными средствами. Эти войны, как и военные конфликты, демонстрировали результаты очередного этапа непрерывной гонки вооружений, в том числе, электронных. При этом электронные системы вооружения, благодаря своей беспрецедентной эффективности, развивались опережающими темпами, обеспечиваю лучшие результаты по обнаружению, точности наведения, разрешающей способности наблюдения, скорости срабатывания, надежности выполнения функций и т.д.

III. Электронная промышленность.

Электронная промышленность в двух основных до 1990-х годов, электронных державах мира – США и СССР возникла в годы Второй мировой войны. Американский журнал «Electronics» писал «Вторая мировая война была первой войной, в которой электроника сыграла решающую роль и она же оказала феноменальное влияние на промышленность. За годы войны число занятых в электронной промышленности возросло от предвоенного максимума примерно 110 000 рабочих до военного максимума 560 000» [6].
Началом создания советской радиоэлектронной промышленности считается постановление Государственного комитета обороны от 04.07.1943 об организации на базе двух НИИ, одного КБ и пяти заводов наркомата электропромышленности разработок и производства радиолокационных станций.
В последующие 18 лет отечественная радиоэлектронная промышленность развивалась высокими темпами, однако, анализ специфики производства электронных приборов и электронной аппаратуры (см. таблицу 1) привел к разделению в 1961 году радиоэлектронной промышленности на электронную промышленность и радиопромышленность [7]
Таблица 1

Параметр Электронные приборы (ЭП) Электронная аппаратура
(ЭА)
Количество технологических операций в производстве 102 - 104 10 - 102
Количество типов применяемых материалов сотни десятки
Требования к чистоте применяемых материалов 10-2 – 10-6 % 10-2 – 10-4 %
Требования к точности выполнения технологических операций До 0.01% До 1 %
Требования к чистоте производственных помещений До класса 10 - 1 До класса 1000 - 100
Возможность изменения параметров готового изделия (настройка) Невозможно за редким исключением Возможно за редким исключением
Ремонтопригодность невозможна возможна
Особенности требований к специалистам Технологический уклон Схемо- и системо-технически.
Две конкурирующих, и даже противостоящие электронные отрасли промышленности – американская и советская, были построены на разных принципах и развивались в различных условиях. Американская электронная промышленность состоит из частных фирм, работающих в условиях широкой внутриамериканской и международной кооперации и располагающих значительными государственными ресурсами для выполнения военных и престижных (например, космических) заказов.
Советская электронная промышленность до 1990-х годов состояла из государственных НИИ, КБ и заводов, объединенных в сконцентрированную отрасль, в основном обеспечивала себя необходимыми материалами и оборудованием и имела в 5 – 7 раз меньшую, чем американские фирмы, государственную ресурсную поддержку.
С 1961 по 1991 годы электронная промышленность СССР, производила все виды электронных приборов, научно-технический уровень которых в основном соответствовал высшему мировому, а по большинству типов СВЧ-приборов превосходил его.
За этот период количество предприятий отрасли увеличилось более чем в 10 раз – до 816, в т.ч. 232 НИИ и КБ, объем научных и технологических работ вырос в 35 раз, основные промышленные производственные фонды возросли в 50 раз. А объем производства – в 185 раз [8].

СССР весь этот период сохранял позицию второй (после США) электронной державы мира. В результате непонимания руководством нашей страны государственного значения электроники, все эти достижения были потеряны за последующие 10 – 15 лет. Так, объем производства электронных приборов с 1990 по 2000 год сократился более чем в 3 раза [8].

И это происходило тогда, когда не только в США, Японии , Европе и Южной Корее, но и на Тайване, в Сингапуре, Китае, Индии и Малайзии электроника развивалась рекордно высокими темпами.
В сборнике «Электроника. Вчера…Сегодня, Завтра?» авторы пишут: «На протяжении последних 30 лет среднегодовой рост микроэлектронной промышленности составлял 15%, и ожидается, что он сохранится еще 10 – 15 лет, когда она по объему производственного продукта может достигнуть 20% от всего промышленного продукта передовых стран.». [9].
IV. Определения в электронике

Само понятие «электроника» западные и отечественные источники трактуют по-разному.
В США и других западных странах долгое время электроника определялась как «прикладная наука о различных приборах, в которых контролируется движение электронов». [10]
Этому краткому определению Phaidon Enciclopedia 1978 года соответствуют все типы электронных приборов и все виды электронной аппаратуры. Однако, под это определение подпадают и все электротехнические приборы и устройства (электромоторы, коммутаторы и т.д.), т.е., специфики электроники оно не отражает
Наиболее полное определение понятия «электроника» дана в энциклопедической статье основателя и создателя отечественной электронной промышленности, министра А.И.Шокина в третьем издании БСЭ в 1978 году: «Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации.». [11].
Данное определение является не только первым полным определением, но и одновременно, сконцентрированной формулировкой комплексного понятия электроники, так как определяет два разных аспекта единой электронной науки и два вида различной электронной продукции: базовой – электронных приборов, и конечной потребительской – электронной аппаратуры.
Интересно, что современное зарубежное понятие «электроника» приблизилось к определению А.И.Шокина 1978 года. Так, настольная библиотека Britanica 2006 года определяет: «Электроника (electronics) – отрасль физики, занимающаяся электронной эмиссией, поведением электронов, и связанными с этим эффектами, а также созданием электронных устройств». [12].
В итоге, можно сформулировать два составляющих понятия «электроника» определения: электронный прибор и электронная аппаратура
Электронный прибор (ЭП) – это прибор или комплекс приборов, в которых происходит взаимодействие электронов с электромагнитными полями в различных средах
СССР был единственной страной в мире, электронная промышленность которой разрабатывала и производила все известные типы электронных приборов.
Электронная аппаратура (ЭА) – обобщенное название технических средств для передачи, приема, преобразования информации с использованием электронных приборов.
В СССР электронную аппаратуру производили многие отрасли промышленности: радиоэлектронная, приборостроительная, средств связи, медицинская, ряд оборонных отраслей и др.
Как техническое решение и как производственный продукт, электронные приборы не могут использоваться вне электронной аппаратуры, а электронная аппаратура не существует без электронных приборов.
Как следует из определения, в электронном приборе происходит взаимодействие заряженных частиц (электронов, ионов) с электрическими полями. История развития электроники – это история освоения электронными приборами (ЭП) и, как следствие, электронной аппаратурой (ЭА) диапазонов спектра электромагнитных волн и повышение эффективности этого взаимодействия.
В таблице 2 показаны области освоения электроникой спектра магнитных волн.
Таблица 2.

Область освоения спектра электромагнитных волн электронными приборами и электронной аппаратурой.
ЭВП - электровакуумные приборы
ППП - полупроводниковые приборы
ПФЭ - приборы фотоэлектроники
ПКЭ - приборы квантовой электроники

V. Электронные приборы – основа электроники.

Производству конечного продукта электроники – электронной аппаратуры (ЭА) различного назначения обычно предшествует этап разработки и производства электронных приборов (ЭП). Электронная промышленность производит несколько сот типов и несколько сот тысяч типономиналов трех основных видов ЭП, созданных в результате изобретений в электронике, имеющих значение научно-технических революций:
- изобретения вакуумного триода в 1907 году;
- изобретения транзистора в 1948 году;
- изобретения лазера в 1960 году.

Каждое из этих изобретений стало базой создания соответствующих направлений в электронике: вакуумной, твердотельной и квантовой электроники.
Диапазон параметров, совокупность всех типов ЭП описывается следующими величинами:
- масса прибора лежит в пределах от 0.01 г. до нескольких тонн.
- габаритные размеры – в пределах от 0.1 мм. до 2 – 3 м.
- диапазон рабочих частот – от 10-2 до 1023 Гц.
- диапазон принимаемых и излучаемых мощностей – от 10-18 до 1013 Вт.

Основное направление фактор развития ЭП – освоение новых диапазонов в координатах излучения – частота/мощность, в координатах приема – частота/чувствительность, в координатах преобразования информации – частота/потребляемая мощность. Позиция нового типа ЭП в перечисленных координатах является основанием для создания нового типа (или вида) ЭА.
Корректно созданная аппаратура повторяет параметры электронного прибора, используя их для выполнения функций аппаратуры. Однако, один параметр конечного продукта – эксплуатационная надежность ЭА, требует особого подхода.
Дело в том, что некоторым материалам и физико-химическим процессам, используемым при производстве ЭП присущи природные, и возникающие в процессе изготовления необратимые нестабильности характеристик. Эти явления достаточно подробно изучены и совместными работами специалистов двух ветвей (аспектов) электроники созданы методы построения аппаратуры с показателями эксплуатационной надежности, на несколько порядков превышающими показатели производственной (испытательной) надежности ЭП, на базе которых создается конкретный тип ЭА.
Прогресс микроэлектроники усилил базовые позиции ЭП в электронике. С ростом интеграции микросхем схемотехнические и некоторые системо-технические традиционно-аппаратурные функции все в большей степени реализуются в кристаллах БИС.
Более того, в последние десятилетия на базе электронных технологий развивается новое направление – микроэлектронные, микромеханические системы (МЭМС).

VI. Классификация электронных приборов.
Определения для основных типов ЭП.

Три главных изобретения в электронике – вакуумной лампы, транзистора и лазера – предопределили возникновение трех основных направлений исследования и разработок: вакуумной электроники, твердотельной электроники и квантовой электроники. На базе этих направлений создавались основные виды электронных приборов (ЭП) – вакуумные, твердотельные (в т.ч. полупроводниковые) и квантовые. Каждый вид ЭП подразделяются на классы ЭП, которые, в свою очередь, состоят из типов ЭП и типономиналов ЭП.
Рассмотрим кратко основные виды и классы ЭП. [13].

1. Вакуумные (электровакуумные и газоразрядные) приборы (ЭВП)

ЭВП приборы, в которых взаимодействие эмитируемых катодом электронов происходит в вакууме в герметизированном баллоне.
Создание и развитие этого вида электронных приборов связано с решением таких проблем, как:
- получение и сохранение высокого вакуума;
- использование электронной (термо- и фото-) эмиссии;
- формирование потоков электронов и ионов и управление ими:
- формирование электромагнитных полей и управление ими;
- катодо- и электролюминисценция;
- теплофизические процессы, в т.ч., процессы охлаждения и др. проблемы.
Вакуумные приборы генерируют и принимают электромагнитные излучения в диапазоне от 10-2 до 1023 Гц., и подразделяются на следующие классы:
1.1. Электронные (приемно-усилительные) лампы (ПУЛ)
- диоды, триоды, тетроды, пентоды и др. приборы, в которых управление электронным потоком осуществляется электростатически, с помощью электродов.

ПУЛ предназначены главным образом для усиления и генерирования электромагнитных колебаний с частотой до 3 ∙ 109 Гц. и мощностью рассеивания на аноде до 25 Вт. Основные области применения ПУЛ – радиотехника, радиовещание, радиосвязь, телевидение.
Несмотря на то, что первые ПУЛ были созданы в начале 20-го века Д.Флемингом (1904), Ли де Форестом (1907), В.М.Коваленковым (1910), М.А.Бонч-Бруевичем (1915), их широкое применение в радиоаппаратуре стартовало только в 20-е годы в связи с изобретение Э.Армстронгом в 1920 году схемы супергетеродинного приема, ставшей основой развивающейся радиотехники и усовершенствованием конструкции и технологии производства ПУЛ. Увеличение числа управляющих сеток в конструкции ПУЛ (гексоды, гептоды, октоды, пентагриды) и интеграция в одном вакуумном баллоне функций различных ламп (двойные триоды, диод-пентоды, триод-гектоды и т.д.), повышали функциональные и эксплуатационные характеристики радиоаппаратуры.
В результате продажи радиоаппаратуры в США выросли с 60 миллионов долларов в 1922 году до 900 миллионов долларов в 1929.
Дальнейшее совершенствование ПУЛ шло по конструктивно-технологическому пути уменьшения их габаритов, повышения долговечности и устойчивости к механическим и температурным воздействиям. Некоторые типы ПУЛ сохраняют работоспособность при температуре окружающей среды от - 60 до 500 о С и механических ударах с ускорением 20 000 g. Производство первых отечественных ламп началось в 1922 году на старейшем отечественном радиотехническим предприятии «Вектор», основанном 100 лет назад в 1908 году.
В Санкт-Петербурге в 20-е годы были созданы основные научно-исследовательские центры отечественной электроники довоенного периода: Центральная радиолаборатория, (ЦРЛ) в 1923 году и Отраслевая вакуумная лаборатория (ОВЛ) в 1928 году.
В 1933 году во Фрязино под Москвой началось производство радиоламп на специализированном заводе с соответствующим названием: завод «Радиолампа».
За период 1920 – 1965 годов в мире было разработано более 10 000 различных типов ПУЛ, а суммарное годовое количество произведенных ламп составляло сотни миллионов.
Наибольший вклад в отечественное радиолампостроение внесли М.А. Бонч-Бруевич, С.А.Векшинский, С.А.Зусмановский, Н.В.Черепнин, Б.И.Горфинкель.
1.2. Газоразрядные (ионные) приборы
– электронные приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока через разреженный газ – газовый разряд. Газовый разряд происходит при ионизации разреженного газа в вакуумированном баллоне, и при подаче достаточного для разряда напряжения между катодом и анодом. Образовавшиеся положительные ионы газа компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов, поэтому газоразрядные приборы, по сравнению с вакуумными электронными приборами, имеют малое внутреннее сопротивление, и способны пропускать токи до 104 А. В приборах этого класса используются дуговой, тлеющий, искровой и коронный разряды.

Первые газоразрядные приборы – выпрямители на парах ртути - появились на рубеже 20-го века.
Первые отечественные ртутные выпрямители были разработаны в начале 20-х годов в Нижегородской радиолабораториии, производились они с 40-х годов на заводах «Светлана» и МЭЛЗ. В 1958 году был создан специализированный для разработки газоразрядных приборов рязанский НИИ «Плазма».
Отдельную группу газоразрядных приборов представляют газоразрядные СВЧ-приборы, используемые в качестве активного или пассивного элемента СВЧ-цепи.
К газоразрядным приборам относятся газотроны и стабилитроны, ртутные и водородные тиратроны, счетчики ионизирующих частиц и газоразрядные источники света.
Особый интерес представляют газоразрядные лазеры и плазменные панели для различных дисплейных систем, включая телевизионные экраны.

1.3. Генераторные лампы
- электронные лампы, предназначенные для преобразования энергии источников тока в энергию высокочастотных (до 1010 Гц) колебаний.
Диапазон мощностей генераторных ламп от 25 Вт до 250 кВт
Генераторные лампы применяются в качестве радиопередатчиков в радиовещании, телевидении, радиолокации, в измерительной технике, в медицинской электронной аппаратуре, в ускорителях заряженных частиц и т.д.
В созданной в СССР в 1918 году Нижегородской радиолаборатории, а затем и на заводе «Светлана» в 20-е – 30-е годы были разработаны, а затем и производились генераторные лампы, используемые в самых мощных в Европе московских радиопередающих станциях.
Первые российские генераторные лампы «катодные реле Папалекси» были созданы в 1914 году в Санкт-Петербурге в «Русском обществе беспроволочных телеграфов и телефонов» (НИИ «Вектор») под руководством Н.Д.Папалекси. Первые радиовещательные станцией в Европе была Московская радиостанция на генераторных лампах М.А.Бонч-Бруевича (Нижегородская Радиолаборатория), действующая с сентября 1922 года. Самые мощные радиостанции в Европе на отечественных генераторных лампах были введены в Москве: им. ВЦСПС в 1929 году, им. Коминтерна в 1933 году и под Куйбышевым (Самара) в 1942. Советские генераторные лампы и радиопередатчики на их основе создавали известные ученые – Н.П.Богородицкий, С.А.Векшинский, В.П.Вологдин, А.Л.Минц, В.И.Сифоров, А.М.Щукин и др.

1.4. Электровакуумные СВЧ приборы (ЭВП СВЧ)
- (магнетроны, клистроны, лампы бегущей и обратной волны и др.) – приборы с динамическим управлением током, в которых увеличение энергии СВЧ-поля происходит вследствие дискретного (например, в клистронах) или непрерывного (в ЛБВ, приборах магнетронного типа) взаимодействия электронов с СВЧ электромагнитным полем.
ЭВП СВЧ используются для генерирования, усиления и преобразования электромагнитных сигналов с частотой от 3х108 до 3х1013 Гц.

СВЧ электронные приборы обеспечили продвижение электроники в более высокие частоты электромагнитного спектра, чем генераторные лампы, частотные ограничения которых связаны с соизмеримостью периода колебаний с временем пролета электронов в межэлектродном пространстве.
Освоение ЭВП СВЧ диапазона частот условно от 300 МГц до 3000 ГГц обеспечило получение высокой направленности излучения, что стало основой развития радиолокации и увеличения числа каналов связи – основы радиорелейной и космической связи.
Потенциал СВЧ особенно широко востребован в военных применениях электроники.
В одной из американских книг по истории радиолокации с характерным названием «The Invention that Changed the World…» был еще более характерный подзаголовок «… how a small group of radar pioneers won the Second World War and launched a Technological Revolution» [14] приводится карта размещения 19-ти радиолокационных станций (РЛС), установленных на восточных и южных берегах Англии к сентябрю 1939 года.
Эти наземные и бортовые самолетные РЛС обеспечили победу 900 британских истребителей над 2 500 германских бомбардировщиками уже в сентябре 1940 года, спустя 4 месяца после начала массированных бомбардировок Англии.
С тех пор и по настоящее время средства электронного вооружения продолжают совершенствоваться, используя все возрастающий потенциал электроники. Основные события Вьетнамской войны 1955 – 1975 годов были напрямую связаны с дуэлью американской и советской СВЧ-электроники. В 1965 году в связи с началом действия в Северном Вьетнаме советских зенитно-ракетных комплексов (ЗРК) С – 75 значительно возросли потери американской авиации. В 1966 году американцы срочно разработали и применили ракету класса воздух-земля «Shrike», которые наводились по лучу РЛС – С75 на частоте 3 ГГц. Ответом в 1977 году было изменение частоты РЛС – С75 с 3 ГГц на 5 ГГц и в 1968 – 1969 годах число сбитых американских самолетов снова значительно возросло.
Примечательно, что в арабо-израильских войнах 1960-х – 1970-х годов главными объектами разведки, диверсий и даже похищений были не штабы и склады, а радиолокационные комплексы.
С 1950-х годов и по настоящее время, СВЧ-электроника все шире применяется в радиолокации, радионавигации, радиорелейной и космической связи, радиоастрономии, метеорологии, телевидении, системах посадки и контроля над воздушным пространством, наземными и водными границами и др.
Государственное значение СВЧ-приборов, технологий и аппаратуры ведущий ученый отечественной СВЧ-электроники С.И.Ребров определил следующим образом. «Микроволновые технологии и СВЧ-техника, основанная на их использовании, были, есть и останутся критическими базовыми технологиями, являющимися показателями принадлежности страны к высокому уровню технической цивилизации и развитии. Продукция этих технологий обеспечивает высокий уровень оборонной техники страны и ее информационных систем и гарантирует сохранение технического суверенитета. В связи с этим, СВЧ-техника, безусловно, относится к приоритетным и сложнейшим направлениям научно-технического и технологического развития отечественной элементной базы.». [15].
Со второй половины 1960-х годов и по настоящее время, отечественная школа СВЧ ЭВП и комплексированных устройств на их основе, удерживает передовые позиции в мировой электронике. Во главе этой школы находится созданный в 1943 году по решению Государственного комитета обороны НИИ «Исток» и его руководители и ученые: С.И.Ребров, Н.Д.Девятков, С.А.Зусмановский, В.Ф.Коваленко, В.А.Афанасьев, З.А.Гельвиг и др.

1.5. Электронно-лучевые приборы (ЭЛП)
– приборы, в которых сфокусированный в узкий луч поток электронов взаимодействует с мишенью (экраном). К основным типам ЭЛП относятся:
- ЭЛП отображения информации (приемные ЭЛП), телевизионные и дисплейные, осциллографические, индикаторные, проекционные, запоминающие ЭЛП;
- передающие ЭЛП, преобразующие оптические сигналы для телевизионных систем;
- преобразовательные ЭЛП, в которых мишень является промежуточным элементом. В них при взаимодействии с одним или двумя электронными лучами последовательность входных электрических сигналов преобразуется в модифицированную последовательность выходных электрических сигналов в процессах записи и считывания информации.
Одним из первых электронных приборов была осциллографическая катодная трубка К.Брауна (1897 год) и катодно-лучевая трубка для воспроизведения телевизионного изображения Б.Розинга (1907 год). Основные телевизионные ЭЛП были изобретены В.Зворыкиным: передающий – иконоскоп (1923) и приемный - кинескоп (1924).
ЭЛП для отечественного телевидения были созданы коллективом под руководством Б.Круссера, Г.С.Вильдгрубе, Р.М.Степанова и др.

1.6. Фотоэлектронные приборы (ФЭП)
– электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитных излучений видимого или невидимого оптического диапазона в электрическую энергию, или изображения в невидимых (ИК, УФ, рентгеновских) излучениях в видимое изображение.
К ФЭП относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно0оптические преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые приборы.
Первым электронным прибором был фотоэлемент, созданный А.Столетовым в 1888 году. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) впервые были разработаны А. Кубецким в 1930 году, а электронно-оптические преобразователи (ЭОП) – Г.Холстом и Я.де Буром в 1934. Первые снимки обратной стороны Луны, поверхности Венеры и Марса были выполнены с помощью ФЭУ, разработанных в НИИ «Электрон» под руководством Р.М.Степанова. в большом андронном коллайдере международного проекта установлено 16 000 ФЭУ НИИ «Электрон»

1.7. Рентгеновские трубки
- электровакуумные приборы, генерирующие самое высокочастотное для электронных приборов излучение ( до 1018 – 1021 Гц) в результате бомбардировки металлической мишени пучком ускоренных напряжением 10 – 2000 Кв. электронов. На использовании рентгеновского излучения основаны медицинские диагностические и терапевтические методики, рентгенография для микроэлектроники, а также методы рентгеноструктурного анализов, рентгеновской микроскопии и рентгеновской астрономии и др.
Первые рентгеновские трубки, использующие открытое в 1895 году В.Рентгеном рентгеновское излучение были ионными. Усовершенствованные У. Кулиджем в 1913 году вакуумные рентгеновские трубки стали прототипом современных трубок. Отечественный производитель современных трубок – С.-Петербургское объединение электронного приборостроения «Светлана» многие десятилетия входит в ряды передовых мировых производителей рентгеновских трубок.
Таким образом, первые революционные изобретения в электронике – создание ЭВП и радиоэлектронной аппаратуры на их основе, предоставили человечеству новые возможности по развития глобальных средств радиосвязи и телевидения, эффективных систем вооружения, первых ЭВМ, новых методов научного исследования и многого другого.
Но еще более глубокие революционные изменения в цивилизационном развитии человечества обеспечили открытия и изобретения в твердотельной, и, в первую очередь, полупроводниковой электронике.

2. Приборы твердотельной электроники
Твердотельная электроника – область электроники, охватывающая исследование электронных процессов в твердых телах, и использование этих процессов с целью преобразования электромагнитной энергии в электронных приборах, предназначенных, в основном, для генерирования, усиления, преобразования и индикации электромагнитных колебаний. Управление потоками электромагнитной энергии, выполнение арифметических и логических операций в устройствах хранения, обработки и отображения информации. По сравнению с ЭВП того же функционального назначения и уровня мощности, приборы твердотельной электроники имеют значительные преимущества по габаритно-весовым и надежностным характеристикам и энергопотреблению. Чрезвычайно высокая концентрация электронов в твердых телах ( 1018 - 1024 в см-3) создает возможность практически неограниченной миниатюризации приборов, вплоть до нескольких межатомных расстояний (10-9 м. ) развитие твердотельной электроники проводится в направлениях детального изучения электронных процессов в различных материалах, в том числе материалов и структур с заданными электрофизическими свойствами и создания электронных устройств методом физической интеграции различных функций в объеме твердого тела.
Специфической особенностью технологии производства приборов твердотельной электроники являются физико-химические процессы создания материалов, основанные на сочетании свойств химических элементов, заложенных в основу периодической системы Менделеева.
Приборы твердотельной электроники делятся на полупроводниковые приборы и приборы твердотельной функциональной электроники.

2.1. Полупроводниковые приборы (ППП)
- электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. К основным классам ППП относятся:
-электропреобразовательные приборы (полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и др.);
- оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, полупроводниковые лазеры, излучающие диоды и др.);
- термоэлектрические приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, терморезистор и др.);
- магнитоэлектрические приборы (например, преобразователи на основе эффекта Холла и др.);
- пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на давление или механическое смещение.

Физической основой полупроводниковой электроники является свойство полупроводников, обеспечивающее одновременное существование в них двух типов электропроводности: электронной, с отрицательными подвижными носителями – электронами, и дырочной, с положительными подвижными носителями – дырками. Тип и величина электропроводности определяется типом и концентрацией атомов примесей в полупроводниковом материале.
В результате получение полупроводникового материала с необходимыми характеристиками – основная задача полупроводниковой технологии. В отличие от традиционных материалов технологии ЭВП (металлы, диэлектрики), в ППП применяются материалы (в основном, монокристаллические) с требуемыми, т.е., технологически получаемыми свойствами.
В ППП слой полупроводниковых материалов сочетается с диэлектрическими и металлическими. Этот конструктивно-технологический принцип предопределил создание планарной технологии – массовой технологии производства дискретных и интегральных ППП. Традиционное разделение ППП на дискретные и интегральные (ИС – интегральные схемы) постепенно теряет строгость определения в связи со следованием ППП основному вектору развития электроники в координатах частота-мощность. Освоение более высоких частот и уровней мощности привело к интеграции нескольких, а затем и многих дискретных транзисторов в корпус одного транзистора.
Впервые полупроводниковый эффект - изменение сопротивления селенового столбика под действием света был открыт У.Смитом в 1873 году, что привело к созданию первого ППП – фоторезистора. Годом позже. В 1874 году К.Браун открыл одностороннюю проводимость контакта металл – полупроводник. Это открытие позволило изобретателю радио А.С.Попову впервые в 1899 году создать некогерерное электронное радио, в котором электромеханический элемент – когерер Э. Бранли был заменен на полупроводниковый детектор К. Брауна. В 1922 году О.Лосев в Нижегородской радиолаборатории использовал полупроводниковый кристалл цинкит для усиления и генерирования радиочастотных колебаний.
Но настоящий революционный прорыв в становлении полупроводниковой электроники совершили в 1948 году американские ученые Bell Labs У.Браттейн, Дж. Бардин и У.Шокли (1951), создавшие более совершенный и несоизмеримо более эффективный, чем вакуумный триод Ли де Фореста, усилительный и генераторный электронный прибор – транзистор. В начале 1950-х годов В.Красиловым и С. Мадоян был создан первый отечественный транзистор.
В транзисторах сочетались два различных начала: физико-химические (или химико-физические) методики получения требуемого полупроводникового материала и разработка уникальной структуры его совмещения с диэлектрическими и металлическими слоями с одной стороны, и изящная схема реализации в твердом теле вакуумных триодных характеристик с другой стороны. Это было достигнуто за счет транзисторного эффекта, суть которого состоит в управлении током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода а также эффекта модуляции полем проводимости тонкого слоя (накала) полупроводника.
Дальнейший прогресс полупроводниковых технологий шел по пути как расширения применения традиционного материала – кремния, так и создания на базе периодической системы Менделеева новых полупроводниковых материалов, а также микроэлектронной транзисторной интеграции в единичном кристалле полупроводника.
Вновь создаваемые не существующие в природе гетероструктурные полупроводниковые материалы обозначались символами Ах, Ву, Сz, где А.В.С – элемент таблицы Менделеева, а x, у, z – номер группы в периодической системе, которой данный элемент принадлежит.
Микроэлектронная интеграция все большего числа транзисторов в одном кристалле, хотя и носила только эволюционный технологический характер, революционно меняла принципы создания конечного продукта электроники – электронной аппаратуры. (ЭА).
В течение без малого 50-ти последних лет рост интеграции интегральных схем (ГИС – ИС – БИС – СБИС – УБИС) позволял создавать в кристалле полупроводника все более сложные блоки ЭА, и в настоящее время привел к возможности создания законченных аппаратурных однокристальных систем.
Эффективность результатов этого процесса по сравнению с классическими ЭПВ представлена в таблице 3.
Таблица 3.

Тип приборов Количество интегральных приборов Количество функций на прибор Габаритные размеры Потребляемая мощность Надеж-ность
Электровакуумные приборы (ЭВП) 1 1 1 1 1
Полупроводниковые приборы (ППП) 1 5×10-1 -1 3×10-1-2×10-1 5×10-2 - 10-2 3 – 10
Гибрид-ные интегральные схемы (ГИС) До 102 10 - 2×10 10-1- 5×10-2 5×10-2 - 10-2 5 - 10
Твердотельные интегральные схемы (ИС) До 103 5×10 - 102 10-2 - 5×10-3 2×10-3 - 10-3 10 - 3×10
Большие интегральные схемы (БИС) До 104 2×102 - 5×102 2×10-3 - 10-3 5×10-2 - 10-2 102 - 5×102

Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) До 107 103 - 2×103 5×10-1
- 3×10-1 10-2 - 3×10-2 103 - 104
Ультра-большие интегральные схемы (УБИС) 108 - 109 5×103 - 104 10-1 - 2×10-1 2×10-2 - 10-1 Практическая безотказность
Малые размеры транзисторов предоставили разработчикам аппаратуры возможность миниатюризировать ее отдельные блоки. Эволюция миниатюризации прошла этапы микромодулей, гибридных микросхем, и, наконец, в 1960 году, работы схемотехника Дж Килби и, особенно, технолога Р.Нойса привели к созданию первой однокристальной интегральной схемы триггера, содержащего 12 элементов. В 1965 году один из создателей фирмы Intel Г.Мур на основе опыта создания первых разновидностей ИС опубликовал практическую формулу дальнейшего роста микроэлектронной интеграции: удвоение числа транзисторов в кристалле должно происходить каждые 18 месяцев. Удивительно, что этот интуитивный прогноз, названный вскоре «законом Мура» сбывается с небольшими уточнениями и сегодня, в течение более 40-летнего периода. В таблице 4 представлен рост числа транзисторов в микропроцессорных схемах Intel за период с 1971 по 2008 годы.

Таблица 4

год Тип процессора Intel Число транзисторов в кристалле Тактовая частота процессора, МГц
1971 4004 2250 0,1
1972 8008 2500 0,2
1974 8080 5000 2,0
1978 8086 29 000 4,8
1982 286 120 000 12,0
1985 386 275 000 20,0
1989 486 DX 1 180 000 33,0
1993 Pentium 3 100 000 60,0
1997 Pentium II 7 500 000 250
1999 Pentium III 24 000 000 450
2000 Pentium IV 42 000 000 1 400
2002 Itanium 220 000 000 3 000
2007 Yorkfield 410 000 000×2 3 600
2008 Tukwila 2 000 000 000

Очевидно. Что при незначительном изменении размеров кристалла, повышение числа транзисторов в нем прямо связано с уменьшением размеров транзисторов. И. соответственно, их элементов. Размеры элементов транзисторов – минимальный топологический размер (МТР) определяется разрешающей способностью процесса фотолитографии – самого сложного и дорогостоящего процесса микроэлектронного производства.
В результате, именно МТР определяет как число транзисторов в кристалле, так и быстродействие процессоров (таблица 4), производительность процессоров (таблица 5), а также емкость ИС памяти (таблица 6)

Таблица 5
Параметр Размерность 1978 год 1982 год 1989 год 1993 год 1997 год
Тип процессора 8086 286 486 Pentium Pentium II
Минимальный топологический размер Нм 1 000 500 350 250 180
Производительность Операции/сек 0,33 млн. 1.5 млн. 20 млн. 110 млн. 250 млн.

В таблице 4 указана производительность персональных компьютеров (ПК) с указанием типа микропроцессора.

Таблица 6
Параметр Размерность 2000 год 2003 год 2006 год 2008 год 2010 год
Минимальный топологический размер Нм 150 130 90 65 45
Емкость памяти Бит/кристалл 250 М 1 Г 4 Г 16 Г 64 Г
Стоимость памяти Микроцент/бит 0,007 0,003 0,0008 0,0002 0,0001

Последняя строчка таблицы 6 говорит об уникальной особенности микроэлектроники – снижении стоимости при повышении качества продукции.
Академик Ж.И.Алферов, получивший в 2000 году Нобелевскую премию за работы по микроэлектронике пишет: «Демонстрация бурного развития микроэлектроники за прошедшие годы – это крайне интересно и занимательно. В микропроцессорах стоимость одного мегагерца в 1970 году составляла 7 600 долларов, а в 2000 году – 16 центов. Стоимость посылки при скорости передачи в гигабитах в секунду составляла 150 000 долларов в 1970 году, и 12 центов сегодня (2005). … 65% валового национального продукта США определяются промышленностью, связанной с электроникой, основанной на использовании электронных компонентов. Сегодня производство электронной техники на душу населения составляет 1260 долларов в США и Канаде и 14 долларов в России.». [16].
В последние десятилетия микроэлектроника развивается рекордными темпами а США, Японии, Южной Корее, Тайване, Китае. Если учесть количество транзисторов в составе интегральных схем, то их число составило в 2003 году 1018 штук, а ожидаемое производство 2015 года оценивается в 107 транзисторов в день на одного человека.
Отечественная полупроводниковая и интегральная электроника в 70-е - 80-е годы занимала одну из передовых позиций в мировом производстве, но из-за непродуманной государственной политики была полностью потеряна в микроэлектронике. Благодаря усилиям НИИ «Пульсар» удалось в значительной степени сохранить эти позиции в отечественной транзисторной электронике.

2.2. Приборы твердотельной функциональной электроники
- класс ЭП, использующих разнообразные физические явления в твердых средах для интеграции различных схемотехнических функций на поверхности или в объеме одного твердого тела (функциональной интеграции) и созданием ЭА с такой интеграции.
В описанной ранее интегральной схемотехнической электроники технологическими методами на поверхность полупроводникового материала создаются участки статической неоднородности. Эти статические неоднородности в виде функциональных простых элементов (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и др.) статически локализованы в различных участках твердого тела и способны выполнять сложные функции лишь в совокупности, например, в составе ИС, с элементами межсоединений.
В приборах функциональной электроники интеграция сложнных схемотехнических функций реализуется физическим и процессами в динамических неоднородностях, создаваемых на поверхности или в объеме твердого тела физико-химическими методами. Динамические неоднородности могут быть локализованы или перемещаться по рабочему объему твердого тела в результате взаимодействия с различными физическими полями или другими динамическими неоднородностями.
К динамическим неоднородностям относятся ансамбли заряженных частиц и квазичастиц, домены, динамические неоднородности волновой природы и др. [17].
Переход от схемотехнической интеграции к функциональной позволяет обойти некоторые принципиальные и технологические ограничения. Связанные с необходимостью формировать в одном кристалле множество мелкоструктурных элементов и межсоединений.
К основным приборам функциональной электроники относятся приборы:
- функциональной акустоэлектроники (линии задержки, приборы на поверхностно-акустических волнах, акустические процессоры и запоминающие устройства и др.)$
- функциональной диэлектрической электроники (генераторы, процессоры и др.);
- функциональной полупроводниковой электроники (ПЗС-структуры, Гановские приборы и др.);
- функциональной оптоэлектроники (процессоры, генераторы, детекторы и др.);
- функциональной магнитоэлектроники (ЦМД-структуры, МСВ-структуры и др.).

Основы функциональной электроники были заложены в 60-е годы Ю.Гуляевым и В.Пустовойтом (акустоэлектроника), Дж.Ганном (диоды Ганна) и в 1970 году В.Бойлом и Дж.Смитом (ПЗС-структуры). Наиболее широкое применение получили акустоэлектронные приборы в мобильной связи и ПЗС-матрицы в фото- видео-технике.

3. Приборы квантовой электроники
- приборы, в которых генерация и усиление электромагнитных колебаний реализуется на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел. В отличие, например, от вакуумной электроники, использующей для преобразования электромагнитной энергии свободные электроны, в приборах квантовой электроники происходит взаимодействие со связанными и находящимися только в определенных энергетических состояниях (уровнях) электронами атомов, молекул, кристаллов. Изменение при этом взаимодействии внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом электрона с одного энергетического уровня на другой с выделением или поглощением порции (кванта) электромагнитной энергии. Эта энергия вынужденного излучения используется для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное, т.е., усиливающееся при сложении двух или более колебательных волн излучение возможно при мощном внешнем возбуждении (например, накачки) внутриатомных элементов. Генерация электромагнитных волн в приборах квантовой электроники осуществляется с помощью активной среды, помещенной в резонатор, в котором реализуется необходимая для генерации положительная обратная связь.
Первый прибор квантовой электроники – молекулярный генератор на аммиаке был создан в 1955 году одновременно в СССР (Н.Басов и А.Прохоров) и в США (Ч,Таунс). Первые квантовые приборы оптического диапазона – лазеры на рубине и смеси атомов гелия и неона были изобретены в 1960 году, первые полупроводниковые лазеры – в 1962 году.
Приборы квантовой электроники имеют ряд преимуществ, отличающих их от ЭП других видов. Так, молекулярные генераторы СВЧ-диапазона, обладают рекордной – до 10-13 стабильностью частоты колебания – часы с таким генератором ошибутся на 3 секунды за 1 миллион лет. Некоторые типы лазеров способны накапливать энергию возбуждения, а затем излучать ее в виде короткого (10-8 сек.) им пульса с недостижимой ранее мощностью 109 – 1010 вт., что стало основой создания лазерной импульсной локации и дальнометрии. Чрезвычайно малая расходимость лазерного луча (на 4 порядка меньше, чем у СВЧ-излучения при сравнимых диаметрах антенных систем) делает возможным передачу информации на огромные. В т.ч., космические расстояния, а квантовым усилителям с коэффициентом шума ниже 10 К – принимать обратный сигнал. Инжекционные полупроводниковые лазеры обеспечивают запись и считывание информации для CD, DVD и blue-ray носителей. Лазеры находят все большее применение в электронных системах вооружения. Производство приборов квантовой электроники в промышленно развитых странах сформировалось в крупные отрасли промышленности.

4. Ограничения в электронике.
Среди многих параметров электронных приборов рабочая частота и генерируемая мощность в основном определяют технический уровень электронной аппаратуры. Именно от значения частоты и мощности зависят такие эксплуатационные характеристики, как дальность и точность действия, разрешающая способность, помехоустойчивость и т.д.
На рис. 1 представлена динамика изменений значений рабочей частоты и генерируемой мощности для приборов вакуумной и твердотельной СВЧ-электроники за период с 1991 по 2008 годы.(данные взяты из уже цитируемых источников [13] и [15]).

Рисунок 1
Достижение более высоких значений этих и других характеристик связаны с преодолением различных ограничений при создании и производстве электронных приборов.
Основными типами ограничений являются:
1. ограничение процессов проектирования
с расширением функциональных возможностей ЭП при повышении степени интеграции БИС и комплексировании СВЧ-приборов и с повышением частотно-мощностного диапазона и возрастает многофакторность проектирования приборов и систем, что может приводить к снижению эффективности САПР. В процессе проектирования учитываются основные типы ограничений, включая технологические, тепловые, экономические и др.

2. физико-технологические ограничения – характерные для всех основных видов ЭП и возрастают с увеличением рабочей частоты и уровня мощности приборов. Для ЭВП технологические ограничения определяют ресурсные и надежностные характеристики. Для микроэлектроники главным ограничением являются фотолитография, разрешающая способность которой зависит в основном от длины волны ( λ ) источника ультрафиолетового излучения. Если в 80-е годы в качестве таких источников использовались ртутные лампы с λ = 436 нм. и 365 нм., что обеспечивает технологическую норму производства (МТР) 5000- 350 нм.. то с 90-х годов применяются эксимерные лазеры с λ = 24, 193 и 157 нм., что позволяет получить МТР от 250 нм., а при решении дополнительных проблем до 65 – 55 нм. Использование источников экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУФ) создает предпосылки для использования степеров (литографов) с λ = 10 – 14 нм. Для дальнейшего прогресса микроэлектроники потребуются источники рентгеновского излучения, а также решение большого количества сопутствующих проблем.

3. тепловые ограничения – также типичны в электронике. И если для мощных и высокочастотных крупногабаритных ЭВП проблема теплотвода решается путем использования внешних устройств. Охлаждающих коллектор электронов (анод), то для ППП, особенно в составе БИС высокой интеграции отвод тепла становится проблемой. Современная БИС, выполненная с технологической нормой 65 нм., выделяет 130 вт., а в случае достижения МРТ 13 нм. БИС будет выделяться 250 вт. Это тепловыделение уже сейчас требует интенсивного охлаждения и проблема при росте интеграции будет только усложняться. Все идет к тому, что кремний с предельной рабочей температурой 200°С, сменившим в начале полупроводниковой эры германий (70°С) должен быть заменен арсенидом галлия (250°С) и карбидом кремния (500 °С).

4. ограничение возможностей применения материалов. Борьба с этим видом ограничений характерно для всех видов ЭП в течение всей истории электроники. Для ЭВП это был многолетний отбор металлов и диэлектриков, долговечно и стабильно функционирующих в вакууме. Основным полупроводниковым материалом до конца 90-х был кремний, основным межэлектродным изолятором – двуокись кремния, а металлом межсоединений – алюминий. Рост микроэлектронной интеграции и уменьшение размеров транзисторов в БИС потребовал замены этих традиционных материалов. При МТР менее 100 нм., уменьшение размера канала проводимости приводит к резкому снижению в кремнии подвижности носителей зарядов и требуется применение полупроводников с более высокой подвижностью носителей. К таким полупроводникам относятся материалы типа А3В5 – А2В6 и твердые растворы Si – Ge.
В кремниевой технологии при МТР 45 мм., толщина подзатворного диэлектрика составляет 1 нм., что приводит к туннельному пробою основного в этой технологии изолятора SiO2 из-за низкого коэффициента диэлектрической постоянной Σ = 4. применение изоляторов с Σ = 20 – 2 – двуокисей гафния (HfO2) и циркония (ZrO2) позволяют справиться с проблемами туннельного пробоя.
Применение для металлизации меди вместо алюминия позволяет на 15% увеличить быстродействие БИС.
5. экономические ограничения.
Рекордная эффективность применения микроэлектронных приборов требует рекордных по стоимости капиталовложений. Ведущая по производству микропроцессоров в мире фирма Intel тратит на НИОКР более 10 миллиардов долларов в год, а стоимость современного завода по производству БИС с технологическими нормами 45 нм. Превышает 4 миллиарда долларов.
Существую также ограничения, связанные с условиями окружающей электронную аппаратуру среды, и другие ограничения.
Приведенные примеры ограничений в электронике далеко не исчерпывают все проблемы, существующие на пути ее дальнейшего развития.

6. Основные перспективы электроники.
Еще одной специфической особенностью электроники являются трудности прогнозирования ее перспектив. При этом наиболее частые ошибки прогнозирования связаны с недооценкой достижений электроники. Сегодня, в начале 2009 года, можно прогнозировать дальнейший прогресс электроники в следующих направлениях:
1. Информационная и вычислительная техника - дальнейшее повышение быстродействия и объемов памяти, сокращение габаритов и энергосбережения, увеличение срока службы и упрощение процедур пользования путем использования новых ЭП, включая:
- увеличение степени интеграции БИС;
- применения БИС типа «система на кристалле» и «система на подложке»;
- развитие наноэлектронных, одноэлектронных и внезарядовых – спинтронных – технологий;
- разработка молекулярных, в т.ч., ДНК и квантовых компьютеров на базе принципиально новых ЭП.
2. Система отображения информации, включая телевидение
- расширение применения новых типов экранов с ЭП на основе органических и пластиковых светодиодов, в т.ч., для гибких экранов.
3. Энергосбережение :
Замена прямоканальных и люминисцентных осветителей всех типов на светодиодные.
4. Электронное вооружение:
- развитие электронно-информационных систем управления системами вооружения;
- расширение применения безопреаторных систем вооружения;
- разработка и внедрение систем вооружения на базе микроэлектронных – микромеханических систем (МЭМС);
- дальнейшее развитие радиолокации в новых частотно0мощностных диапазонах с использованием преимущественно антенных фазированных решеток и полупроводниковых генераторов;
- разработка на базе современных и перспективных ЭП эффективных средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ).
5. Системы управления всех типов:
- расширение применения информационно-управляющих систем на базе достижений микро- и нано-электроники.
6. Медицина:
- кардинальное улучшение диагностики за счет потенциала электронных технологий;
- создание новых электронных датчиков и медицинских МЭМС приборов и устройств;
- разработка новых электронных имплантантов и долговечных электронных источников энергии;
- широкое применение электронных технологий для решения медицинских проблем.

В заключение необходимо отметить, что в короткой лекции с соответствующим названием «Введение в электронику» невозможно было описать все важные аспекты самой эффективной сегодня и перспективной отрасли науки и промышленности – электроники. Более подробная информация о специфике электроники дана в последующих лекциях двухтомника «Базовые лекции по электронике».

Литература

1. Я.Г.Дорфман «Всемирная история физики» - Изд. «Наука», Москва, 1974.
2. БСЭ т.30, стр. 48 в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», - Изд. «Техносфера», Москва, 2008
3. БСЭ т.30, стр. 74, - Изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1978
4. В.Меркулов «Мнимые приоритеты начальных работ Г.Маркони» - «Радио», № 5, 2008
5. ГОСТ – 27394 «Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем» - Изд. «Стандарты», Москва, 1987
6. «Электроника – прошлое, настоящее, будущее», № 9, 1980, - Изд. «Мир», Москва, 1980
7. В.Пролейко «О базовых факторах динамики отечественной электроники» в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», - Изд. «Техносфера», Москва, 2008
8. Б.Авдонин «Динамика развития электронной промышленности России» в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», - Изд. «Техносфера», Москва, 2008
9. Б.Н.Авдонин, В.В.Мартынов «Электроник. Вчера…Сегодня. Завтра?», - Изд. «Дека», Москва, 2005
10. «Phaidon Conside Enciclopedia of Science and Technology», «Phaidon Press Ltd.», - Oxford, 1978
11. А.И.Шокин «Электроника», статья в БСЭ, т.30, стр. 754 – 76, - Изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1978
12. «Britanica» - Настольная энциклопедия, т. 1, стр. 2262, - Изд. Астрель, Москва 2006
13. «Электроника» Энциклопедический словарь, - Изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1991
14. R.Buderi «The Invention That Changes the World», - Touchstone Rockefeller Center, N.Y., 1996
15. С.И.Ребров «СВЧ-электроника», статья в сборнике «Динамика радиоэлектроники 2», - Изд. «Техносфера», Москва, 2008
16. Ж.И.Алферов «Нанотехнологии – перспективы развития в России», - Научно-технический журнал «Нанотехнология и наноматериалы», - № 1, 2005, Изд. «Компания МКМ Проф», - Москва, 2005
17. А.А.Щука «Электроника» - учебное пособие. Изд. Типография «Наука», С.-Петербург 2005