Електроніка

ЕЛЕКТРО́НІКА — наука про електрон­ні та іонні явища, що від­буваються у вакуумі, газах, твердому тілі і плазмі, та електрон­ні явища на їх межах, а також техніка, що роз­робляє методи викори­ста­н­ня цих явищ (технічна електроніка). За напрямами дослідж. роз­різняють Е. вакуумну, твердотільну і квантову. На­звана за першою від­критою 1897 (англ. фізик Дж.-Дж. Томсон) людством елементар. часткою — електроном (грец. ἤλεχτρον — бурштин). Раніше, 1874, ірланд. фізик Дж. Стоней висловив думку про дис­кретність електрич. заряду та вирахував його величину, а 1891 за­пропонував для постулюва­н­ня одиниці електрич. заряду назву «електрон». Від­тоді електрон — не тільки обʼєкт, а й засіб дослідж. властивостей речовин. Від­кри­т­тя електрона повʼяз. з ви­вче­н­ням газового роз­ряду (див. Електричного роз­ряду в газі фізика), що, по суті, ще на­прикінці 18 ст. від­крило перший напрям дослідж. в Е. — на межі газової та вакуум. Е. Трубку з разрідж. газом при тиску газу меншим ніж 1 мм з двома електродами вина­йшов 1855 нім. склодув Г. Ґайс­слер. Подальший роз­виток дослідж. газового роз­ряду в 2-й пол. 19 ст. зробив значний внесок у ви­вче­н­ня електрон. процесів у газі. На основі дослідж. фізики поведінки електронів на металевій та напів­провід­ник. поверх­нях створ. окремий роз­діл Е. — катодну, або емісійну. Виникне­н­ня електронів на поверх­ні речовин повʼяз. з тим, що вони в обʼємі речовини збурюються ззовні якимось чин­ником і отримують додаткову енергію, яка допомагає електронам, що хаотично рухаються в речовині побл. поверх­ні, долати потенцій. поверхн. барʼєр і виходити на поверх­ню. Чин­ники, які сприяють під­вищен­ню енергії електронів, — це на­гріва­н­ня речовини (термо­електрон­на емісія), бомбардува­н­ня поверх­ні речовини елементар. частками (вторин­на емісія) або фотонами (фото­електрон­на емісія). У сильних електрич. полях (107 ~В/см) поверхн. потенцій. барʼєр стає дуже тонким і виникає тунельне проходже­н­ня електронів через нього — така емісія електронів отримала назву авто­електрон­ної. Явище термо­електрон. емісії виявив 1884 амер. винахідник Т.-А. Едісон, проте ні роз­тлумачив, ні за­стосував її. Лише 15 р. потому термо­електрон­ну емісію викори­стано при створен­ні перших електровакуум. приладів — катод. ламп. Вплив фото­електрон. емісії на іскровий роз­ряд спо­стеріг 1887 нім. фізик Г. Герц. Проте цілеспрямовані та більш плідні дослідж. зовн. фотоефекту провів 1888–89 рос. фізик О. Столєтов, встановивши закон залежності сили фототоку від інтенсивності освітле­н­ня (закон Столєтова); його установка стала прообразом фото­елементів, які від 1910 широко використовують у техніці. Значний крок у ви­вчен­ні фотоефекту зробив рос. фізик П. Лукірський, який за­пропонував метод сферич. конденсатора для ви­вче­н­ня процесів, що від­буваються на поверх­ні електродів, зокрема при фото­електрон. емісії. В Україні ви­вче­н­ня електрон. явищ на поверх­ні металів роз­винули в Ін­ституті фізики АН УРСР у 1-й пол. 20 ст. під керівництвом Н. Моргуліса — засн. київ. школи фіз. Е., — який, зокрема, роз­робив квантомех. теорію поверхн. іонізації та екс­периментально виявив вплив на неї електрич. поля; спільно з П. Марчуком за­пропонував 1949 метод прямого пере­творе­н­ня теплової енергії на електричну за допомогою термо­електрон. діодів, наповнених парами цезію. Помітний внесок у дослідж. авто­електрон. емісії зробили пред­ставники школи фізиків Укр. фіз.-тех. ін­ституту АН УРСР (Харків). Так, Р.-Й. Гарбер за­пропонував технологію створе­н­ня одного з типів високоточного автокатода у ви­гляді щітки, що на­брана з великої кількості вістряних автокатодів.

Електрони, які накопичуються на поверх­ні речовин, під дією електрич. напруги здатні від­риватися від поверх­ні і створювати електрон­ні потоки. Напрям Е., що ви­вчає виникне­н­ня електрон. потоків і роз­робляє методи та при­строї керува­н­ня ними, виділяється в окрему галузь — електрон­ну оптику, гол. зав­да­н­ня якої — формува­н­ня електрон. потоків різної форми з густиною току від частки мікроампера до сотень ампер. При цьому електрони в потоках, що формуються для спец. електрон. приладів, можуть досягати релятивіст. швидкостей. Для формува­н­ня потоків електронів і керува­н­ня ними широко використовують короткі й довгі електричні та магнітні лінзи. Засн. призм. електрон. оптики В. Кельман роз­робив призм. бета- і мас-спектрометри для ядер. дослідж. з великою роз­дільною здатністю і світлосилою. Формува­н­ня електронів у пучки вимагали нових методів обробле­н­ня металів: їх плавле­н­ня, зварювання та різа­н­ня, — роз­витку такого напряму в науці і техніці сприяли роз­робки Ін­ституту електрозварюва­н­ня АН УРСР (Київ). Помітним внеском у створе­н­ня нових електрон­но-оптич. систем стало від­кри­т­тя й дослідж. у 1960–70-х рр. М. Зінченком (Ін­ститут радіофізики та електроніки АН УРСР, Харків) високопервіансних три­електрод. електрон. пушок. Ще на­прикінці 19 ст. встановлено, що при отриман­ні у скляних трубках з електродами під­вищеного вакууму в тліючому роз­ряді спо­стерігається спрямована організація потоку роз­ряду (це, зокрема, продемонстрував у дослідах англ. фізико-хімік В. Крукс). 1897 нім. фізик К. Браун сконструював роз­рядну трубку для катод. променів. 1907 викл. С.-Петербур. технол. ін­ституту В. Ро­зінг за­пропонував першу електрон­ну систему для створен- ня телевізій. зображе­н­ня за допомогою електрон­но­промен. трубки. Таким чином, від поч. 20 ст. в техніку наук. екс­перименту уві­йшли прилади, в яких використовується електрон­на оптика пучків електронів з невисокою інтенсивністю і зі слабкою густиною електрон. зарядів. Електрон­ну оптику широко використовують при створен­ні кон­струкцій осцило­граф., телевізій. та рентґенів. трубок, мас-спектро­графів, електрон. мікро­скопів та ін. Однак до серед. 20 ст. виникла потреба в електрон­но-оптич. системах з під­вищ. інтенсивністю електрон. потоків для створе­н­ня надвисокочастот. (НВЧ) приладів. НВЧ Е. ви­окремилася з Е. вакуум. електрон. ламп. Роз­виток вакуум. Е. повʼяз. з від­кри­т­тям ефекту термо­електрон. емісії (ефект Едісона), можливість за­стосува­н­ня якої за­пропонував 1904 проф. Лондон. університету Дж.-А. Флемінґ, винахідник діода — дво­електрод. електрон. лампи. Цей вакуум. діод від­разу викори­стали як детектор електромагніт. коливань. А 1907 амер. винахідник Л. Де Форест запатентував аудіон — вакуум. тріод. Впровадже­н­ня третього електрода дало змогу створити надійні генератори та під­силювачі радіосигналів у діапазоні до частот декілька десятків мегагерц. Викори­ста­н­ня вакуум. електрон. ламп лягло в основу радіотехніки, що дала нове життя радіозвʼязку, радіомовлен­ню, телебачен­ню та ін. досягне­н­ням у техніці 20 ст. Створен­ню перших вітчизн. під­силювал. та генератор. ламп присвятив свої дослідж. Н. Папалексі, який 1918–22 працював в Одес. політех. ін­ституті. З роками кількість електродів у вакуум. лампах збільшувалася, змінювалася їх форма і роз­ширювалися функції в керуван­ні радіотех. сигналами. Спеціалісти вакуум. електроніки працювали в напрямку збільше­н­ня рівня потужності під­силювал. та генератор. ламп, під­вище­н­ня робочих частот. Проте з під­вище­н­ням частоти генерації падала потужність під­силювачів і генераторів — на заваді стала інерційність електронів. Це примусило зменшувати від­стані між електродами, під­вищувати різницю потенціалів між ними, одноразово при цьому зменшуючи між­електродну ємність та індуктивність вводів, що призводило до значних змін окремих елементів вакуум. ламп та змін їх кон­струкцій у цілому і остаточно зумовило зміну самих принципів керува­н­ня електронами. 1932 Д. Рожанський висловив нову ідею щодо керува­н­ня електрон. потоками з викори­ста­н­ням їх модуляції за швидкістю. На­прикінці 30-х рр. цей спосіб керува­н­ня електронами втілено в новій електрон. лампі — клістроні, який, проте, не став історично першим серед електровакуум. НВЧ ламп. Іще 1924 пред­ставники школи Д. Рожанського у Харків. університеті А. Слуцкін і Д. Штейнберґ, замінивши сітку циліндр. діода, що модулювала електрон. потік, магніт. полем, продемонстрували можливість отрима­н­ня НВЧ коливань у таких катод. лампах — магнетрон. генераторах. Уже в 30-х рр., працюючи в Укр. фіз.-тех. ін­ституті, А. Слуцкін за­стосував магнетрон­ні генератори дециметр. діапазону для створе­н­ня першого в світі трикоординат. радіолокатора. Після 2-ї світової війни у тому ж ін­ституті широким фронтом роз­горнуто дослідж. в галузі Е., осн. увагу зосереджено на створен­ні джерел електромагніт. коливань у короткохвильовій частині радіодіапазону в міліметр. області. До цієї роботи залучено учнів А. Слуцкіна — О. Усикова, І. Трутня, А. Чернеця. Нового роз­маху ці дослідж. набули зі створе­н­ням у Харкові Ін­ституту радіофізики та електроніки АН УРСР (1955), де роз­роблено серію вакуум. НВЧ електрон. при­строїв, що ви­промінювали когерентні електромагнітні хвилі в міліметр. та субміліметр. областях електромагніт. спектра. Такими новими джерелами електромагніт. коливань у міліметр. діапазоні стали: міліметр. імпульсні магнетрони, що збуджуються в «харків. режимі» на вищих простор. гармоніках (І. Трутень), клинотрон­ні широкодіапазон­ні генератори серед. потужності (Г. Левін), висококогерентні генератори дифракц. ви­промінюва­н­ня (В. Шестопалов). Дослідж. С. Тетельбаума в Ін­ституті електротехніки АН УРСР (Київ) 40–50-х рр. були спрямовані на пошук нових принципів генерува­н­ня НВЧ (фазотрон. метод) і заклали основу для створе­н­ня генераторів, що використовували циклотрон­не ви­промінюва­н­ня — мазери на циклотрон. резонансі (А. Гапонов-Грєхов, Н.-д. радіофіз. ін­ститут Горьков. університету, нині м. Нижній Новгород, РФ). Поміт. явищем у роз­витку НВЧ Е. були дослідж. вчених Київ. політех. ін­ституту, зокрема В. Тараненка в напрямку генерува­н­ня й під­силе­н­ня електромагніт. коливань НВЧ. Можливість викори­ста­н­ня електрон. при­строїв на базі твердого тіла (іще до ви­вче­н­ня поведінки електронів у структурі твердого тіла) викори­стали в радіотехніці. Так, О. Попов для виявле­н­ня електромагніт. коливань за­стосував у своєму радіо­при­ймачі замість когерера кри­стал. діод, чутливий до цих коливань. 1920-ті рр. були роками роз­витку і викори­ста­н­ня детектор. радіо­при­ймачів. Проте 1922 у Радіолабораторії Нижнього Новгорода О. Лосєв викори­став кри­стал. детектори зі спадною характеристикою для генерува­н­ня й під­силе­н­ня високочастот. коливань. Такі прилади (кри­стадини) могли виконувати функції не лише діодів, але й тріодів. Однак ера твердотіл. Е. виявилася короткочасною: у 30-х рр. швидкий роз­виток вакуум. Е. у ви­гляді вакуум. ламп як досконаліших при­строїв витіснив із широкого вжитку твердотільні при­строї. За допомогою вакуум. ламп освоювали дедалі вищі частоти, від­криваючи нові сфери їхнього за­стосува­н­ня. Проте коли виникла радіолокація, по­стали труднощі у викори­стан­ні вакуум. ламп через інерційність електронів у між­електрод. проміжках і зро­ста­н­ня між­електрод. ємностей та індуктивностей провід­ників, що звʼязували їх із радіосхемою. Після детальнішого ви­вче­н­ня властивостей напів­провід­ників та вина­йде­н­ня способу їх отрима­н­ня з необхід. чистотою складу створ. кри­стал. діоди на новій основі. Використовуючи германій та кремній з малою кількістю дефектів кри­стал. ґраток і домішок у них, уже до серед. 20 ст. створ. НВЧ діоди з чутливістю до спри­йма­н­ня коливань сантиметр. хвиль, що досягла 1 А/Вт, а рівні шуму виявилися значно нижчими порівняно з детекторами на електрон. лампах.

За результатами за­стосувань фіз. ефектів у твердому тілі (пере­важно у напів­провід­никах) у 1960-х рр. виник новий напрям в Е. — мікроелектроніка. Сучасні тенденції в під­вищен­ні міри інтеграції твердотіл. електрон. елементів у радіотех. схемах вимагають подальшого зменше­н­ня їх роз­мірів, що стимулює фіз. дослідж. електрон. структур на атомар. і молекуляр. рівнях, від­криваючи нові можливості в новому напрямі Е. — наноелектроніці, зокрема в звʼязку зі зростаючими вимогами до елемент. бази ЕОМ. На цій основі створ. електрон­ні елементи зі зменшеним часом пере­ключе­н­ня (менше за одиниці пікасекунд) та енергії (менш ніж 0,01 пікаджоулів). 1948 спів­роб. компанії «Bell Telephone Laboratories» (США) Дж. Бардін та В. Брат­тен від­крили транзистор. ефект і створили кри­стал. тріод з точковим контактом; згодом їхній колега В. Шоклі вина­йшов площин­ний транзистор (усі троє від­знач. Нобелів. премією 1956). Транзисторні генератори та під­силювачі завдяки невеликим габаритам, спожива­н­ням енергії, високим коефіцієнтом корисної дії та низьким рівнем шуму значно потіснили викори­ста­н­ня у радіотех. приладах вакуум. електрон. ламп. 1963 спів­роб. фірми «International Business Machines» (США) Дж.-Б. Ґанн створив на гарячих електронах напів­провід­ників генератор НВЧ (діод Ґанна), що здатен працювати впритул до 100 ГГц (тобто генерувати електромагнітні хвилі довжиною ~ 3 мм). А.-С. Таґер (РФ) отримав НВЧ колива­н­ня на діоді, який на­звано лавин­но-проліт. діодом (ЛПД). Стрімкий роз­виток викори­ста­н­ня коротких радіохвиль повʼяз. із роз­робле­н­ням 1954 М. Басовим і О. Прохоровим (Фіз. ін­ститут АН СРСР, Москва) теорії та перших зразків молекуляр. генераторів, на основі чого по­стала квантова електроніка. Гол. особливість взаємодії електромагніт. поля з речовиною в квант. Е. полягає у тому, що вона су­проводжується зміною внутр. енергії елементар. частинок. Процес взаємодії частинок з електромагніт. полем, їх рух та енергет. стан під­порядк. законам квант. механіки. До такого класу електрон. приладів належать квант. під­силювачі і генератори на пучках молекул чи атомів газу та парамагнітні під­силювачі. За чутливістю й низьким рівнем шумів квант. під­силювачі залишаються непереверш. приладами донині. Парамагнітні квант. під­силювачі (мазери — за першими літерами англ. назви «Microwave amplification by stimulated emission of radiation») широко використовують для при­йма­н­ня дуже слабких сигналів у радіоастрономії під час ви­вче­н­ня ви­промінюва­н­ня небес. тіл та для звʼязку з орбітал. косміч. станціями. Дослідж. від 1960-х рр. в Ін­ституті радіофізики та електроніки АН УРСР під керівництвом А. Чернеця уже у 80-х рр. показали можливість створе­н­ня ефектив. широкосмуг. квант. під­силювачів у серед. частині міліметр. діапазону хвиль (М. Черпак) та резонатор. під­силювачів у 3-міліметр. діапазоні хвиль (С. Пісковацький). Джерелом когерент., погодж. за частотою, фазою, напрямком і часом, світлового ви­промінюва­н­ня стали оптичні квант. генератори — лазери (від перших літер англ. назви «Light amplification by stimulated emission of radiation»), що широко за­стосов. у техніці обробле­н­ня матеріалів, точного зварюва­н­ня металів, біо­логії, медицині. Єдиним джерелом ви­промінюва­н­ня, що пере­криває весь спектр видимих частот і близьких до нього (ультрафіолет. та інфрачервоного спектрів), є лазер на барвниках. У 1960-х рр. піонерами з роз­робки таких лазерів були спів­роб. Ін­ституту фізики АН УРСР, які створили комплекс рідин. лазерів, що пере­будовуються за частотою (М. Бродин, М. Соскін, М. Шпак). Аналог. лазери тоді ж створ. в Ін­ститутах напів­провід­ників (Н. Витроховський) та радіофізики і електроніки (М. Дзюбенко) АН УРСР. Поряд із фіз. та тех. Е. існує значна кількість радіотех. при­строїв, які акумулюють у собі досягне­н­ня фіз. і тех. Е., обʼ­єд­нуючись в окрему галузь — радіоелектроніку. При­строї цієї галузі, окрім пере­дава­н­ня, при­йма­н­ня та пере­творе­н­ня радіосигналів, використовують у біо­логії та медицині для створе­н­ня нових речовин і матеріалів, для якіс. приготува­н­ня харч. продуктів і зʼясува­н­ня їх якості. Нині радіо­електроніка продовжує заво­йовувати нові галузі в промисловості і побуті, на Землі і в косміч. просторі.

Завантажити статтю