История развития электроники

История развития электроники

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Автор: Терлецкая Л.И. (Ангарское Опытно Конструкторское Бюро

Автоматики)

Редакция текста: Шереметьев А.Н.(Ангарская Государственная

Технологическая Академия)

E–mail: andsh@mail.amursk.ru

1. Введение

Электроника представляет собой бурноразвивающуюся отрасль науки и техники.

Она изучает физические основы и практическое применение различных

электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и

ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между

вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике

относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область

посвященная применению электронных приборов в промышленности называется

Промышленной Электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием

радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в

50–е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника.

Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с

проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи

эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот.

Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств

и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие

проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию

действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи,

телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолакации, в

радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях

радиотехники.

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. Предметами научных исследований в электронике

являются:

1. Изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных

частиц с эл./магнитными полями.

2. Разработка методов создания электронных приборов в которых это

взаимодействие используется для преобразования энергии с целью

передачи, обработки и хранения информации, автоматизации

производственных процессов, создания энергетических устройств,

создания контрольно–измерительной аппаратуры, средств научного

эксперимента и других целей.

Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно

использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутри прибора,

так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки, для

генерирования преобразования и приема эл./магнитных колебаний с частотой до

1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения.

Последовательное практическое освоение спектра эл./магнитных колебаний

является характерной чертой развития электроники.

2. Фундамент развития электроники

2.1 Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII– XIX в.

Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили

академики Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский

ученый Франкель. В 1743 г. Ломоносов в оде "Вечерние размышления о божьем

величие" изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния.

Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов показали на опыте с помощью "громовой

машины", что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды

в воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются в

воздухе и при отсутствии грозы, т.к. и в этом случае из "громовой машины"

можно было извлекать искры. "Громовая машина" представляла собой Лейденскую

банку установленную в жилом помещении. Одна из обкладок которой была

соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленным на

шесте во дворе.

В 1753 г. во время опытов был убит молнией, попавшей в шест, профессор

Рихман, проводивший исследования. Ломоносов создал и общую теорию грозовых

явлений, представляющую собой прообраз современной теории гроз. Ломоносов

исследовал также свечение разряженного воздуха под действием машины с

трением.

В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии –

Василий Владимирович Петров впервые, за несколько лет до английского физика

Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя

угольными электродами. Кроме этого фундаментального открытия, Петрову

принадлежит описание разнообразных видов свечения разряженного воздуха при

прохождении через него электрического тока. Свое открытие Петров описывает

так: "Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут

положены 2 или 3 древесных угля, и если металлическими изолированными

направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать

оные один к другому на расстоянии от одной до трех линий, то является между

ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее

или медлительнее разгораются, и от которого темный покой освещен быть

может. " Работы Петрова были истолкованы только на русском языке,

зарубежным ученым они были не доступны. В России значимость работ не было

понято и они были забыты. Поэтому открытие дугового разряда было приписано

английскому физику Дэви.

Начавшееся изучение спектров поглощения и излучения различных тел привело

немецкого ученого Плюккера к созданию Гейслеровых трубок. В 1857 году

Плюккер установил, что спектр Гейслеровой трубки, вытянутой в капилляр и

помещенной перед щелью спектроскопа, однозначно характеризует природу

заключенного в ней газа и открыл первые три линии так называемой

Бальмеровской спектральной серии водорода. Ученик Плюккера Гитторф изучал

тлеющий разряд и в 1869 году опубликовал серию исследований

эл./проводимости газов. Ему совместно с Плюккером принадлежат первые

исследования катодных лучей, которые продолжил англичанин Крукс.

Существенный сдвиг в понимании явления газового разряда был вызван

работами английского ученого Томсона, открывшего существование электронов и

ионов. Томсон создал Кавендишскую лабораторию откуда вышел ряд физиков

исследователей электрических зарядов газов(Таундсен, Астон, Резерфорд,

Крукс, Ричардсон). В дальнейшем эта школа внесла крупный вклад в развитие

электроники. Из русских физиков над исследованием дуги и практическим ее

применением для освещения работали: Яблочков (1847–1894), Чиколев

(1845–1898), Славянов(сварка, переплавка металлов дугой),

Бернардос(применение дуги для освещения). Несколько позднее исследованием

дуги занимались Лачинов и Миткевич. В 1905 году Миткевич установил природу

процессов на катоде дугового разряда. Не самостоятельным разрядом воздуха

занимался Столетов (1881–1891). Во время его классического исследования

фотоэффекта в Московском университете Столетов для эксперимента построил

"воздушный элемент" (В.Э.) с двумя электродами в воздухе, дающим

электрический ток без включения в цепь посторонних ЭДС только при внешнем

освещении катода. Столетов назвал этот эффект актиноэлектрическим. Он

изучал этот эффект как при повышенном атмосферном давлении, так и при

пониженном. Специально построенная Столетовым аппаратура давала возможность

создавать пониженное давление до 0,002 мм. рт. столба. В этих условиях

актиноэлектрический эффект представлял собой не только фототок, но и

фототок усиленный самостоятельным газовым разрядом. Свою статью об открытии

этого эффекта Столетов закончил так: "Как бы ни пришлось окончательно

сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать

некоторые своеобразные аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но

до сих пор малопонятными, разрядами Гейслеровых и Круксовых трубок. Желая

при моих первых опытах ориентироваться среди явлений представляемых моим

сетчатым конденсатором я невольно говорил себе, что перед мной Гейслеровая

трубка, могущая действовать и без разряжения воздуха с посторонним светом.

Там и здесь явления электрические тесно связанны со световыми явлениями.

Там и здесь катод играет особую роль и по-видимому распыляется. Изучение

актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессы

распространения электричества в газах вообще…" Эти слова Столетова всецело

оправдались.

В 1905 году Эйнштейн дал толкование фотоэффекту, связанного со световыми

квантами и установил закон названный его именем. Таким образом фотоэффект,

открытый Столетовым, характеризует следующие законы:

1) Закон Столетова – количество имитируемых в единицу времени электронов

пропорционально, при прочих равных условиях, интенсивности падающего на

поверхность катода света. Равные условия здесь надо понимать как

освещение поверхности катода монохраматическим светом одной и той же

длины волны. Или светом одного и того же спектрального состава.

2) Максимальная скорость электронов покидающих поверхность катода при

внешнем фотоэффекте определяется соотношением:

- величина кванта энергии монохроматического излучения

падающего на поверхность катода.

- Работа выхода электрона из металла.

3) Скорость фотоэлектронов покидающих поверхность катодов не зависит от

интенсивности падающего на катод излучения.

Впервые обнаружил внешний фотоэффект немецкий физик Герц(1887г.).

Экспериментируя с открытым им электромагнитным полем. Герц заметил, что в

искровом промежутке приемного контура искра, обнаруживающая наличие

электрических колебаний в контуре проскакивает при прочих равных условиях

легче в том случае если на искровой промежуток падает свет от искрового

разряда в генераторном контуре.

В 1881 году Эдисон впервые обнаружил явление термоэлектронной эмиссии.

Проводя различные эксперименты с угольными лампами накаливания, он построил

лампу содержащую в вакууме, кроме угольной нити, еще металлическую

пластинку А от которой был выведен проводник Р. Если соединить провод через

гальванометр с положительным концом нити, то через гальванометр идет ток,

если соединить с отрицательным, то ток не обнаруживается. Это явление было

названо эффектом Эдисона. Явление испускания электронов раскаленными

металлами и другими телами в вакууме или в газе было названо

термоэлектронной эмиссией.

3. 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 350м. 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 Флеминг сконструировал электровакуумный диод. Основными частями

диода (рис. 2) 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(рис. 3). Ее свойства как прибора для усиления и

генерирования высокочастотных колебаний обусловили быстрое развитие

радиосвязи. Если плотность газа наполняющего баллон настолько высока, что

длина свободного пробега электронов оказывается меньше расстояния между

электродами, то электронный поток, проходя через межэлектродное расстояние

взаимодействует с газовой средой в результате чего свойства среды резко

изменяются. Газовая среда ионизируется и переходит в состояние плазмы,

характеризующееся высокой электропроводностью. Это свойство плазмы было

использовано американским ученым Хеллом в разработанном им в 1905 г.

газотроне – мощном выпрямительном диоде наполненном газом. Изобретение

газотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов.

В разных странах стало быстро развиваться производство электронных ламп.

Особенно сильно это развитие стимулировалось военным значением радиосвязи.

Поэтому 1913 – 1919 годы – период резкого развития электронной техники. В

1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного

приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания.

Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые

радиостанции на ламповые, что практически решило проблему радиотелефонии. С

этого времени радиотехника становится ламповой. В России первые радиолампы

были изготовлены в 1914 году в Санкт–Петербурге консультантом русского

общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси,

будущим академиком АН СССР. Папалекси окончил Страсбургский университет,

где работал под руководством Брауна. Первые радиолампы Папалекси из–за

отсутствия совершенной откачки были не вакуумными, а

газонаполненными(ртутными). С 1914 – 1916 гг. Папалекси проводил опыты по

радиотелеграфии. Работал в области радиосвязи с подводными лодками.

Руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. С 1923 –

1935 гг. совместно с Мандельштамом руководил научным отделом центральной

радиолаборатории в Ленинграде. С 1935 года работал председателем научного

совета по радиофизике и радиотехнике при академии наук СССР.

Первые в России электровакуумные приемо–усилительные радиолампы были

изготовлены Бонч – Бруевичем. Он родился в г. Орле (1888 г.). В 1909 году

окончил инженерное училище в Петербурге. В 1914 г. окончил офицерскую

электротехническую школу. С 1916 по 1918 г. занимался созданием электронных

ламп и организовал их производство. В 1918 году возглавил Нижегородскую

радиолабораторию, объединив лучших радиоспециалистов того времени(Остряков,

Пистолькорс, Шорин, Лосев). В марте 1919 года в нижегородской

радиолаборатории началось серийное производство электровакуумной лампы

РП–1. В 1920 году Бонч–Бруевич закончил разработку первых в мире

генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1

кВт. Видные немецкие ученые, ознакомившись с достижениями Нижегородской

лаборатории признали приоритет России в создании мощных генераторных ламп.

Большие работы по созданию электровакуумных приборов развернулись в

Петрограде. Здесь работали Чернышев, Богословский, Векшинский, Оболенский,

Шапошников, Зусмановский, Александров. Важное значение для развития

электровакуумной техники имело изобретение нагреваемого катода. В 1922 году

в Петрограде был создан электровакуумный завод, который слился с

электроламповым заводом "Светлана". В научно–исследовательской лаборатории

этого завода, Векшинским были проведены многосторонние исследования в

области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионным свойствам

катодов, газовыделению металла и стекла и другие).

Переход от длинных волн к коротким и средним, и изобретение

супергетеродина и развитие радиовещания потребовали разработки более

совершенных ламп, чем триоды. Разработанная в 1924 г. и усовершенствованная

в 1926 г. американцем Хеллом экранированная лампа с двумя сетками (тетрод),

и предложенная им же 1930 г. электровакуумная лампа с тремя сетками

(пентод), решили задачу повышения рабочих частот радиовещания. Пентоды

стали самыми распространенными радиолампами. Развитие специальных методов

радиоприема вызвало в 1934–1935 годах появления новых типов многосеточных

частотопреобразовательных радиоламп. Появились также разнообразные

комбинированные радиолампы, применение которых позволило значительно

уменьшить число радиоламп в приемнике. Особенно наглядно взаимосвязь между

электровакуумной и радиотехникой проявилась в период, когда радиотехника

перешла к освоению и использованию диапазона УКВ (ультракороткие волны –

метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые диапазоны). Для этой

цели, во–первых, были значительно усовершенствованы уже известные

радиолампы. Во–вторых, были разработаны электровакуумные приборы с новыми

принципами управления электронными потоками. Сюда относятся

многорезонаторные магнетроны(1938г), клистроны(1942г), лампы обратной волны

ЛОВ (1953г). Такие приборы могли генерировать и усиливать колебания очень

высоких частот, включая миллиметровый диапазон волн. Эти достижения

электровакуумной техники обусловили развитие таких отраслей как

радионавигация, радиолакация, импульсная многоканальная связь.

Советский радиофизик Рожанский в 1932 г. предложил создать приборы с

модуляцией электронного потока по скорости. По его идее Арсеньев и Хейль в

1939 г. построили первые приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ

(сверх высокие частоты). Большое значение для техники дециметровых волн

имели работы Девяткова, Хохлова, Гуревича, которые в 1938 – 1941 годах

сконструировали триоды с плоскими дисковыми электродами. По этому же

принципу в Германии были изготовлены металлокерамические лампы, а в США

маячковые лампы.

Созданные в 1943г. Компфнером лампы бегущей волны(ЛБВ) обеспечили

дальнейшее развитие СВЧ систем радиорелейной связи. Для генерации мощных

СВЧ колебаний в 1921 г. был предложен магнетрон, его автор Хелл. По

магнетрону исследования проводили русские ученые – Слуцкий, Грехова,

Штейнберг, Калинин, Зусмановский, Брауде, в японии – Яги, Окабе.

Современные магнетроны берут свое начало в 1936 – 1937 годах, когда по идее

Бонч–Бруевича его сотрудники, Алексеев и Моляров, разработали

многорезонаторные магнетроны.

В 1934 году сотрудники центральной радиолаборатории, Коровин и Румянцев,

провели первый эксперимент по применению радиолакации и определению

летящего самолета. В 1935 г. теоретические основы радиолакации были

разработаны в Ленинградском физико–техническом институте Кобзаревым.

Одновременно с разработкой вакуумных электроприборов, на втором этапе

развития электроники, создавались и совершенствовались газоразрядные

приборы.

В 1918 г. в результате исследовательской работы доктора Шретера немецкая

фирма "Пинтш" выпустила первые промышленные лампы тлеющего разряда на 220

В. начиная с 1921 года голландская фирма Philips выпустила первые неоновые

лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первые миниатюрные неоновые лампы

появились в 1929 г.

В 1930 году Ноулз впервые опубликовал описание неоновой лампы тлеющего

разряда, в которой возникновение разряда между анодом и катодом вызывается

третьим электродом. Первый тиратрон тлеющего разряда (рис. 4), который

нашел широкое применение, сконструировал в 1936 году изобретатель фирмы

"Белл Телефон". В то время он именовался "Лампа – 313А". В этом же году

другой изобретатель – Витли, предложил свою конструкцию тиратрона. Где с

помощью тока ( Ic ) управляющего электрода (с) создается необходимый

начальный уровень концентрации электронов и ионов, в вакуумном промежутке

анод – катод. Этот уровень обеспечивает появление тлеющего разряда. Этот же

эффект используется в декатроне, предложенном фирмой "Эриксон". Декатрон

представляет собой десятикатодный переключатель(рис. 5), состоящий из

одного анода (А) и десяти катодов (К1, К2, К3…, К10) и расположенных между

катодами подкатодов (1, 2). Заряд переносится с одного катода на другой

путем последовательной подачи пар управляющих импульсов на подкатоды. Пусть

существует тлеющий заряд между катодом К1 и анодом А, если потенциал

подкатода 1 будет ниже, чем К1 заряд перекинется на подкатод 1. Подавая

отрицательный импульс на подкатод 1 и следом на 2, переносят заряд на К1 и

К2.

Первый советский тиратрон тлеющего разряда был разработан в 1940 году в

лаборатории завода "Светлана". По своим параметрам он был близок к

параметрам фирмы "RCA". Свечение, сопровождающее газовый разряд, стали

использовать в знаковых газоразрядных индикаторах: при подаче напряжения на

тот или иной катод (знак) возникает светящееся изображение.

В 30–е годы были заложены основы радиотелевидения. Первые предложения о

специальных передающих трубках сделали независимо друг от друга

Константинов и Катаев. Подобные же трубки названные иконоскопами построил в

США Владимир Константинович Зворыкин. В 1912 г. он окончил Петербургский

экономический институт. В 1914 г. колледж "Де Франс" в Париже. В 1917

эмигрировал в США. В 1920 г. поступил в фирму "Вестингаус Электрик". В 1929

г. возглавил лабораторию американской радиокорпорации "Камдем и Пристон". В

1931 г. Зворыкин создал первый иконоскоп – передающую трубку, которая

сделала возможным развитие электронных телевизионных систем. В 1933 г.

Шмаков и Тимофеев предложили более чувствительные передающие трубки –

супериконоскоп. Позволивший вести телевизионные передачи без сильного

искусственного освещения. Шмаков родился в 1885 г., в 1912 г. закончил МГУ,

работал (1924–30 гг.) в МВТУ, (1930–32 гг.) работал в МЭИ, в 1933 изобрел

супериконоскоп, (1935 – 37 гг.) заведовал лабораторией в Всесоюзном НИИ

телевидения в Ленинграде. Тимофеев родился в 1902 г., в 1925 г. закончил

МГУ, (1925–28 гг.) работал в МВТУ, в 1933 г. вместе со Шмаковым изобрел

иконоскоп. Остальные труды относились к области: фотоэффекта, вторичной

электронной эмиссии, разрядов в газах, электронной оптики. Разработал

конструкции электронных умножителей, электронно–оптических

преобразователей.

В 1939 г. советский ученый Брауде предложил идею создания еще более

чувствительной передающей трубки названной суперортикон. К 1930 годам

относятся первые эксперименты с очень простыми передающими устройствами

получившими название видикон. Идея создания видикона была выдвинута

Чернышевым в 1925 году. Первые практические образцы видиконов появились в

США в 1946 г.

Иконоскоп (рис. 7) представляет собой электроннолучевую трубку в которой с

помощью электронного луча и светочувствительной мозаики происходит

преобразование световой энергии в электрические видеоимпульсы. Иконоскоп

имеет стеклянный баллон (4) в котором находится светочувствительная мозаика

(6), состоящая из нескольких миллионов изолированных друг от друга зерен

серебра (Ag) покрытых цезием (Cs). Мозаика наносится на тонкую слюдяную

пластинку размером 100х100 мм. На обратной стороне слюдяной пластины

находится сигнальная пластина (5), представляющая собой миниатюрный

фотокатод, излучающий свободные электроны под действием света. Каждое зерно

светочувствительной мозаики совместно с сигнальной пластиной можно

рассматривать как элементарный конденсатор со слюдяным диэлектриком. При

освещении мозаики через линзу (2) светом отраженным от передаваемого

изображения (1), мозаика превращается в систему конденсаторов заряд которых

пропорционален освещенности соответствующих зерен. Свободные электроны

эмитируемые фотокатодом (5) собираются коллектором (3) на который падает

положительное по отношению к сигнальной пластине напряжение. Коллектором

служит проводящий слой нанесенный на внутреннюю стенку иконоскопа.

Электронный прожектор (8) создает луч, который с помощью отклоняющей

системы (7) построчно обегает все зерна мозаики и снимает с них

положительный заряд. Свободные электроны электронного луча занимают место

электронов вылетевших из мозаики в результате фотоэлектронной эмиссии.

Разряд микроскопических конденсаторов вызывает прохождение токов через

резистор нагрузки (Rн) и цепь катода (К) электронного прожектора. Падение

напряжения на резисторе (Rн) пропорционально освещенности элементарных

участков мозаики с которых в данный момент электронный луч снимает

положительный заряд. Недостатком иконоскопа является малый КПД и низкая

чувствительность. Для работы такого иконоскопа требуется очень большая

освещенность передаваемого объекта.

На (рис. 8) приведена принципиальная схема видикона. На внутреннюю

торцевую поверхность баллона видикона наносится полупрозрачный слой золота,

исполняющего роль сигнальной пластины (9). На этот слой наносится

фоторезист (8) – это кристаллический Селен или трехсернистая Сурьма.

Свободные электроны, излучаемые катодом (К), формируются в электронный луч

с помощью управляющего электрода (11) и двух ускоряющих анодов (5 и 6).

Фокусировка луча осуществляется с помощью фокусирующей катушки (3). Сетка

(7) расположенная перед фоторезистом создает однородное тормозящее поле,

которое препятствует к образованию ионного пятна и обеспечивает нормальное

падение электронного луча. Отклоняющие катушки (4) питаются пилообразными

токами и заставляют электронный луч построчно обегать рабочий участок

фоторезиста(8). Корректирующие (1) и центрирующие (2) катушки дают

возможность перемещать электронный луч в 2–х взаимно перпендикулярных

областях. Электропроводность фоторезиста зависит от его освещенности.

Электронный луч, попадая на поверхность мишени, выбивает вторичные

электроны, число которых больше, чем первичных, потому поверхность мишени,

обращенная к электронному прожектору, заряжается положительно до

потенциала, близкого потенциалу ускоряющего анода (5). Потенциалы другой

стороны мишени, обращенной к передаваемому изображению, близки к потенциалу

сигнальной пластины. Каждый элемент мишени можно рассматривать как

конденсатор с потерями, электропроводность, которого зависит от

интенсивности освещения. Изменение потенциала элементов мишени электронным

лучом и является видеосигналом снимаемым с резистора нагрузки Rн.

Напряжение снимаемое с резистора Rн пропорционально освещенности того

элемента на котором в данный момент находится электронный луч.

4. Третий период развития электроники

4.1 Изобретение точечного транзистора.

Третий период развития электроники – это период создания и внедрения

дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного

транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа

во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников

на Кремнии (Sc) и Германии (Ge) [Литература: Дж. Грик "Физика XX в.

Ключевые эксперименты", М. 1978 г.] Группа проводила как теоретические, так

и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела

двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В

итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы –

транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были

разделены на:

- униполярные (полевые), где использовались однополярные

носители.

- биполярные, где использовались разнополярные

носители(электроны и дырки).

Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но

практически реализовать эти идеи не удавалось. Успех был достигнут 23

декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории "Белл Телефон"– Бардиным и

Браттейном, под руководством Шокли. Бардин и Браттейн в результате

многочисленных вариантов получили работающий полупроводниковый прибор.

Информация об этом изобретении появилась в журнале "The Physical Review" в

июле 1948 года. Вот как об этом изобретении писали сами авторы: "Приводится

описание трехэлементного электронного устройства, использующего вновь

открытый принцип, который основан на применение полупроводника в качестве

основного элемента. Устройство может быть использовано, как усилитель,

генератор и в других целях, для которых обычно применяются вакуумные

электронные лампы. Устройство состоит из трех электродов размещенных на

германиевом блоке, как показано на Рис. 4.1

Два из этих электродов называющиеся, эмиттером (Э) и коллектором (К),

являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в

непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности. Третий

электрод, большой площади и маленького радиуса, нанесен на основание – базу

(Б). Использовался Ge n–типа. Точечные контакты изготовлялись как из

Вольфрама так и из фосфористой бронзы. Каждый точечный контакт в

отдельности вместе с электродом базы образует выпрямитель с высоким

обратным сопротивлением. Ток, направление которого по отношению ко всему

объему кристалла является прямым, создается дырками т.е. носителями,

имеющими противоположный знак по отношению к носителям обычно

присутствующим в избытке внутри объема Ge. Когда два точечных контакта

расположены очень близко друг к другу и к ним приложено постоянное

напряжение, контакты оказывают взаимное влияние друг на друга. Благодаря

этому влиянию возможно использовать данное устройство для усиления сигнала

переменного тока. Электрическая цепь с помощью которой можно этого добиться

показана на Рис. 4.1 К эмиттеру приложено небольшое положительное

напряжение в прямом направлении, которое вызывает ток в несколько

миллиампер через поверхность. К коллектору прикладывается обратное

напряжение, достаточно большое для того чтобы ток коллектора был равным или

больше тока эмиттера(Ik ? Iэ). Знак напряжения на коллекторе таков, что он

притягивает дырки идущие от эмиттера. В результате большая часть тока

эмиттера проходит через коллектор. Коллектор создает большое сопротивление

для электронов текущих в полупроводник, и почти не препятствует потоку

дырок в точечный. Если ток эмиттера модулировать напряжением сигнала, то

это приводит к соответствующему изменению тока коллектора. Была получена

большая величина отношения выходного напряжения к входному, такого же

порядка, что и отношение импедансов, выпрямляющего точечного контакта в

обратном и прямом направлении. Таким образом возникает соответствующее

усиление мощности выходного сигнала. Получили выигрыш в мощности в 100 раз.

Подобные устройства работали как усилители при частотах вплоть до 10

МГц(мегагерц)."

Устройство изобретенное Бардиным и Браттейном было названо точечным

транзистором типа А и представлял собой конструкцию представленную на Рис.

4.2 Где (1) кристалл Германия, (2) вывод эмиттера, (3) вывод базы. Усиление

сигнала осуществлялось за счет большого различия в величинах сопротивления,

низкоомного входного и высокоомного выходного. Поэтому создатели нового

прибора назвали его сокращенно – транзистором (в пер. с английского –

"преобразователь сопротивления").

4.2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора.

Одновременно, в период апрель 1947 – январь 1948 г., Шокли опубликовал

теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые

выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход

между областями p- и n- типа.(Рис. 4.3)

Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем,

обладает малым сопротивлением, когда р-область – положительна по отношению

к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить

теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает

большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С

другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость.

Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла

полупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 4.4) Положительная р-

область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-область

представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных

контактов используются две p-n области. В точечном транзисторе два

металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко

друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться

очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая – менее 25 мкм.

Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они

более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов,

обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как

усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор

обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-p транзистора условие

соответствует – положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для n-

p-n – обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер и положительный

коллектор.

Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития

электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям

Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

Страницы: 1, 2