Электроніка

Электро́ніка — разьдзел тэхнікі, які займаецца вытворчасьцю, перасылкай і пераўтварэньнем сыгналаў з дапамогай дроту, электрычнасьці ці электрамагнітнага поля. Як правіла электронныя прылады ўтрымліваюць электрычныя схемы, якія ўключаюць актыўныя электрычныя кампанэнты, як то вакуўмныя трубкі, транзыстары, дыёды і інтэгральных схемы і зьвязаныя пасіўныя тэхналёгіі. Электронныя схемы складаюцца ў асноўным або выключна з актыўных паўправаднікоў з даданьнем пасіўных элемэнтаў. Нелінейныя паводзіны актыўных кампанэнтаў і іхныя здольнасьці да кантраляваньня электронных патокаў робіць магчымым узмацненьне слабых сыгналаў, таму гэты эфэкт шырока выкарыстоўваецца ў апрацоўцы інфармацыі і сыгналаў, а таксама ў тэлекамунікацыях. Здольнасьць электронных прыладаў працаваць у якасьці пераключальніку дазваляе апрацоўваць лічбавую інфармацыю. Акрамя актыўных элемэнтаў і пасіўных кампанэнтаў, выкарыстоўваюцца таксама акустаэлектрычныя элемэнты, як то фільтры, рэзанатары, сэнсары, і оптаэлектронныя элемэнты, як то лазэры, сьвятлодыёды, дэтэктары выпраменьваньня і іншыя кампанэнты.

Электронная схема

Сёньня большасьць электронных прыладаў выкарыстоўваць паўправадніковыя кампанэнты. Дасьледаваньне паўправадніковых прыбораў і зьвязаных зь імі тэхналёгіяў лічыцца разьдзелам фізыкі цьвёрдага цела, у той час як праектаваньне і стварэньне электронных схемаў для вырашэньня практычных задачаў падпадаюць пад вывучэньне электронікі. Гістарычна электроніка аддзялілася ад радыётэхнікі — першымі электрычнымі прыладамі былі радыёперадатчыкі і радыёпрыймальнікі ў часы Першай сусьветнай вайны. Электроніка разьвіваецца з дапамогай электратэхнікі, электрахіміі, інфарматыкі, тэлекамунікацыі і іншых сумежных навук. На сучасным этапе электроніка разьвіваецца ў разнастайных кірунках, з прычыны вялікай запатрабаванасьці ў сучасным жыцьці. Акрамя радыётэхнікі асноўнымі кірункамі зьяўляюцца так сама оптаэлектроніка, тэлекамунікацыя, лічбавая электроніка, мікраэлектроніка, лазэры. Свой высокі ўзровень разьвіцьця электроніка дасягнула дзякуючы дасягненьням у фізыцы (паўправаднікі, оптыка, магнэтызм), хіміі і матэматыцы.

Гісторыя

Распрацоўка Карлам Фэрдынандам Браўнам крышталёвага дэтэктара, першага паўправадніковага прыстасаваньня, у 1874 годзе і выяўленьне электрона ў 1897 годзе сэрам Джозэфам Джонам Томсанам, разам з наступным вынаходзтвам вакуўмнай лямпы, якая была здольная ўзмацняць і выпрастаць малыя электрычныя сыгналы, паклалі пачатак галіне электронікі і электроннай эры^[1][2]. Стасаваньне пачалося з вынаходзтвам дыёда Амброўзам Флэмінгам і трыёда Лі дэ Форэстам у пачатку 1900-х гадоў, што зрабіла магчымым карыстаньне малых электрычных напружаньняў, як то радыёсыгналаў ад радыёантэнаў. Тэрмаэлектрычныя вакуўмныя лямпы дазволілі надзейна ўзмацняць сыгнал і выпрастаць ток, што зрабіла міжгароднюю тэлефонную сувязь, радыёвяшчаньне і раньняе тэлебачаньне магчымымі да 1920—1930-х гадоў^[3].

Адзін з самых раньніх радыёпрыймачоў Audion, створаны Дэ Форэстам у 1914 годзе.

Вакуўмныя лямпы былі першымі актыўнымі электроннымі кампанэнтамі, якія кантралявалі струмень току, уплываючы на струмень асобных электронаў, і дазволілі выбудаваць абсталяваньне, якое рабіла ўзмацненьне сыгналу і выпрастаньне току, каб даць нам радыё, тэлебачаньне, радары, міжгароднюю тэлефонную сувязь і многае іншае. Раньнія распрацоўкі ў сфэры электронікі былі імклівымі, і да 1920-х гадоў камэрцыйнае радыёвяшчаньне і тэлекамунікацыі атрымалі шырокі распаўсюд, а электронныя ўзмацняльнікі выкарыстоўваліся ў такіх разнастайных сфэрах, як то міжгародняя тэлефонная сувязь і індустрыя запісу музыкі^[4].

Наступны буйны тэхналягічны крок адбыўся празь некалькі дзесяцігодзьдзяў, калі ў 1947 годзе Джон Бардын і Ўолтэр Гаўзэр Братэйн у лябараторыях Бэл вынайшлі першы працоўны транзыстар з пунктавым кантактам^[5]. Пунктавакантактны транзыстар 1947 году даказаў, што паўправаднікі могуць замяніць многія функцыі лямпаў пры меншай магутнасьці і памерам^[6]. Аднак электронныя лямпы працягвалі гуляць вядучую ролю ў галіне мікрахвалевай і магутнасьцевай перадачы, а таксама ў тэлевізійных прыймачах да сярэдзіны 1980-х гадоў^[7]. З таго часу цьвёрдацельныя прылады амаль цалкам занялі месца былых прыстасаваньняў. Аднак, вакуўмныя лямпы дагэтуль стасуюцца ў некаторых адмысловых галінах, як то магутных радыёчастотныя ўзмацняльнікі, электронна-прамянёвыя трубкі, спэцыяльнае аўдыёабсталяваньне, гітарныя ўзмацняльнікі і некаторыя мікрахвалевыя прылады.

У красавіку 1955 году IBM 608 стаў першым прадуктам IBM, у якім выкарыстоўваліся транзыстарныя схемы без электронных лямпаў, і лічыцца першым цалкам транзыстарным калькулятарам, вырабленым дзеля камэрцыйнага рынку^[8][9]. 608 утрымліваў больш за 3000 германавых транзыстараў. Томас Дж. Ўотсан-малодшы загадаў выкарыстоўваць транзыстары ў сваёй канструкцыі ва ўсіх будучых прадуктах IBM. З таго часу транзыстары амаль выключна выкарыстоўваліся ў кампутарных лягічных схемах і пэрыфэрыйных прыладаў. Аднак раньнія пераходныя транзыстары былі адносна грувасткімі прыладамі, якія было цяжка вырабляць у масавай вытворчасьці, што абмяжоўвала іхны шэраг спэцыялізаваных ужываньняў^[10].

МАП-транзыстар быў вынайдзены ў лябараторыях Бэл паміж 1955 і 1960 гадамі^{[11][12][13][14][15][16]}. Гэта быў першы сапраўды кампактны транзыстар, які можна было зрабіць малюсенькім і масава вырабляць для шырокага спэктру стасаваньня^[10]. МАП-транзыстар стаў найбольш шырока карыстанай прыладай у схемах надвялікага роўня інтэграцыі (СНРІ), што дазволіла ствараць кампактныя схемы зь нізкім энэргаспажываньнем^[17]. Перавагамі такога транзыстара ёсьць высокая маштабаванасьць^[18], дасяжнасьць^[19], нізкае спажываньне энэргіі і высокая шчыльнасьць^[20]. Маштабаванасьць і кошт МАП-транзыстара зрабілі яго дамінуючым у сучаснай электроніцы^[21]. Ён зрабіў рэвалюцыю ў электроннай прамысловасьці^[22][23], стаўшы найбольш шырока выкарыстоўванай электроннай прыладай у сьвеце^[24][25]. МАП-транзыстар ёсьць асноўным элемэнтам большасьці сучаснага электроннага абсталяваньня^[26][27]. Аднак, зь цягам росту павышэньня складанасьці схемаў узьнікалі новыя праблемы^[28]. Адной зь іх быў памер схемы. Складаная схема, як то кампутар, залежала ад хуткасьці. Калі кампанэнты былі вялікімі, электрапровады, якія злучалі іх, мелі былі быць доўгімі. Электрычныя сыгналы праходзілі праз схему марудліва, што запавольвала працу кампутара^[28]. Вынаходзтва інтэгральнай схемы Джэкам Кілбі і Робэртам Нойсам разьвязала гэтую праблему, зрабіўшы ўсе кампанэнты і чып з аднаго блёку паўправадніковага матэрыялу. Схемы можна было зрабіць меншымі, а вытворчы працэс аўтаматызаваць. Гэта прывяло да ідэі інтэграцыі ўсіх кампанэнтаў на монакрышталічнай крэмніевай пласьціне, што прывяло да дробнамаштабнай інтэграцыі ў пачатку 1960-х гадоў, а затым да сярэднемаштабнай інтэграцыі ў канцы 1960-х гадоў, а затым да СНРІ. У 2008 годзе камэрцыйна даступнымі сталі працэсары зь мільярдам транзыстараў^[29]. Інтэгральныя схемы месьцяць шмат кампанэнтаў на адным чыпе, скарачаючы міжзлучэньні і павялічваючы хуткасьць^[21].