Тема 1. Введение

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» для специальности ТМЗ

Могилев, 2007

Тема 1. Введение

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, работа которых основана на прохождении электрического тока в твёрдом теле, вакууме и газах.

Если электрический ток протекает в твердом теле, то имеет место полупроводниковая электроника, если в вакууме - вакуумная (ламповая) электроника, если в газе - ионная электроника. Сейчас 99 % составляет полупроводниковая электроника, поэтому уделим именно ей особое внимание.

Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно–технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования.

Этапы развития электроники:

1 этап. К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350 м. Успехи электроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии. Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний — детекторов.

2 этап. Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Джон Флеминг сконструировал электровакуумный диод.

Основными частями диода являются два электрода находящиеся в вакууме. Металлический анод (А) и металлический катод (К) нагреваемый электрическим током до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия. При высоком вакууме разряжение газа между электродами таково, что длина свободного пробега электронов значительно превосходит расстояние между электродами, поэтому при положительном, относительно катода напряжении на аноде Va электроны движутся к аноду, вызывая ток Ia в анодной цепи. При отрицательном напряжении анода Va эмитируемые электроны возвращаются на катод и ток в анодной цепи равен нулю. Таким образом электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что используется при выпрямлении переменного тока.

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А) металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение Vc можно управлять анодным током Ia практически без инерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа — триод.

3 этап. Третий период развития электроники — это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.

Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось.

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30 гг., 1928/32 гг. и 1928/33 гг. Лилиенфельд — автор этих патентов.

23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории «Белл Телефон» — Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли продемонстрирован работающий точечный биполярный транзистор. В 1956 г. удостоены Нобелевской премии.

4 этап. В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Патент США 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1960—1969 гг. — интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

1969—1975 гг. — интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС).

1975—1980 гг. — интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС).

1980—1985 гг. — интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).

С 1985 г. — интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью.

Первый микропроцессор «Интел-4004» 1971 г. 2250 элементов. Складывал два 4-битных числа за 11 мкс.