Этапы развития электронных устройств

Элементная база электроники

Литература

Основная

1. Основы промышленной электроники под редакцией В.Г. Герасименко М. ВШ, 1986 г.

2. Изьюрова .И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной электроники. М.В.Ш., 1967 г.

3. Криштафович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. М. ВШ, 1985г.

Дополнительная

1. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы. М. ВШ, 1979 г.

2. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л. Энергопромиздат, 1989 г.

Основные понятия и определения из электроники

Как раздела науки и техники.

Электроника— область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных устройств и принципов их использования. В основе развития электроники ле­жит непрерывное усложнение функций, выполняемых электрон­ными устройствами. На определенных этапах становится невозмож­ным решать новые задачи электронными устройствами предыду­щего поколения, или устройствами на основе существующей эле­ментной базы, например с помощью электронных ламп или диск­ретных транзисторов. Таким образом, появляются предпосылки для дальнейшего совершенствования элементной базы. Основными факторами, вызывающими необходимость разработки электрон­ного устройства на новой элементной базе, являются надежность, габаритные размеры, масса, стоимость и мощность.

Электронное устройство — это изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы электроники.

Этапы развития электронных устройств

В зависимости от применяемой элементной базы можно выде­лить четыре основных поколения развития электронных устройств.

I поколение электроники (1904— 1950) характерно тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли элек­тровакуумные приборы. В таких приборах рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами); действие таких приборов основано на ис­пользовании электрических явлений в вакууме или газе. Наиболее широ­ко в элементной базе электронных устройств I поколения приме­нялись электронные лампы— электровакуумные приборы, пред­назначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габаритные размеры и массу. Число эле­ментов в единице объема (плотность монтажа) электронных уст­ройств I поколения составляло у = 0,001 ...0,003 эл/см³. Сборка та­ких электронных устройств осуществлялась, как правило, вруч­ную путем соединения электровакуумных приборов между собой и с соответствующими пассивными элементами (резистивными, индуктивными и емкостными) при помощи проводов.

II поколение электронных приборов (1950 — начало 1960-х гг.) характеризуется применением в качестве основной эле­ментной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Сборка электронных устройств II по­коления осуществлялась обычно автоматически с применением пе­чатного монтажа, при котором полупроводниковые приборы и пас­сивные элементы располагаются на печатной плате — диэлектри­ческой пластине с металлизированными отверстиями (для подсо­единения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединенными между собой проводниками. Проводники выпол­нялись путем осаждения медного слоя на плату по заранее задан­ному печатному рисунку, соответствующему определенной элект­ронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II поко­ления за счет применения малогабаритных элементов составляла у = 0,5 эл/см³.

Появление полупроводниковых приборов ознаменовало начало научно-технической революции, развитие которой все более ус­коряющимися темпами продолжается и в настоящее время.

III поколение электронных устройств (1960—1980) связа­но с бурным развитием микроэлектроники— раздела электрони­ки, охватывающего исследование и разработку качественно ново­го типа электронных приборов и принципов их применения. Осно­вой элементной базы этого поколения электронных устройств ста­ли интегральные микросхемы и микросборки.

Интегральная микросхема, или интегральная схема(ИС), пред­ставляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных эле­ментов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.), изго­товленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выпол­няющих определенную функцию преобразования информации

Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств — набор печатных плат, на которые монтируют и микросборки. Плотность монтажа электронных устройств III поколения у = 50 эл/см³.

Этот этап развития электронных устройств характеризуется не только резким уменьшением габаритных размеров, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надежности, в том числе за счет сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, когда уже отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме. Плотность монтажа элек­тронных устройств IV поколения у ~ 1000 эл/см³ и выше. Основу БИС и СБИС составляют элементы, принцип действия которых основан на использовании свойств прохождения электрического тока через полупроводниковые материалы.

30 августа 2004 г. корпорация Intel сделала значительный шаг в развитии технологии производства микросхем нового поколения, создав первые полнофункциональные микросхемы памяти стандарта SRAM (Static Random Access Memory) емкостью 70 Мбит, содержащих более 0,5 млрд транзисторов, на базе 65-нанометровой технологии. Благодаря этому достижению корпорация Intel продолжает выполнять свой план по разработке новой производственной технологии каждые два года в соответствии с законом Мура.

Транзисторы в полупроводниковых микросхемах, изготавливаемых по новой 65-нанометровой технологии (нанометр – одна миллиардная часть метра), имеют затворы (переключатели, включающие и выключающие транзисторы) размером 35 нм, что приблизительно на 30% меньше, чем при производстве по 90-нанометровой технологии. Для сравнения, на диаметре красного кровяного тельца человека можно разместить около 100 таких затворов.

Новая производственная технология увеличивает количество крошечных транзисторов, помещающихся на одной микросхеме, и дает корпорации Intel основу для создания процессоров будущего, содержащих несколько ядер, а также возможность разработки инновационных функций для новых моделей продукции, в том числе функций виртуализации и безопасности. Новая 65-нанометровая производственная технология корпорации Intel также включает ряд функций, обеспечивающих энергосбережение и повышение производительности.

В апреле 1965 года Гордон Мур, занимавший в ту пору должность директора отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, в статье для журнала Electronics дал прогноз развития микроэлектроники, получивший вскоре название закона Мура. Он сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство - все более массовым.

По своей сути закон Мура является не законом природы, а, скорее, эмпирическим правилом. В своей первоначальной формулировке он действовал до 1975 года, когда, выступая на конференции "International Electron Devices Meeting", Гордон Мур внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. И опять он оказался прав, разве что в последние годы количество транзисторов на микропроцессоре порой удваивается с интервалом в полтора года.

Любопытные факты и цифры

В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000.

Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.

За время существования корпорации Intel (т.е. с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак - например, запятую.

В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн. транзисторов.

Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду.

В 2005 году начнется производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год - внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм.

4. Клас­сификации электронных приборов и устройств.

Элементной базой современных электронных устройств являются электровакуумные и полупроводниковые приборы.

Электровакуумные приборы – электронные приборы, в которых проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные.

Электронные - через них проходят электроны, не создавая ионизации. Длина свободного пробега электрона больше расстояния между электродами, давление 10^{-6 мм рт. ст.}

Ионные (газоразрядные) - создается ионизация, давление 10^{-3 мм рт. ст.)}

В н.в. применение электронных ламп ограничено в связи с развитием полупроводниковой техники. Однако при больших частотах и мощностях лампы еще находят широкое применение.

Полупроводниковые приборы – электронные приборы,в которых применяются вещества, проводимость которых зависит от их кристаллической решетки и внешних воздействий (температура, свет, эл. поле, потоки быстрых частиц).

Полупроводниковые приборы подразделяются на:

Диоды

Транзисторы

Фотоприборы

Индикаторные приборы.

Индикаторными приборами называют приборы, предназначенные для визуального представления информации.

фотоэлектрическими называют электронные приборы, преобразующие энергию светового излучения в электрическую энергию.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешнего излучения.

Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен дополнительной линзой, создающей внешний световой поток, направленный, как правило, перпендикулярно плоскости p-n-перехода.

Фототранзистор по структуре аналогичен структуре биполярного транзистора. Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод.

Оптоэлектронный прибор содержит одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и выходным параметром является электрический сигнал, причем гальваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцентный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры, управления и высоким кпд. В качестве приемника оптопары находят применение рассмотренные, выше фотоэлектрические приборы: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др.

Поиск по сайту: