 |
Двухэлектродная электронная лампа
|
|
|
|
Двухэлектродные электронные лампы-диоды применяются для выпрямления переменных токов. При этом более мощные лампы, используемые в качестве силовых выпрямителей, называют обычно кенотронами, а название «диод» сохраняют за детекторными лампами, применяемыми для выпрямления высокочастотных сигналов. Диод, как и всякая электронная лампа, представляет собой стеклянный или металлический баллон. Внутри баллона помещаются электроды-катод, нагреваемый протекающим по нему током и испускающий электроны, и анод. Катод имеет обычно форму тонкой нити (лампы прямого накала) или металлической трубочки, внутри которой проходит изолированная фарфоровой «рубашкой» нить накала (лампы косвенного накала или подогревные) (рисунок 4).
Рисунок 4- электровакуумный диод
Электронная лампа, имеющая три электрода, называется триодом.
Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спирали, который называется сеткой.Анод, сетка и катод присоединяются, как и у диода, к штырькам цоколя лампы.
По своему расположению сетка мешает или помогает электронам, вылетевшим с катода, достигнуть анода. Между сеткой и катодом включается напряжение, которое называется сеточным напряжением Uc. Когда напряжение на сетке триода равно нулю лампа работает как диод. Приложенное между сеткой и катодом напряжение Uссоздает дополнительное электрическое поле, воздействующее на летящие от катода к аноду электроны. Если это напряжение отрицательно, то вылетающие из катода электроны оказываются под действием притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заряженной сетки. Трёхэлектродная лампа-триод представлена на рисунке 5.
|
|
|
Рисунок 5-трёхэлектродная лампа-триод
В 1919 году лаборатории были изготовлены первые образцы отечественные приемно-усилительных радиолампы, а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением.
В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семи мильными шагами. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды), в 1930г.- пятиэлектродные (пентоды), в 1935г.-многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды).
Транзистор
Транзистор является трехэлектродным полупроводниковым прибором (рисунок 6). Его основой (базой), как и у полупроводникового диода, которому был посвящен третий практикум, служит пластинка полупроводника, но в объеме этого полупроводника искусственно созданы две противоположные ему по - электропроводности области. Пластинка полупроводника и две области в ней образуют два р-nперехода. Если две крайние области обладают электропроводностью R-типа, а пластинка электропроводностью n-типа, такой транзистор имеет структуру р-n-р. Если, наоборот, электропроводность крайних областей «-типа, а пластинки-р-типа, такой транзистор имеет структуру n-р-n.
Рисунок 6- принцип действия биполярных транзисторов
Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов-транзисторов, способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.
|
|
|
Интегральные микросхемы
Четвертый период развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века.
Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем, совместивших в едином технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции БИС достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств-микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе. Интегральная микросхема - это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные - элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч (рисунок 7). По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.
Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические - для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.
Рисунок 7-интегральные микросхемы
Далее развитие электроники идет по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надежности, экономичности электронных приборов и интегральных микросхем ИМС, улучшения их качественных показателей, уменьшения разброса параметров, расширения частотного и температурного диапазонов. Начатая в 50-е годы «транзисторизация» электронного оборудования и на ближайшие годы останется символом полупроводниковой электроники в ее качественно новом виде - интегральной электронике. Важное значение приобретает развитие нового направления электроники - оптоэлектроники, сочетающей электрические и оптические способы преобразования и обработки сигнала (преобразование электрического сигнала в оптический, а затем оптического снова в электрический).
|
|
|
В передовых областях современной электроники, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. В последние годы улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов. С увеличением скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и с тех пор увеличивается лишь «многоядерность», что собственно по сути является топтанием на месте.
В ближайшее десятилетие должны быть обнародованы графеновые разработки, особенно в этом продвинулись некоторые российские институты благодоря расшифровки информации от предыдущего цикла, названия которых я пока указать не могу.
Графен - это полупроводниковый материал, повторно открытый лишь 2004 году. В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трех устойчивых состояниях. Для аналогичного решения в кремниевом исполнение, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги (рисунок 8).
Рисунок 8- структура графена
Еще одним важным преимуществом графеновых полупроводников является их способность работать на высоких частотах.
Причем, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.
Ученые из США продемонстрировали возможность создания контролируемых плазмонов в графене. Это открытие позволит создавать электронные цепи нового типа, микроскопы с очень большим разрешением и метаматериалы следующего поколения. Группа ученых из Университета Калифорнии под руководством Дмитрия Басова утверждает, что возможность распространения поверхностных плазмонов (квантов колебаний плотности электронной плазмы, сопровождающихся продольными колебаниями электрического поля) по графену – важный шаг на пути передачи информации в структурах, в которых недостаточно велико пространство для передачи света. Ученые также показали, что с помощью электрического тока можно управлять длиной и амплитудой этих электронных волн.
|
|
|
В экспериментах использовались плоскости графена, нанесенные на основу из диоксида кремния. Графен освещали инфракрасным лазером и производили измерения с применением сверхчувствительного атомно-силового микроскопа. Собственно электронные волны измерить не представлялось возможным, поэтому фиксировалась картина интерференции колебаний, порожденных светом лазера, и их отражения от краев графена. Оказалось, что интерференционный рисунок можно изменять, управляя электрической цепью из электродов, которые присоединялись к слою графена и слою чистого кремния под кристаллами (рисунок 9).
Рисунок 9-плоскость графена для эксперимента
Плазмоны, как и свет, который используется для переноса информации по оптоволокну, могут служить для передачи данных. Наилучшим материалом для создания плазмонов считаются металлы, однако эти квазичастицы очень трудно контролировать.
Басов утверждает, что наблюдавшиеся плазмоны имели одну из самых коротких длин волн среди измеренных до сих пор, но распространялись так же далеко, как и плазмоны в металлах. Однако, в отличие от последних, плазмонами в графене можно управлять.
Квантовая электроника
Квантовая электроника- область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения, основанные на использовании явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах, а также свойства получаемых таким образом усилителей и генераторов и их применения в электронных приборах.
Наиболее важные направления квантовой электроники — создание лазеров и мазеров. На основе приборов квантовой электроники строятся устройства для точного измерения расстояний (дальномеры), квантовые стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии. Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии. Лазеры находят различное применение в биологии и медицине.
Электроника находится в стадии интенсивного развития; для неё характерно появление новых областей и создание новых направлений в уже существующих областях.
|
|
|
Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путём создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10-11сек; увеличения степени интеграции на одном кристалле до миллиона транзисторов размером 1—2 мкм; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей (см. Оптоэлектроника), сверхпроводников; разработки запоминающих устройств ёмкостью несколько мегабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к микроЭВМ на одном кристалле); перехода от двумерной (планарной) технологии интегральных схем к трёхмерной (объёмной) и использования сочетания различных свойств твёрдого тела в одном устройстве; разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения, обладающего большей информативностью по сравнению с обычным; создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи; разработки мощных, с высоким кпд, приборов СВЧ и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития электроники — проникновение её методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). По мере развития электроники и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения электроники во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль электроники в ускорении научно-технического прогресса.
Список литературы
- http://www.texnic.ru/tools/stud/l/l004.htm
- http://www.radioland.net.ua/contentid-101.html
- http://lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0125638:article
- http://studopedia.su/17_27715_istoriya-razvitiya-elektroniki.html
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовая_электроника
- http://pandia.ru/text/77/130/676.php
|
|
|
