Введение

Основные сведения об электронных приборах. Важнейшими направлениями научно-технического прогресса являются освоение передовых технологий, включая лазерную, плазменную и пучковую, и автоматизация, и механизация производства. Современный этап решения задач в рамках этих направлений опирается на революцию в электронно-вычислительной технике. Для того чтобы обеспечить глубокие качественные изменения в производительных силах, создание принципиально новых видов продукции, техники и технологии, необходимо интенсивное развитие и расширение исследований в области естественных и технических наук, включая физику твердого тела, микро- и квантовую электронику и оптику, радиофизику и радиоэлектронику, от уровня развития которых зависит общий индустриальный и научный потенциал общества, включая достижения в автоматизации производства, развитии принципиально новых технологий, освоении космоса, вычислительной технике, медицине, искусстве, телевидении и т. д.

Таким образом, характеристики радиоэлектронных информационных систем, которые осуществляют накопление, передачу, хранение и переработку информации, представляемой в форме различного рода информационных сигналов, определяются уровнем развития электроники.

Электроника — это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями, о методах, охватывающих исследование и разработку электронных приборов, и о принципах их использования. Информационный сигнал формируется за счет изменения параметров какого-либо физического процесса. Для передачи и обработки больших объемов информации наиболее часто сигналы формируются с помощью электрического тока (или напряжения) и электромагнитного излучения. Процесс обработки информации в том или ином виде осуществляется посредством электронных приборов.

Электронные приборы — это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твердом теле, жидкости, вакууме, газе или плазме. Электронные приборы используются как элементы радиоэлектронной аппаратуры, не подлежащие сборке, разборке и ремонту.

Основные наиболее общие функции, выполняемые приборами, состоят в преобразовании либо информационных сигналов, либо энергии. В качестве примеров преобразования энергии можно привести преобразование солнечной энергии в электрическую, тепловой в электрическую, преобразования переменного тока в постоянный и наоборот.

Само название "электронные приборы" связано с тем, что все процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо только за счет движения электронов, либо при их непосредственном участии. Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, выделение их на фоне шумов.

Наиболее часто электронные приборы классифицируются по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, по роду рабочей среды и т. д.

В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяются на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустические и механоэлектрические.

В электропреобразовательных приборах происходит преобразование электрических сигналов, в электросветовых приборах электрические сигналы преобразуются в оптические (световые), в фотоэлектрических и термоэлектрических соответственно оптические и тепловые сигналы преобразуются в электрические, в акустоэлектронных приборах электрические сигналы преобразуются в акустические. Механоэлектрические преобразуют механический сигнал в электрический.

Электропреобразовательные приборы представляют самую большую группу электронных приборов. К ним относятся различные типы полупроводниковых диодов, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, электровакуумные лампы — диоды, триоды, тетроды, пентоды ит.д.; газоразрядные приборы — стабилитроны, газотроны, тиратроны и т. д. К электросветовым — светодиоды, люминесцентные конденсаторы, лазеры, электронно-

лучевые трубки. К фотоэлектрическим — фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные батареи и ряд других. К термоэлектрическим — полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы. К акустоэлектрическим — акустоэлектрические усилители и генераторы, фильтры, линии задержки на поверхностных акустических волнах и др.

По виду рабочей среды различают следующие классы приборов: полупроводниковые, твердотельные, электровакуумные, газоразрядные, хемотронные (рабочая среда — жидкость).

В зависимости от назначения и выполняемых функций электронные приборы разделяются на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, преобразовательные, индикаторные и т. д. По диапазону рабочих частот — на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности — на маломощные, средней мощности и мощные.

Основные понятия о режимах и параметрах электронных приборов. Понятие режима электронного прибора включает совокупность условий, определяющих его работу. Если режим работы прибора соответствует требованиям нормативно-технической документации для эксплуатации прибора данного типа, то такой режим называют типовым. Любой режим определяется совокупностью величин, которые называют параметрами. Параметром режима электронного прибора называется любая величина, характеризующая режим прибора; например, электрические параметры режима — это токи, напряжения и т. д. Различают электрический режим, который определяет величины напряжений на электродах и токи в их цепях, механический режим — это совокупность механических воздействий на работающий прибор (удары, тряска и т. п.), и климатический режим, который определяет интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, уровень радиации и т. д. Механические и климатические воздействия на электронные приборы определяют допустимые уровни влияния окружающей среды (см. гл. 15).

Упомянутые параметры электрического режима относятся к функциональныму к которым в зависимости от вида энергии сигнала относятся также электромагнитные у световые, тепловые и другие параметры. Численные значения функциональных параметров, установленные нормативно-технической документацией, называются номинальными значениями. Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом. Кроме номинальных, для электронных приборов рассматривают предельные параметры, которые характеризуют предельно допустимые режимы работы прибора, например, максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимую мощность, рассеиваемую электродом или прибором в целом, и т. д.

К электродам электронных приборов подключаются источники как постоянных, так и переменных напряжений. Если прибор работает при постоянных напряжениях на электродах, то такой режим работы называют статическим. В этом случае все параметры режима не изменяются во времени. Режим работы прибора, при котором хотя бы один из параметров режима изменяется во времени, называется динамическим.

Иногда параметры прибора изменяются во времени настолько медленно по сравнению с временем движения носителей в рабочем пространстве, что в каждый момент времени они несущественно отличаются от статических, т. е. для прибора остаются практически справедливыми законы статического режима. В этом случае режим работы называют квазистатическим.

Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора, которыми называются физические величины, характеризующие общие свойства прибора (например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные емкости и т. д.).

Зависимость какого-либо параметра режима или параметра прибора, который принят в качестве функции, от другого параметра, взятого в качестве аргумента, при условии, что все остальные величины остаются неизменными, называется характеристикой электронного прибора. Совокупность характеристик при различных фиксированных значениях независимого третьего параметра называют семейством характеристик. Важнейшими характеристиками электронных приборов являются статические характеристики, отображающие зависимость тока в цепи какого-либо электрода от напряжения на любом электроде в статическом режиме. Часто названия статических характеристик связывают с названием электродов, например, анодные, эмиттерные и т. д. Помимо этого, существуют также и обобщенные названия семейств статических характеристик, без указания названий электродов, например, входные, выходные и т. д.

Краткий исторический очерк развития электронных приборов.

История создания электронных приборов базируется на открытиях и исследованиях физических явлений, связанных с взаимодействием свободных электронов с электромагнитными полями и веществом. Поэтому первые работы М. В. Ломоносова, Г. В. Рихмана (Россия) и Б. Франклина (США) в конце XVIII в. по исследованию электричества могут быть отнесены к началу возникновения электроники. Открытие электрической дуги академиком В. В. Петровым в 1802 г. является началом технического использования электричества. Работы как отечественных, так и зарубежных ученых в течение XIX в. создали фундамент электроники. Среди наиболее важных достижений можно отметить труды А. Ампера и М. Фарадея, установивших законы движущегося электричества и электромагнитной индукции, создание теории электромагнетизма М. Максвеллом и теории электронов Г. А. Лоренцем, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем. Первый в мире электровакуумный прибор — лампа накаливания — изобретена А. И. Лодыгиным (Россия) и усовершенствована Т. А. Эдисоном (США). Важными работами для создания электронных приборов несомненно являются открытие фотоэлектронной эмиссии русским ученым А. Г. Столетовым и термоэлектронной эмиссии Т. А. Эдисоном. Большое влияние на развитие электроники оказали работы А. С. Попова, К. Ф. Брауна, Д. Томсона, О. У. Ричардсона, А. Эйнштейна и др., выполненные в конце XIX и начале XX в. В начале XX в. были изобретены электровакуумные диоды и триоды, газотроны. В 1907 г. русский ученый Б. Л. Розинг предложил использовать электронно-лучевую трубку для приема изображений, что может считаться началом телевидения. Много сделали для развития отечественной электроники русские ученые и инженеры В. И. Коваленков, А. Д. Папалекси, М. А. Бонч-Бруевич, О. В. Лосев. В советский период значительный вклад внесли А. А. Чернышев, который выдвинул идею создания видикона, Л. А. Кубецкий — изобретатель фотоэлектронного умножителя, А. П. Константинов и С. И. Котов — авторы приемной телевизионной трубки иконоскопа и др.

Революционные открытия были сделаны в послевоенный период (1940—1960-х гг.). В 1948 г. американские ученые Д. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли предложили биполярный транзистор. В 1950-е г. изобретены: полевой транзистор с р—я переходом, солнечные батареи, оптроны, туннельные диоды, тиристоры и др. В 1960 г. Д. Кинг и М. Аттала создали МОП-транзистор, а в 1966 г. С. Мид разработал полевой транзистор с барьером Шоттки.

В 1960—1970-е гг. большую роль в создании полупроводниковых приборов с гетеропереходами сыграли работы академика Ж. И. Алферова, за которые ему была присуждена в 2000 г. Нобелевская премия.

Что касается приборов квантовой электроники, то впервые вопрос о квантовом взаимодействии между светом и средой был рассмотрен в 1916 г. А. Эйнштейном, который показал, что между средой, состоящей из молекул (атомов), и светом постоянно происходит обмен энергией, сопровождающийся рождением (испусканием) одних и уничтожением (поглощением) других квантов света. При этом Эйнштейн впервые теоретически обосновал существование вынужденного излучения.

В 1939—1940 гг. при анализе спектра газового разряда В. А. Фабрикант указал на возможность усиления света за счет стимулированного (вынужденного, или индуцированного) излучения, теоретически сформулировав необходимые для этого условия. В 1950-х гг., продолжая свои работы, он вместе с сотрудниками впервые получил экспериментальное подтверждение своих расчетов и опубликовал эти результаты. В 1954—1955 гг. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову (СССР), Ч. Таунсу, Дж. Гордону и Ж. Цайгеру (США) независимо друг от друга удалось осуществить усиление и генерацию СВЧ-волн на частоте 23 870 МГц, используя пучок молекул аммиака. В 1956 г. проф. Н. Бломберген (США) создал твердотельный трехуровневый мазер, работающий в непрерывном режиме.

В 1957—1958 гг. в СССР Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а в США Ч. Таунс разработали теоретические основы процессов, происходящих в лазерах. За эти работы они получили Нобелевскую премию. В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый лазер, работающий на рубине, что послужило толчком к дальнейшему прогрессу в области квантовой электроники.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >