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 . Электроника — 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 миллиард 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.
Открытие электрона в 1897 году сэром Джозефом Джоном Томсоном , а также последующее изобретение вакуумной лампы , способной усиливать и выпрямлять слабые электрические сигналы , положили начало электронике и электронному веку. [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 потоком тока , 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 доступными. [26]
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]
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 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 — 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:
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 .
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.
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 .
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.
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.
Электрические компоненты обычно монтируются следующими способами:
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 (МОП-транзистор), по оценкам, в период с 1960 по 2018 год было произведено 13 секстиллионов МОП-транзисторов . [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 Соединенных Штатов 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]
MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь практически всеми мыслимыми способами.
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.
