Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
8.1.3. Третий этап развития электроники транзисторы Третий этап начался в 1948 гс изобретением американскими учеными В. Шокли, Д. Бардином и У. Браттейном транзистора – полупроводникового прибора, предназначенного для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний различных частот и ставшего основой радиоэлектронной аппаратуры. Транзистор в большей степени, чем какой-либо другой электронный прибор, обязан своим происхождением научной теории, а не технологическим разработкам. Биполярный транзистор (рис. 8.13), также как и вакуумный триод, имеет три электрода. Аналогом катода (не требующим подогрева) является эмиттер, сетке и аноду соответствуют база и коллектор. Ток коллектора кв отличие оттока анода вакуумного триода, управляется не напряжением на сетке, а током базы б, протекающим через полупроводниковый переход база-эмиттер. Ток коллектора при этом враз больше тока базы, что и позволяет достичь больших коэффициентов усиления потоку. Ток эмиттера э = б + I к Благодаря малым размерам транзисторов, их небольшому весу и малой величине потребляемой мощности они сразу нашли применение в военной аппаратуре. Другой областью, в которой сразу стали применяться транзисторы, были слуховые аппараты. Затем транзисторы практически полностью вытеснили электронные лампы из большинства радиоэлектронных устройств. 143 Рис. 8.13. Биполярный транзистор и его вольт-амперные характеристики Наибольший эффект от использования транзисторов был получен при создании вычислительной техники, для которой были необходимы громадные количества миниатюрных маломощных переключателей. В 1956 г. В. Шокли, Д. Бардину и У. Браттейну за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта была присуждена Нобелевская премияпо физике. В е гг. ХХ в. столетия были изобретены и освоены в производстве полевые транзисторы, которые по аналогии с вакуумными триодами ив отличие от биполярных транзисторов имели очень высокое входное сопротивление и управлялись напряжением. Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. Канал может быть образован полупроводником с любым типом проводимости. В зависимости от этого полярность управляющего напряжения может быть положительной или отрицательной. Поле соответствующего знака вытесняет свободные носители до тех пор, пока перешеек под электродом затвора не опустеет вовсе. Это достигается за счёт воздействия поля либо на переход, либо на однородный полупроводник. Ток становится равным нулю. Так работает полевой транзистор. На полевых транзисторах, в отличие от биполярных, можно строить логические схемы со сверхмалым потреблением тока, вследствие чего они являются основными кирпичиками современных сверхбольших интегральных схем, содержащих сотни тысячи даже миллионы элементов в составе одного микропроцессора Изображения на принципиальных электрических схемах вариантов полевых транзисторов, выполненных по различным технологиями их типовые вольт-амперные характеристики приведены на рис. 8.14. Рис. 8.14. Варианты полевых транзисторов и их вольт-амперные характеристики Один из вариантов топологического исполнения полевого транзистора приведен на рис. 8.15. Рис. 8.15. Топология полевого транзистора Возникновению и развитию полупроводниковой электроники во многом способствовали работы русских и советских ученых. Еще в 1874 г. АС. Поповым были обнаружены выпрямительные (нелинейные) свойства контактов между металлами и их сернистыми соединениями, обладающими полупроводниковыми свойствами. В 1922 г. (залет до официального изобретения транзистора) и залет до создания туннельного диодафизик Олег Владимирович Лосев в детекторе из цинкита обнаружил активные свойства, те. способность кристаллов в определённых условиях усиливать и генерировать электрические колебания. Построенный Лосевым в 1922 г. радиоприёмник с генерирующим диодом – кристадином (рис. 8.16) – принёс молодому русскому уч- ному и изобретателю всемирную известность. Зарубежные научные журналы называли кристадин Лосева сенсационным изобретением, а самого девятнадцатилетнего учёного – профессором. К сожалению, ученый не получил своевременно объективной оценки своих заслуг со стороны соотечественников. О. В. Лосев умер в 1942 г. вовремя блокады Ленинграда. Рис. 8.16. Схема кристадина Лосева Систематическое изучение свойств полупроводников началось в нашей стране еще в е годы ХХ в. Под руководством академика А. Ф. Иоффе с 1928 г. в Ленинградском физико-техническом институте группой советских ученых исследовались полупроводники и были разработаны на их основе термо- и фотоэлектрические приборы. Разработка и развитие в 1954–1959 гг. диффузионной технологии, оксидного маскирования и фотолитографии позволили в значительной степени усовершенствовать транзисторы, улучшить их параметры. Наряду со снижением стоимости впервые годы производства транзисторов их надежность в среднем повышалась враз каждые четыре года и залет возросла в 100 тыс. раз. ЭВМ, разработанные в конце х годов, содержали около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов. В настоящее время уже водной микросхеме число транзисторов измеряется миллионами. 146 8.1.4. Четвертый этап развития электроники микроэлектроника Микроэлектроника – область электроники, занимающаяся исследованием, конструированием, изготовлением и применением электронных функциональных устройств микроминиатюрного интегрального исполнения. Микроэлектроника основана на планарной и пленочной технологиях, позволивших значительно уменьшить размеры элементов до единиц микронов и решить проблему надежности межэлементных соединений. В микросхеме смартфона наших дней содержится больше транзисторов, чем в большом компьютере летней давности. Такой прогресс был бы немыслим без интегральных схем (микросхем. Интегральная схема(ИС) – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования (обработки) сигналов и содержащее большое количество элементов – транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д. Термин интегральная схема указывает на то, что все элементы изделия объединены (интегрированы)и само изделие является конструктивно единым прибором. Сложность ИС оценивается степенью интеграции. Она определяется коэффициентом К = значение которого округляется до ближайшего большего целого числа, где N – число элементов и компонентов, входящих в состав ИС. Интегральные схемы первой степени интеграции (К = 1) содержат до 10 элементов, второй степени интеграции Кот доит. д. ИС, содержащие 101–1000 элементов, называются большими интегральными схемами (БИС, а ИС с числом элементов более 10 000 – сверхбольшими (СБИС). Современные СБИС содержат несколько миллионов элементов. По способу изготовления ИС подразделяются на гибридные и полупроводниковые, а по функциональному назначению – на аналоговые и цифровые. Пленочная технология предусматривает изготовление пассивных электро- и радиоэлементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей) и соединительных проводников на диэлектрической подложке (плате) путем нанесения на нее слоев электропроводящих, резистивных и диэлектрических паст с последующим травлением вжиганием, фотолитографической или иной обработкой. Варианты конструкций пленочных ИС приведены на рис. 8.17. 147 Рис. 8.17. Образцы пленочных ИС Первую ИС изготовил Джек Килби,инженер компании Texas Instru- ments. 12 сентября 1958 гон представил первый рабочий образец микросхемы пластину 0,5 кв. дюйма (около 3 см) с транзисторами и контактами, которую разрезали натри части и получили три генератора на частоту МГц. За изобретение интегральной микросхемы Дж. Килби в 2000 г. был удостоен Нобелевской премии. Дж. Килби известен также как создатель первого карманного калькулятора и первого термопринтера. Идею монолитной полупроводниковой интегральной схемы впервые предложили запатентовал Роберт Нойс фирма Fairchild) в 1960 г. В 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс организовали небольшую фирму Intel из двенадцати человек. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии Эндрю Гроув, – использовать интеграцию большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов. А в 1999 г. ежемесячно фирма Intel производила 4 квадриллиона транзисторов, те. более полумиллиона на каждого жителя планеты Гордон Мур сформулировал эмпирический закон Мура число транзисторов на кристалле интегральной схемы увеличивается в 2 раза каждые 18– 24 месяца. График, иллюстрирующий закон Мура, приведен на рис. 8.18. 148 Рис. 8.18. Экспериментальное подтверждение закона Мура Существует несколько трактовок закона Мура. Наиболее интересные из них 1) производительность процессоров микроэлектронных устройств удваивается каждые 18 месяцев 2) тактовая частота процессоров удваивается каждые 18 месяцев 3) стоимость чипа уменьшается вдвое каждые 18 месяцев. Закон Мура работает ив наши дни. Стоимость компьютеров и комплектующих постоянно снижается, а вычислительные мощности постоянно растут. Современные домашние компьютеры обладают мощностями, которые были, пожалуй, недоступны даже для суперкомпьютеров всего лишь несколько лет назад. В 2007 г. Мур заявил, что его закон перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. Согласно прогнозам Ассоциации полупроводниковой промышленности, членами которой являются такие гиганты, как IBM и Intel, уже после 2021 г. эра уменьшения размера полупроводниковых элементов завершится. Конечно, физически можно будет и дальше развивать новые проектные нормы, но эта идея станет настолько затратной, что попросту не окупится. Но это не означает, что прогресс остановится и закон Мура перестанет выполняться. Будет осуществляться поиск других путей развития. Среди наиболее перспективных отмечаются современные технологии микросхем и другие разработки, позволяющие более эффективно использовать доступное пространство. 149 8.1.5. Пятый этап развития электроники функциональная электроника Если в интегральных микросхемах объединяется большое количество элементов, тов изделиях функциональной электроники интегрируются акустические, магнитные, оптические, термоэлектрические и другие объемные и поверхностные физические эффекты. В функциональных микросхемах трудно или невозможно выделить отдельные элементы, эквивалентные традиционным (транзисторам, диодам, конденсаторам, катушкам индуктивности. Одним из направлений функциональной электроники является акустоэлектроника, в том числе частотные фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтры). Пример топологии, частотной характеристики и конструктивного исполнения современного ПАВ-фильтра приведен на рис. 8.19. Одним из лидеров в области акустоэлектроники в нашей стране является Омский научно-исследовательский институт приборостроения (ОНИИП). а б в Рис. 8.19. Топология (а, частотная характеристика (б) и конструкция (в) ПАВ-фильтра Функциональная микроэлектроника – перспективное направление развития электроники. Технологические процессы изготовления изделий функциональной электроники в значительной степени совместимы с процессами микроэлектроники механическая и химическая обработка пластин создание на их поверхности слоев из различных материалов диффузия и ионная имплантация литографическая обработка сборка, герметизация, контроль, испытания и т. п. 150 В функциональной микроэлектронике используются взаимодействие потоков электронов со звуковыми волнами, оптические явления в твёрдом теле, свойства полупроводников, магнетиков и сверхпроводников в магнитных полях и др. Первые работы в этой области принадлежат академику Ю. В Гуляеву, который высоко оценивает достижения ОНИИП. В Омске лидером научной школы в области акустоэлектроники в настоящее время является С. А. Добер- штейн, получивший ученую степень к.т.н. на РТФ ОмГТУ. Очень важным направлением функциональной электроники является техника кварцевой стабилизации частот. Без высокостабильных кварцевых генераторов не может функционировать ни одно средство связи и даже кварцевые часы. Основателями признанной в мире ив России школы омских разработчиков кварцевых генераторов являются Ф. М. Ильин и И. А. Народицкий. В е и годы ив начале х годов достойным продолжателем этой школы, создавшим ряд генераторов мирового уровня, имеющих непревзойденные характеристики повремени готовности и чистоте спектра, является АИ Куталев, работающий в этой области ив настоящее время. Благодаря развитию микроэлектроники и инновационным решениям массогабаритные характеристики кварцевых генераторов за последние десятилетия многократно уменьшились (рис. 8.20). В ОмГТУ лидером научной школы в области кварцевых генераторов с цифровой термокомпенсацией является д.т.н., профессор А.В. Косых. 1970 г. 1990 г. 2010 г. Рис. 8.20. Эволюция габаритных размеров высокостабильных кварцевых генераторов 151 До недавнего времени считалось, что у кварцевой технологии нет серьезных конкурентов. На сегодняшний день появились серьезные конкуренты со стороны микроэлектромеханических систем (МЭМС) и CSAC- технологий. Название технологии Chip Scale Atomic Clock (CSAC) дословно переводится как атомные часы по размеру кристалла. CSAС-генераторы – миниатюрные генераторы на атомных лазерных излучателях сочень высокой стабильностью. Практически все известные фирмы, выпускающие высокостабильные генераторы, имеют в своем активе миниатюрные малопотреб- ляющие генераторы. Однако полное вытеснение одной технологии другой в ближайшем будущем не предвидится, а их конкуренция приведет к дальнейшему повышению качества продукции и разнообразит сегменты рынка. 8.2. Н АНОЭЛЕКТРОНИКА – СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ К концу ХХ в. можно отнести шестой этап развития электроники под названием наноэлектроника. Приставка «нано» означает одну миллиардную часть. Термины нанометр, наночастицы, наноструктуры, «наноматериалы» и «нанотехно- логии» распространились в научной литературе. Термин «наноэлектроника» пришел на смену традиционному термину микроэлектроника. Наноэлектроника связана с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов на порядки меньше – от 1 до 100 нм. Основные даты и события из истории наноэлектроники 1905 год. Физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нм. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы с помощью манипулятора соответствующего размера. По крайней мере, такой процесс 152 не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам. Это было первое упоминание о нанотехнологии. 1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизмы размером менее одного микрона. Греческое слово нанос означает гном, им обозначают миллиардные части целого. 1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать отдельные атомы. 1985 год. Американские физики создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр. 1993 год. В США начали присуждать Фейнмановскую премию, названную в честь физика Ричарда Фейнмана. В 1959 гон произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 г. Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики – ныне это одна из областей нанонауки. 1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологии. В 1985 г. открыты фуллерены – новая структурная форма существования углерода. В 1991 г. на их основе созданы нанотрубки – углеродные пористые структуры цилиндрической формы, обладающие целым рядом уникальных свойств, вплоть до сверхпроводимости. Эти открытия дали старт наноэлектронным исследованиям, опирающимся на схему снизу вверх, с ее идеологией конструирования устройств буквально из единичных атомов. 2001 год. Научный журнал Science назвал нанотехнологии прорывом года, а бизнес-журнал Forbes – новой многообещающей идеей. Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение новая промышленная революция. В 2004 г. мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий достигли 10 млрд долл. и стремительно возрастают. 2008 год. Создано Нанотехнологическое общество России, в задачи которого входит просвещение российского общества в области нанотех- нологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны. 153 В 2015 г. в мире выпуск изделий на основе нанотехнологий достиг 1 трлн долл. В развитии нанотехнологий можно выделить три направления 1) изготовление устройств и систем с нанотранзисторами и другими активными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул и атомов 2) непосредственное манипулирование атомами и молекулами, сборка из них всевозможных материалов с изначально заданными свойствами зонная инженерия 3) разработка и изготовление наномашин (механизмов, роботов) величиной с молекулу, способных на принципах самоорганизации воспроизводить себе подобных. Технологии наноэлектроники не только включают средства и методы, ранее неизвестные для микроэлектроники, например использование нано- трубок и фуллеренов, но и используют новые методические подходы и разработки, служащие для создания, измерения и анализа параметров наноструктурных объектов. К ним относятся, в частности, различные методы зондовой микроскопии (туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, с помощью которых объекты наноэлектроники могут как исследоваться, таки создаваться. Нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру (рис. 8.21) толщиной в несколько атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Нанотрубки могут придать электронным схемам революционные механические и оптические свойства. Оптические матрицы с интегральными схемами на основе нанотрубок можно изгибать без потери электронных свойств. Фуллерен Нанотрубка Графен Рис. 8.21. Наноструктуры 154 Графен – двумерный кристаллический углеродный наноматериал, который можно представить как пластину, состоящую из одного слоя атомов углерода (рис. 8.21). Графен является самым простым построению среди других модификаций углерода и может рассматриваться в качестве их структурного блока. Например, если слои графена расположить друг над другом с небольшим смещением по плоскости, то получится обыкновенный графит. Графен можно свернуть в цилиндр, и тогда получится однослойная углеродная нанотрубка. Если же лист графена определенной формы свернуть так, чтобы образовалась сфера, то получится похожий на футбольный мяч фуллерен. Графен обладает уникальными токопроводящими свойствами, которые позволяют ему служить как очень хорошим проводником, таки полупроводником. Кроме того, графен чрезвычайно прочен и выдерживает огромные нагрузки как на разрыв, таки на прогиб. В настоящее время графен получают путем отшелушивания чешуек от частиц графита, однако существуют разработки, позволяющие получать данный материал в промышленных масштабах. Способом отшелушивания графен впервые получен и открыт учеными из Манчестерского университета – выходцами из России А. Геймом и К. Новоселовым, которым в 2010 г. за открытие и получение графена была вручена Нобелевская премия. Графен можно рассматривать как перспективный элемент при произ- водствекомпьютеров, мониторов, солнечных батарей и для применения в гибкой электронике. В 1998 г.,когда на базе нанотрубок ученым удалось получить транзисторный эффект, зародилась идея создавать электронные компоненты не из целых частей полупроводниковых и других материалов, а из отдельных атомов и молекул. Сначала она казалась почти утопической, но дальнейшая история развития наноэлектроники показала ее реальность. Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем транзисторы на основе нанотрубок будут внедрены в массовое производство, однако уже сейчас становится очевидным, что эти транзисторы имеют массу преимуществ по сравнению с традиционными и что они будут востребованы в скором будущем. 155 Перспективное применение нанотрубок – это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory). Первой данный тип памяти реализовала компания Nantero. По сравнению с традиционными типами памяти память NRAM имеет ряд преимуществ. Во-первых, несмотря на то, что это оперативная (RAM) память, она является энергонезависимой. Во-вторых, по утверждениям компании, плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр (в несколько раз больше, чем в сегодняшних микросхемах памяти, а частота работы памяти – до 2 ГГц. К настоящему времени компания Nantero выпустила модуль NRAM- памяти емкостью 10 Гбит. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Предметом промышленной электроники является электроника, используемая при выполнении технологических процессов, необходимых для производства различных видов товаров, изделий и услуг. Хотя изделия, производимые в различных отраслях, существенно различаются, электронные устройства, схемы и системы, используемые для управления различными технологическими установками, зачастую очень похожи. Промышленная электроника основана на общих концепциях и технологиях, применяемых при создании таких установок. Рассмотрим хронологию главных событий и изобретений, которые позволили промышленности перейти от ручного труда и управляемых вручную машин к полностью автоматизированным промышленным системам, используемым сегодня во всем мире. 1927 г. – в Калифорнии построен первый автоматически управляемый нефтепровод с электроприводом. 1928 г. – электронные лампы используются для управления двигателями постоянного тока. 1941 г. – появляется первый промышленный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью вращения. 1957 г. – появляется первый промышленный полупроводниковый привод двигателя с регулируемой частотой вращения. г представлен станок, управляемый встроенным компьютером. 156 1968 г. – отделением Oldmobile фирмы «Дженерал моторс» разработан программируемый логический контроллер. 1969 г. – фирма Molins в Англии применяет компьютеры для управления производственными процессами. 1973 г. – в компании Cincinnati Milacron Corporation изобретен первый коммерческий управляемый компьютером промышленный робот, названный инструментом будущего. 1980 г. – в Японии, США и Великобритании вводится понятие автоматизированного интегрированного производства (СІМ). 1984 г. – корпорация Adept представляет руку робота с непосредственным приводом. 2001 г. – все более широкое применение в автоматизации находят беспроводные сети. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Дальнейший прогресс электроники характеризуется не только сохраняющим пока свое действие законом Мура, но также развитием новых технологий объединения отдельных СБИС в функционально сложные системы. Развитие традиционных технологий корпусирования. На современном этапе развития корпусирования можно выделить следующие основные тенденции − увеличение количества выводов − уменьшение минимального шага выводов компонентов в корпусах различных типов − переход от расположения выводов по периметру к расположению выводов под корпусом − интеграция нескольких компонентов в один корпус. Уменьшение шага выводов компонентов PBGA и QFP фактически достигло своих пределов 0,65 и 0,3 мм соответственно. Минимальный шаг выводов компонентов FBGA продолжит снижаться. 2. Системы на кристалле. Успехи в полупроводниковой технологии интегральных микросхем сделали возможным объединение на кристалле СБИС нескольких программируемых блоков, образующих функционально законченную систему. Такая СБИС получила название система на кристалле (СнК) (рис. 8.22). СнК обычно включает одно или несколько процессорных ядер, модули памяти, высокопроизводительные шины, аналого-цифровые интерфейсы, программируемую логику и другие макроблоки. Данный стиль проектирования (проектирование) начал применяться, начиная с технологических норм порядка 250–350 нм, позволяющих размещать десятки и сотни миллионов транзисторов на одном кристалле. Таким образом, СБИС СнК – это СБИС, объединяющая на кристалле различные функциональные блоки, которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре. В перспективе в рамках систем на кристалле могут быть решены многие проблемы интеграции аналоговых, цифровых, радиочастотных (RF) и даже более экзотических структур – микромеханических систем (MEMS), датчиков, силовых приводов, химических преобразователей, оптических блоков и т. п. Поэтому в современной интерпретации СнК является сложной интегральной схемой, объединяющей на одном чипе или чипсете все основные функциональные элементы полного конечного продукта. а б Рис. 8.22. СБИС СнК: а – блок-схема; б – конструктивное исполнение 3. Системы в корпусе. Система в корпусе (System in Package, SiP) – это комбинация нескольких активных электронных компонентов различной функциональности, 158 собранная в единый модуль (рис. 8.23), которая обеспечивает реализацию разных функций, обычно выполняемых системой или подсистемой. Система в корпусе может иметь в своем составе пассивные компоненты, микроэлектромеханические системы (МЭМС), оптические компоненты и другие корпуса и устройства. Объединение этих компонентов водном корпусе имеет существенные преимущества конструкция становится меньше, легче, надежней и дешевле. Рис. 8.23. Варианты конструктивного исполнения систем в корпусе 4. 3D- интеграция. Под интеграцией понимается расположение кристаллов друг над другом с созданием вертикальных соединений между кристаллами. Потенциальные преимущества, обеспечиваемые интеграцией, включают в себя уменьшение размеров системы, сокращение длины меж- соединений благодаря замене длинных горизонтальных связей на короткие вертикальные и снижение энергопотребления. 5. Печатные платы со встроенными компонентами. Встраивание активных и пассивных компонентов в печатные платы позволяет реализовать новые технологии межсоединения без использования разварки, что обеспечивает улучшенные тепловые и электрические характеристики, а также возможность размещения кристалла над кристаллом. 159 6. Микроэлектромеханические системы (МЭМС). МЭМС – это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Типичный размер мик- ромеханических элементов, входящих в МЭМС, лежит в пределах от 1 до 100 мкм. В качестве примеров МЭМС можно привести датчики ускорений в том числе используемые для активации автомобильных подушек безопасности, датчики давления воздуха в шинах автомобиля и кардиостимуляторы. Основные преимущества МЭМС заключаются в низкой стоимости благодаря использованию технологий микроэлектроники для производства микромеханических элементов в малых размерах и малой массе, что позволяет использовать их в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки в существенно меньшем энергопотреблении. Органическая и печатная электроника. Технологии, применяемые в органической и печатной электронике, основаны на использовании органических проводящих и полупроводящих материалов, а также неорганических материалов, пригодных для нанесения методом печати. Ключевые примеры изделий органической электроники сворачиваемые дисплеи, гибкие солнечные батареи, одноразовые средства диагностирования, печатные батареи, печатные радиометки, органическая память, органические датчики. Впервые органические электронные устройства появились на рынке в 2005–2006 гг. Гибкие литийполимерные батареи, производимые по технологии ротационной печати, уже несколько лет известны на рынке, их можно использовать в смарткартах и других мобильных потребительских устройствах. За последние несколько лет был достигнут большой прогресс вобла- сти печатных радиометок на основе органической электроники. Обзор почти летней истории изобретений, открытий и разработок в области радиоэлектроники позволяет прийти к следующим выводам − достичь современного уровня развития промышленного управления и автоматизации производства можно было только на основе изобретений и разработок в области электроники и компьютерной техники 160 − потребность в инженерах, обладающих знаниями в области электроники, существует уже в течение более чем пятидесяти лети будет существовать в обозримом будущем. Контрольные вопросы к теме 8 1. Основные пассивные электронные компоненты и их свойства. 2. Основные активные электронные компоненты и их свойства. 3. Свойства и характеристики резисторов. 4. Какие разновидности резисторов и области их применения вам известны. Свойства и характеристики индуктивностей. 6. Свойства и характеристики конденсаторов. 7. Принципы функционирования и виды электронных ламп. 8. Изобретение транзистора и его свойства. 9. Предметная область промышленной электроники. 10. Явление термоэлектронной эмиссии и его применение в радиоэлектронике. Функциональные возможности первой электронной лампы Фле- минга. 12. Функциональные возможности аудиона Фореста. 13. Особенности конструкции и технологии производства микросхем. 14. Объясните понятие степень интеграции интегральных схем. 15. Закон Мура и его трактовки. 16. Диапазон топологических размеров элементов, условно относящихся к области наноэлектроники. 17. Особенности структур и свойства графена и наноуглеродных трубок. Список рекомендуемой литературы 1. Соколов, СВ. Электроника : учеб. пособие для вузов / СВ. Соколов, Е. В. Титов ; под ред. СВ. Соколова. – М. : Горячая линия-Телеком, 2013. – 204 с. 2. Москатов, Е. А. Электронная техника : учеб. пособие / Е. А. Моска- тов. – М. : КНОРУС, 2017. – 200 с. 161 3. Левченко, В. И. Введение в специальность «Инфокоммуникацион- ные технологии и системы связи Электронный ресурс : конспект лекций В. И. Левченко. – Изд-во ОмГТУ, 2013. – 1 эл. опт. диск (CD-ROM). 4. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 5. Рег, ДА. Промышленная электроника / ДА. Рег, Г. Д. Сартори. – М. : ДМК Пресс, 2011. – 1136 с. 6. Немудров, В. Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие / В. Немудров, Г. Мартин. – М. : Техносфера. 2004. – 216 с. 7. Нисан, А. Восемь тенденций, которые изменят электронику / А. Нисан // Технологии в электронной промышленности. – 2011. – № 2. – С. 4–8. 162 Тема 9 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ Приборостроение – это отрасль науки и техники, разрабатывающая и производящая средства измерения, обработки и представления информации, автоматические и автоматизированные системы управления. Основным направлением развития приборостроения является измерительная техника, состоящая из методов и приборов измерения механических, электрических, магнитных, тепловых, оптических, акустических и другихфизических величин. Приборостроение – отрасль, определяющая научно-технический уровень любой страны мира. В жизни общества по мере его развития измерения занимают все большую роль, поскольку это единственный способ получения объективной количественной информации об явлениях и объектах окружающей среды. Измерительные приборы совместно с автоматическими управляющими и исполнительными устройствами образуют техническую базу автоматизированных систем управления различными объектами и технологическими процессами (АСУТП). Без широкого использования современных приборов, средств автоматизации и автоматизированных систем управления совершенно невозможно реализовать какие бы тони было инновации нив области науки, нив сфере производства. На измерительной технике и электронике основаны системы контроля качества и диагностики в различных областях деятельности и жизни человека и созданные им научные и производственные системы. В настоящее время приборостроение содержит ряд разделов, сложно связанных между собой. Важнейшим разделом приборостроения является радиоэлектронное приборостроение, к которому относятся радиоизмерительные приборы и системы, приборы систем управления, оптотехника и т. д. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Измерительная техника существует с глубокой древности. За несколько тысячелетий до новой эры развитие товарообмена привело к необходимости измерения веса и появлению весов. 163 Измерительная техника требовалась также для измерения площадей земельных участков, в астрономических наблюдениях и кораблевождении измерение углов и расстояний, в строительстве (измерение размеров. Сложившаяся со временем классификация средств измерений приведена на рис. 9.1. Рис. 9.1. Классификация средств измерений Приведенная классификация не является исчерпывающей. С развитием техники и технологий возникают как новые измеряемые величины, таки новые средства измерений. Совершенствование измерительной техники происходило одновременно с бурным развитием физики, которая, основываясь первоначально только на эксперименте, полностью опиралась на измерительную технику. К периоду XV–XVI вв. относятся усовершенствование часов, изобретение микроскопа, барометра, термометра, первых электроизмерительных приборов и других измерительных устройств, использовавшихся главным образом в научных исследованиях. В конце XVI – начале XVII в. повышение точности измерений способствовало революционным научным открытиям. Так, например, точные астрономические измерения позволили И. Кеплеру установить, что планеты обращаются по эллиптическим орбитам. 164 В XIX в. были созданы основы теории измерительной техники и метрологии, получила распространение метрическая система мер, обеспечившая единство измерений в науке и производстве. В создании измерительных приборов и разработке их теории принимали участие крупнейшие учёные – Г. Галилей И. Ньютон Х. Гюйгенс и др. Каждое открываемое физическое явление воплощалось в соответствующем приборе, который, в свою очередь, помогал точно определить значение исследуемой величины и установить законы природы. Благодаря развитию теплоэнергетики, внедрению электрических средств связи, а затем и первых электроэнергетических установок начали использоваться методы и средства измерения, которые до этого применялись лишь при научных исследованиях, – появились теплотехнические и электроизмерительные приборы. Начало ХХ в. знаменует новый этап в развитии измерительной техники электрические средства, а позднее и электронные средства начинают применяться для измерения механических, тепловых, оптических величин, для химического анализа, геологической разведки и т. д, те. для измерений любых величин. Появляются такие новые отрасли, как радиоизмерение, спектромет- рияи др. Возникает приборостроительная промышленность В ХХ в. большинство приборов было модернизировано на базе электроники, что значительно повысило их точность, расширило функциональные возможности, радикально улучшило эксплуатационные характеристики, а также совместимость с различными устройствами, машинами и механизмами. Высокие темпы научно-технического прогресса в области теории и практики автоматизации при управлении подвижным объектами, физическими и технологическими процессами в различных отраслях производства и при научных исследованиях привели к появлению специальных периодических журналов, посвящённых проблемам приборостроения. Так, в январе 1958 г. вышел первый номер журнала Известия вузов – Приборостроение Появление такого научного журнала обусловливалось невиданными до того темпами технического прогресса в области теории и практики автоматизации как при управлении подвижными объектами, физическими и технологическими процессами в различных отраслях производства и при научных исследованиях, таки в области интеллектуальной деятельности. Этот журнал издается ив настоящее время. 165 О высоком научном уровне журнала свидетельствует то, что он распространяется во многих ведущих в области приборостроения странах мира. Автоматика, связь, информатика – ежемесячный научно-теорети- ческий и производственно-технический журнал ОАО Российские железные дороги. Выходит в свет с 1923 г, тогда он назывался Электротехника и связь на путях сообщения. За прошедшие 90 лет название журнала неоднократно изменялось в 1926 г. – Связь и электротехника, 1932 г. – Сигнализация и связь на железнодорожном транспорте, 1936 г. – Связист, 1957 г. – Автоматика, телемеханика и связь, 1998 г. – Автоматика, связь, информатика. МЕТРОЛОГИЯ |