stringtranslate.com

Электроника

Современные электронные компоненты поверхностного монтажа на печатной плате с большой интегральной схемой в верхней части

Электроника — это научная и инженерная дисциплина, которая изучает и применяет принципы физики для проектирования, создания и эксплуатации устройств, которые манипулируют электронами и другими электрически заряженными частицами . Это подраздел физики [1] [2] и электротехники , который использует активные устройства, такие как транзисторы , диоды и интегральные схемы, для управления и усиления потока электрического тока и преобразования его из одной формы в другую, например из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) или из аналоговых сигналов в цифровые сигналы.

Электронные устройства оказали огромное влияние на развитие многих аспектов современного общества, таких как телекоммуникации , развлечения, образование, здравоохранение, промышленность и безопасность. Главной движущей силой развития электроники является полупроводниковая промышленность , которая в ответ на глобальный спрос постоянно производит все более сложные электронные устройства и схемы. Полупроводниковая промышленность является одним из крупнейших и наиболее прибыльных секторов мировой экономики, годовой доход которого в 2018 году превысил 481 млрд долларов. Электронная промышленность также охватывает другие секторы, которые полагаются на электронные устройства и системы, такие как электронная коммерция , которая в 2017 году сгенерировала более 29 триллионов долларов онлайн-продаж.

История и развитие

Один из первых радиоприемников Audion , сконструированный Де Форестом в 1914 году.

Открытие электрона в 1897 году сэром Джозефом Джоном Томсоном , а также последующее изобретение вакуумной лампы , способной усиливать и выпрямлять слабые электрические сигналы , ознаменовали начало электроники и электронного века. [3] Практическое применение началось с изобретения диода Эмброузом Флемингом и триода Ли Де Форестом в начале 1900-х годов, что сделало возможным обнаружение слабых электрических напряжений, таких как радиосигналы от радиоантенны .

Электронные лампы (термоэлектронные лампы) были первыми активными электронными компонентами , которые управляли током , влияя на поток отдельных электронов , и позволили создать оборудование, которое использовало усиление и выпрямление тока, чтобы дать нам радио , телевидение , радар , междугороднюю телефонную связь и многое другое. Ранний рост электроники был быстрым, и к 1920-м годам коммерческое радиовещание и телекоммуникации стали широко распространенными, а электронные усилители использовались в таких разнообразных приложениях, как междугородняя телефонная связь и индустрия звукозаписи. [4]

Следующий большой технологический шаг потребовал нескольких десятилетий, чтобы появиться, когда первый рабочий точечный транзистор был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году. [5] Однако вакуумные лампы играли ведущую роль в области СВЧ и передачи высокой мощности, а также телевизионных приемников до середины 1980-х годов. [6] С тех пор твердотельные приборы почти полностью заняли их место. Вакуумные лампы все еще используются в некоторых специальных приложениях, таких как мощные усилители радиочастот , электронно-лучевые трубки , специализированное аудиооборудование, гитарные усилители и некоторые микроволновые устройства .

В апреле 1955 года IBM 608 стал первым продуктом IBM , в котором использовались транзисторные схемы без каких-либо электронных ламп, и считается, что это был первый полностью транзисторный калькулятор , выпущенный для коммерческого рынка. [7] [8] 608 содержал более 3000 германиевых транзисторов. Томас Дж. Уотсон-младший приказал, чтобы все будущие продукты IBM использовали транзисторы в своей конструкции. С этого времени транзисторы использовались почти исключительно для логических схем компьютеров и периферийных устройств. Однако ранние транзисторы с плоскостным переходом были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить на основе массового производства , что ограничивало их ряд специализированных приложений. [9]

MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами. [10] [11] [12] [13] [14] [15] Это был первый по-настоящему компактный транзистор , который можно было миниатюризировать и производить массово для широкого спектра применений. [9] Его преимущества включают высокую масштабируемость , [16] доступность, [17] низкое энергопотребление и высокую плотность . [18] Он произвел революцию в электронной промышленности , [19] [20] став наиболее широко используемым электронным устройством в мире. [21] [22] MOSFET является основным элементом в большинстве современных электронных устройств. [23] [24]

По мере роста сложности схем возникали проблемы. [25] Одной из проблем был размер схемы. Сложная схема, такая как компьютер, зависела от скорости. Если компоненты были большими, провода, соединяющие их, должны были быть длинными. Электрическим сигналам требовалось время, чтобы пройти через схему, что замедляло работу компьютера. [25] Изобретение интегральной схемы Джеком Килби и Робертом Нойсом решило эту проблему, сделав все компоненты и чип из одного блока (монолита) полупроводникового материала. Схемы можно было сделать меньше , а процесс производства можно было автоматизировать. Это привело к идее интеграции всех компонентов на однокристаллической кремниевой пластине , что привело к маломасштабной интеграции (SSI) в начале 1960-х годов, а затем среднемасштабной интеграции (MSI) в конце 1960-х годов, за которой последовала СБИС . В 2008 году процессоры с миллиардом транзисторов стали коммерчески доступны. [26]

Подполя

Устройства и компоненты

Различные электронные компоненты

Электронный компонент — это любой компонент в электронной системе , активный или пассивный. Компоненты соединяются вместе, обычно путем пайки на печатной плате (PCB), для создания электронной схемы с определенной функцией. Компоненты могут быть упакованы по отдельности или в более сложных группах в виде интегральных схем . Пассивные электронные компоненты — это конденсаторы , индукторы , резисторы , в то время как активные компоненты — это такие полупроводниковые приборы, как транзисторы и тиристоры , которые управляют током на электронном уровне. [27]

Типы схем

Функции электронных схем можно разделить на две группы функций: аналоговые и цифровые. Конкретное устройство может состоять из схем, которые имеют один или смесь двух типов. Аналоговые схемы становятся менее распространенными, поскольку многие из их функций оцифровываются.

Аналоговые схемы

Аналоговые схемы используют непрерывный диапазон напряжения или тока для обработки сигнала, в отличие от дискретных уровней, используемых в цифровых схемах. Аналоговые схемы были распространены во всем электронном устройстве в первые годы в таких устройствах, как радиоприемники и передатчики. Аналоговые электронные компьютеры были ценны для решения задач с непрерывными переменными, пока не развилась цифровая обработка.

По мере развития полупроводниковых технологий многие функции аналоговых схем были взяты на себя цифровыми схемами, и современные схемы, которые являются полностью аналоговыми, встречаются реже; их функции заменяются гибридным подходом, который, например, использует аналоговые схемы на входе устройства, принимающего аналоговый сигнал, а затем использует цифровую обработку с использованием микропроцессорной техники.

Иногда бывает трудно классифицировать некоторые схемы, которые имеют элементы как линейной, так и нелинейной работы. Примером может служить компаратор напряжения, который получает непрерывный диапазон напряжения, но выводит только один из двух уровней, как в цифровой схеме. Аналогично, перегруженный транзисторный усилитель может приобретать характеристики управляемого переключателя , имея по сути два уровня выхода.

Аналоговые схемы по-прежнему широко используются для усиления сигналов, например, в индустрии развлечений, и преобразования сигналов от аналоговых датчиков, например, в промышленных измерениях и управлении.

Цифровые схемы

Цифровые схемы — это электрические схемы, основанные на дискретных уровнях напряжения. Цифровые схемы используют булеву алгебру и являются основой всех цифровых компьютеров и микропроцессорных устройств. Они варьируются от простых логических вентилей до больших интегральных схем, использующих миллионы таких вентилей.

Цифровые схемы используют двоичную систему с двумя уровнями напряжения, обозначенными как «0» и «1», для указания логического статуса. Часто логический «0» будет более низким напряжением и будет называться «Низким», в то время как логическая «1» будет называться «Высоким». Однако некоторые системы используют обратное определение («0» — это «Высокий») или основаны на токе. Довольно часто проектировщик логики может менять эти определения от одной схемы к другой, как он считает нужным, чтобы облегчить свою разработку. Определение уровней как «0» или «1» является произвольным. [28]

Была изучена троичная (с тремя состояниями) логика, и было создано несколько прототипов компьютеров, но они не получили существенного практического признания. [29] Как правило, компьютеры и цифровые сигнальные процессоры строятся на основе цифровых схем, использующих транзисторы, такие как МОП-транзисторы, в электронных логических вентилях для генерации двоичных состояний.

Высокоинтегрированные устройства:

Дизайн

Проектирование электронных систем занимается междисциплинарными вопросами проектирования сложных электронных устройств и систем, таких как мобильные телефоны и компьютеры . Предмет охватывает широкий спектр, от проектирования и разработки электронной системы ( разработка нового продукта ) до обеспечения ее надлежащего функционирования, срока службы и утилизации . [30] Таким образом, проектирование электронных систем представляет собой процесс определения и разработки сложных электронных устройств для удовлетворения определенных требований пользователя.

Из-за сложной природы теории электроники лабораторные эксперименты являются важной частью разработки электронных устройств. Эти эксперименты используются для тестирования или проверки инженерного проекта и обнаружения ошибок. Исторически электронные лаборатории состояли из электронных устройств и оборудования, расположенных в физическом пространстве, хотя в последние годы тенденция была направлена ​​на программное обеспечение для моделирования электронных лабораторий , такое как CircuitLogix , Multisim и PSpice .

Компьютерное проектирование

Современные инженеры-электронщики имеют возможность проектировать схемы с использованием готовых строительных блоков, таких как источники питания , полупроводники (т. е. полупроводниковые приборы, такие как транзисторы) и интегральные схемы. Программы программного обеспечения для автоматизации электронного проектирования включают программы захвата схем и программы проектирования печатных плат . Популярные названия в мире программного обеспечения EDA — NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB [31] и Schematic, Mentor (PADS PCB и LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA , KiCad и многие другие.

Отрицательные качества

Управление температурным режимом

Тепло, вырабатываемое электронными схемами, должно рассеиваться, чтобы предотвратить немедленный отказ и повысить долгосрочную надежность. Рассеивание тепла в основном достигается за счет пассивной проводимости/конвекции. Средства для достижения большего рассеивания включают радиаторы и вентиляторы для воздушного охлаждения, а также другие формы охлаждения компьютеров, такие как водяное охлаждение . Эти методы используют конвекцию , проводимость и излучение тепловой энергии .

Шум

Электронный шум определяется [32] как нежелательные помехи, наложенные на полезный сигнал, которые имеют тенденцию скрывать его информационное содержание. Шум — это не то же самое, что искажение сигнала, вызванное схемой. Шум связан со всеми электронными схемами. Шум может быть электромагнитным или термическим, который можно уменьшить, снизив рабочую температуру схемы. Другие типы шума, такие как дробовой шум, не могут быть удалены, поскольку они обусловлены ограничениями физических свойств.

Методы упаковки

На протяжении многих лет использовалось множество различных методов соединения компонентов. Например, в ранней электронике часто использовалась проводка точка-точка с компонентами, прикрепленными к деревянным макетным платам для создания схем. Другими используемыми методами были конструкция из кордвуда и обмотка проводами . В большинстве современных электронных устройств теперь используются печатные платы из таких материалов, как FR4 или более дешевая (и менее износостойкая) бумага на основе синтетической смолы ( SRBP , также известная как Paxoline/Paxolin (торговые марки) и FR2) — характеризующаяся коричневым цветом. Проблемы со здоровьем и окружающей средой, связанные со сборкой электроники, в последние годы привлекли все большее внимание, особенно для продуктов, предназначенных для поставок на европейские рынки.

Устройства с сквозными выводами, установленные на печатной плате домашнего компьютера середины 1980-х годов . Устройства с аксиальными выводами находятся вверху слева, а синие конденсаторы с радиальными выводами — вверху справа.

Электрические компоненты обычно монтируются следующими способами:

Промышленность

Электронная промышленность состоит из различных секторов. Центральной движущей силой всей электронной промышленности является сектор полупроводниковой промышленности , [33] годовой объем продаж которого по состоянию на 2018 год составил более 481 миллиарда долларов. [34] Крупнейшим сектором промышленности является электронная коммерция , которая в 2017 году принесла более 29 триллионов долларов. [35] Наиболее широко производимым электронным устройством является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), по оценкам, в период с 1960 по 2018 год было произведено 13 секстиллионов MOSFET. [36] В 1960-х годах американские производители не могли конкурировать с японскими компаниями, такими как Sony и Hitachi , которые могли производить высококачественные товары по более низким ценам. Однако к 1980-м годам американские производители стали мировыми лидерами в разработке и сборке полупроводников. [37] 

Однако в 1990-х годах и впоследствии промышленность в основном переместилась в Восточную Азию (процесс, начавшийся с первоначального перемещения массового производства микрочипов там в 1970-х годах), поскольку там стало широко доступно обильное, дешевое трудовое оборудование и возрастающая технологическая сложность. [38] [39]

За три десятилетия доля США в мировых мощностях по производству полупроводников упала с 37% в 1990 году до 12% в 2022 году. [39] Ведущий производитель полупроводников в Америке, Intel Corporation , значительно отстал от своего субподрядчика Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) в области производственных технологий. [38]

К тому времени Тайвань стал ведущим мировым источником передовых полупроводников [39] [38] — за ним следовали Южная Корея , США , Япония , Сингапур и Китай . [39] [38]

Важные предприятия полупроводниковой промышленности (которые часто являются дочерними предприятиями ведущего производителя, базирующегося в другом месте) также существуют в Европе (особенно в Нидерландах ), Юго-Восточной Азии, Южной Америке и Израиле . [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ французский язык, Академия. «Электронный | Словарь Французской академии | 9е издание». www.dictionnaire-academie.fr (на французском языке) . Проверено 26 мая 2024 г.
  2. ^ «Определение ЭЛЕКТРОНИКИ». www.merriam-webster.com . 21 мая 2024 г. . Получено 26 мая 2024 г. .
  3. ^ "Этот месяц в истории физики - октябрь 1897 г.: открытие электрона". Американское физическое общество . Архивировано из оригинала 19 сентября 2018 г. Получено 19 сентября 2018 г.
  4. ^ Гварниери, М. (2012). «Эпоха электронных ламп: ранние устройства и рост радиосвязи». IEEE Ind. Electron. M . 6 (1): 41–43. doi :10.1109/MIE.2012.2182822. S2CID  23351454.
  5. ^ "1947: Изобретение точечного транзистора". Computer History Museum . Архивировано из оригинала 30 сентября 2021 года . Получено 10 августа 2019 года .
  6. ^ Сого Окамура (1994). История электронных ламп. ИОС Пресс. п. 5. ISBN 978-9051991451. Архивировано из оригинала 31 декабря 2013 . Получено 5 декабря 2012 .
  7. ^ Баше, Чарльз Дж.; и др. (1986). Первые компьютеры IBM . Массачусетский технологический институт. п. 386. ИСБН 978-0262022255.
  8. ^ Pugh, Emerson W.; Johnson, Lyle R.; Palmer, John H. (1991). IBM 360 и ранние 370 системы . MIT Press. стр. 34. ISBN 978-0262161237.
  9. ^ ab Moskowitz, Sanford L. (2016). Инновации в области передовых материалов: управление глобальными технологиями в 21 веке. John Wiley & Sons . стр. 168. ISBN 978-0470508923. Архивировано из оригинала 5 ноября 2020 . Получено 22 августа 2019 .
  10. ^ Хафф, Ховард; Риордан, Майкл (1 сентября 2007 г.). «Фрош и Дерик: Пятьдесят лет спустя (Предисловие)». Интерфейс Электрохимического общества . 16 (3): 29. doi :10.1149/2.F02073IF. ISSN  1064-8208.
  11. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  12. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  13. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  14. ^ Лигенца, Дж. Р.; Спитцер, В. Г. (1960). «Механизмы окисления кремния в паре и кислороде». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 131–136. Bibcode : 1960JPCS...14..131L. doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  15. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
  16. ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозной кремниевый переход (TSV)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. doi :10.1109/JPROC.2008.2007462. ISSN  0018-9219. S2CID  29105721.
  17. ^ "Tortoise of Transistors Wins the Race – CHM Revolution". Computer History Museum . Архивировано из оригинала 10 марта 2020 года . Получено 22 июля 2019 года .
  18. ^ "Транзисторы поддерживают закон Мура". EETimes . 12 декабря 2018 г. Архивировано из оригинала 24 сентября 2019 г. Получено 18 июля 2019 г.
  19. ^ Чан, И-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIAs/InGaAs и GaInP/GaAs для высокоскоростных приложений. Мичиганский университет . стр. 1. Архивировано из оригинала 20 декабря 2019 г. Получено 10 августа 2019 г. Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь практически всеми мыслимыми способами.
  20. ^ Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Мощные МОП-транзисторы: теория и применение. Wiley . стр. 1. ISBN 978-0471828679. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 г. . Получено 10 августа 2019 г. Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в сверхбольшой интеграции цифровых интегральных схем (VLSI). В 1970-х годах эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
  21. ^ «Кто изобрел транзистор?». Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 г. Архивировано из оригинала 13 декабря 2013 г. Получено 20 июля 2019 г.
  22. ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). Радиочастотные и микроволновые пассивные и активные технологии. CRC Press . стр. 18-2. ISBN 978-1420006728. Архивировано из оригинала 31 июля 2020 . Получено 10 августа 2019 .
  23. ^ Дэниелс, Ли А. (28 мая 1992 г.). «Доктор Давон Канг, 61 год, изобретатель в области твердотельной электроники». The New York Times . Архивировано из оригинала 26 июля 2020 г. Получено 1 апреля 2017 г.
  24. ^ Колинж, Жан-Пьер; Грир, Джеймс С. (2016). Нанопроволочные транзисторы: физика приборов и материалов в одном измерении. Cambridge University Press . стр. 2. ISBN 978-1107052406. Архивировано из оригинала 17 марта 2020 . Получено 17 сентября 2019 .
  25. ^ ab "История интегральной схемы". Nobelprize.org. Архивировано из оригинала 29 июня 2018 года . Получено 21 апреля 2012 года .
  26. ^ "Intel поставит первый компьютерный чип с двумя миллиардами транзисторов". The Sydney Morning Herald . 5 февраля 2008 г. Архивировано из оригинала 12 августа 2022 г. Получено 12 августа 2022 г.
  27. ^ Бозе, Бимал К, ред. (1996). Силовая электроника и частотно-регулируемые приводы: технология и применение . Онлайн-библиотека Wiley. doi :10.1002/9780470547113. ISBN 978-0470547113. S2CID  107126716.
  28. ^ Браун, Стивен; Вранесич, Звонко (2008). Основы цифровой логики (электронная книга) . McGraw Hill. ISBN 978-0077144227. Архивировано из оригинала 4 октября 2022 г. . Получено 12 августа 2022 г. .
  29. ^ Кнут, Дональд (1980). Искусство программирования . Т. 2: Получисленные алгоритмы (2-е изд.). Эддисон-Уэсли. С. 190–192. ISBN 0201038226..
  30. ^ J. Lienig; H. Bruemmer (2017). Основы проектирования электронных систем . Springer International Publishing. стр. 1. doi : 10.1007/978-3-319-55840-0. ISBN 978-3319558394.
  31. ^ «Проектирование печатных плат стало проще для каждого инженера». Autodesk . 19 апреля 2023 г. Архивировано из оригинала 19 апреля 2023 г. Получено 19 апреля 2023 г.
  32. ^ Словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE ISBN 978-0471428060 
  33. ^ "Годовой рост продаж полупроводников на 21,6 процента, впервые достигнув $400 млрд". Semiconductor Industry Association . 5 февраля 2018 г. Архивировано из оригинала 30 января 2021 г. Получено 11 октября 2019 г.
  34. ^ "Semiconductors – the Next Wave" (PDF) . Deloitte . Апрель 2019. Архивировано из оригинала (PDF) 11 октября 2019 . Получено 11 октября 2019 .
  35. ^ "Глобальные продажи электронной коммерции выросли до 29 триллионов долларов". Конференция Организации Объединенных Наций по торговле и развитию . 29 марта 2019 г. Архивировано из оригинала 21 октября 2019 г. Получено 13 октября 2019 г.
  36. ^ "13 секстиллионов и подсчет: Долгая и извилистая дорога к самому часто производимому человеческому артефакту в истории". Музей компьютерной истории . 2 апреля 2018 г. Архивировано из оригинала 28 июля 2019 г. Получено 28 июля 2019 г.
  37. ^ "Отрасль потребительской электроники в 1960-х годах". NaTechnology . Архивировано из оригинала 27 января 2021 года . Получено 2 февраля 2021 года .
  38. ^ abcde Ши, Вилли ( Гарвардская школа бизнеса ): «Конгресс выделяет миллиарды на полупроводниковую промышленность США. Облегчит ли это дефицит чипов?» Архивировано 3 июля 2023 г. в стенограмме Wayback Machine от 3 августа 2022 г., Forbes , получено 12 сентября 2022 г.
  39. ^ abcd Льюис, Джеймс Эндрю : «Укрепление транснациональной полупроводниковой промышленности», Архивировано 13 сентября 2022 г. в Wayback Machine 2 июня 2022 г., Центр стратегических и международных исследований (CSIS), получено 12 сентября 2022 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Wikibooks есть больше информации по теме: Электроника
В Wikibooks есть книга по теме: Электротехника
В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье:
Категория:Электроника
В Викиверситете есть обучающие ресурсы по теме Школа:Электроника
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Электроника» .