Електронне приладобудування

ЕЛЕКТРО́Н­НЕ ПРИЛАДОБУДУВА́­Н­НЯ Гол. продукцією Е. п. є цифр. та аналог. інтеграл. схеми, зокрема й надвеликі інтеграл. схеми. Ін. продукти — електрон­ні схеми малого ступеня інтеграції — операц. під­силювачі, мікро­процесори, комутатори, а також транзистори, діоди, тиристори, термістори, електрон­ні лампи тощо. Під Е. п. ро­зуміють і виготовле­н­ня приладів та сенсорів різного при­значе­н­ня (напр., для обчисле­н­ня й вимірюва­н­ня електрич. і не­електрич. величин), зокрема електрон. елементів та при­строїв (цифр. амперметри і вольт­метри, побут. радіо- і телевізійна техніка та ін.), що складаються з вимірюв. пере­творювача (звичайно з за­стосува­н­ням інтеграл. схем або напів­провід­ник. елементів чи електрон. ламп), при­строю від­ображе­н­ня інформації (електрон. або електромех.) та допоміж. при­строїв (напр., елементів живле­н­ня). Продукцію Е. п. використовують у більшості галузей: у машинобудуван­ні, транс­порті, освоєн­ні космосу, с. госп-ві, медицині, харчової промисловості, побуті, для оборон. цілей та виріше­н­ня про­блем енерго- і ресурсозбереже­н­ня. Для Е. п. характерні швидке зро­ста­н­ня обсягів виробництва та роз­шире­н­ня номенклатури. Продукція Е. п. є базою НТП й ін­новац. роз­витку, сприяє вирішен­ню важл. наук.-тех. про­грам, сут­тєво поліпшує екон. показники усіх галузей виробництва. Прилади Е. п. працюють з викори­ста­н­ням заг. фіз. принципів, повʼяз. з пере­носом електронів або ін. зарядж. частинок під дією електрич., магніт. або електромагніт. (світлового) полів. Гол. наук. про­блемою, від виріше­н­ня якої залежить про­грес Е. п., є взаємозвʼязок електрон. та структур. параметрів напів­провід­ник. матеріалу. Осн. наук.-тех. напрями Е. п.: конструюва­н­ня та виробництво великих інтеграл. схем на кремнії, створе­н­ня інтеграл. систем на арсенід-гал­лієвих епітаксій. структурах, конструюва­н­ня та виробництво багато­елемент. ліні­йок і матриць для рентґенів. цифр. малодозової техніки на основі кремнієвих діод. структур із шаром люмінофора, що пере­творює рентґенів. ви­промінюва­н­ня у видимий діапазон світла та інфрачервоних приладів нічного баче­н­ня на основі багатокомпонент. епітаксій. напів­провід­ник. сполук А₂В₆, що роз­таш. на під­кладках з телуриду кадмію. Через складність фіз.-хім. процесів, які від­буваються під час епітаксій. формува­н­ня структур, виникає необхідність узгодже­н­ня багатьох параметрів матеріалу з вимогами електрон. техніки і, найважливіше, — отрима­н­ня матриці або лінійки з чутливими елементами, кожна з яких має такі самі параметри щодо чутливості, швидкодії та ін. Однією з гол. задач є також узгодже­н­ня з системою реєстрації інформації, яка звичайно виконується на кремнії (прилади з зарядовим звʼязком тощо). Протилежні вимоги двох технологій змушують вчених і кон­структорів вдаватися до гібрид. технологій, де чутлива матриця виконується на епітаксій. сполуках А₂В₆, а система обробки інформації — на кремнії, що потребує неординар. рішень при по­єд­нан­ні цих частин шляхом припайки обернених чипів. Важл. тут є ви­вче­н­ня взаємозвʼязку кри­сталіч. структури з технол. особливостями процесів виробництва матеріалів з одного боку, а з ін. — вплив цих особливостей на процеси електрон. транс­порту через шаруваті епітаксіальні структури. За­стосува­н­ня сучас. методів фізики твердого тіла до моделюва­н­ня електрон. процесів у приладних напів­провід­ник. структурах є найбільш пер­спектив. шляхом роз­робки оптим. кон­струкцій та досягне­н­ня гранич. можливостей приладів на основі твердого тіла. Квантово­електрон­не приладобудува­н­ня (див. також Квантова електроніка) базується на викори­стан­ні базових законів про взаємодію електромагніт. хвилі з оптично активною речовиною. За­стосува­н­ня квантовофіз. законів дає змогу заздалегідь роз­рахувати зміну амплітуди та фази електромагніт. хвилі при її пере­тині оптично неоднорід. шаруватих структур в умовах прикла­да­н­ня електрич. поля або струму та обчислити від­повід­ні коефіцієнти під­силе­н­ня чи екс­тинції (згаса­н­ня). Лазери з електрич. накачкою, хім. лазери, акустооптичні модулятори та дефлектори, по­двоювачі частоти світла складають звичай. арсенал цієї галузі техніки. Вакуумне Е. п. охоплює пита­н­ня створе­н­ня електровакуум. приладів таких видів: електрон­ні лампи (діоди, тетроди, пентоди тощо), фото­електрон­ні й електро­променеві прилади (вакуумні фото­елементи, фото­електрон­ні по­множувачі, кіне­скопи рентґенів. трубок), газорозрядні прилади (потужні пере­творювачі електрич. струму, джерела світла, індикатори), прилади надвисоких частот (магнетрони, клістрони, лампи біжучої та зворот. хвиль).

Е. п. започатковано на­прикінці 1920-х рр., хоча перші екс­перим. зразки електрон. приладів створ. на поч. 20 ст.: діоди (Дж.-А. Флемінґ, 1904), тріоди (Л. де Форест, 1906), вакуумні фото­елементи (Ю. Ельстер і Г. Гейтель, 1910), потужні генераторні лампи (М. Бонч-Бруєвич, 1919–25), фото­електрон­ні по­множувачі (П. Тимофєєв, Л. Кубецький, 1928–29) та ін. До 1950-х рр. роз­вивалося пере­важно вакуумне Е. п.: налагоджено пром. випуск різних електрон. ламп, електро­променевих та рентґенів. трубок, вакуум. фото­елементів, фото­електрон. по­множувачів, низки приладів надвисоких частот (магнетронів, клістронів, ламп біжучої хвилі), газорозряд. приладів (випрямних, джерел світла, що формують потужні імпульси електрич. струму) та ін. На поч. 1950-х рр. у звʼязку з винаходом напів­провід­ник. транзистора (В. Шоклі, В. Брат­тейн і Дж. Бардін, 1947; від­знач. Нобелів. премією 1956) роз­почався актив. роз­виток твердотіл. Е. п.: спершу налагоджено пром. випуск дис­крет. напів­провід­ник. діодів та тріодів (1950–54), потім для їх виробництва за­стосували планарну (кін. 1950 — поч. 60-х рр.) та інтегральну (1960-ті рр.) технології; у 1970–80-х рр. створ. великі та надвеликі інтегральні схеми, мікро­процесори різного при­значе­н­ня, запамʼятовуючі при­строї, вироби функціон. електроніки та оптоелектроніки, швидкодіючі обчислюв. прилади, кріо­електрон­ні вироби та ін. Після роз­робле­н­ня квант. генераторів (М. Басов, О. Прохоров і Ч. Таунс від­знач. Нобелів. премією 1964) зросли темпи квант. приладобудува­н­ня, вже у 1960–70-х рр. налагоджено пром. випуск твердотіл. лазерів і мазерів, квант. під­силювачів, різноманіт. квант. при­строїв для звʼязку та космосу. Упродовж цих років інтенсивно роз­вивалося і складне Е. п. — від випуску простих електрон. вимірюв. приладів до потуж. електрон­но-обчислюв. та цифр. машин. Потуж. наук.-тех. прорив від­бувся завдяки працям Ж. Алфьорова з роз­робле­н­ня та впровадже­н­ня світлови­промінюючих діодів (Нобелівська премія 2000).

Е. п. найбільш роз­винуте у технічно пере­дових країнах світу — США, Японії, Німеч­чині, Великій Британії, РФ та ін. Одне з провід. місць у світі у цій галузі за­ймає і Україна. Так, ще у між­воєн­ні роки створ. перші вітчизн. зразки напів­провід­ник. міднозакислених і селенових випрямлячів струму та сірчаносрібні й селенові фото­елементи (В. Бернацький, О. Ґольдман, О. Міселюк, 1926–39), роз­роблено теорію електрон. випрямлячів струму (С. Пекар, 1938–39). Цілеспрямов. роз­виток Е. п. в СРСР започатков. 1955–65, коли були побудов. спец. під­приємства та виробництва, засн. галузеві НДІ, високі за рівнем концентрації виробництва, спеціалізації та кооперува­н­ня, комплексністю роз­витку, високо­продуктив. механізов. та автоматизов. лініями, першокласним наук. устаткува­н­ням, висококваліфіков. робітниками, інж. та наук. спів­робітниками, — усе це забезпечило випуск електрон. приладів з ідентич. параметрами на рівні світових. І нині в Україні випускають різноманітні вироби вакуум., твердотіл. та квант. електроніки, більшість з яких за якістю не по­ступаються світ. аналогам. Серед провід. у галузі Е. п. — ДП «Арсенал», «“Оріон” Науково-дослідний ін­ститут», ВАТи «Квазар», «“Меридіан” ім. С. П. Корольова», «“Октава” Науково-виробниче обʼ­єд­на­н­ня», «“Сатурн” Науково-виробниче під­приємство» (усі — Київ), «“Ритм” Центральне кон­структорське бюро» (Чернівці), «“Електрон” Концерн» (Львів). Наук. під­ґрунтя Е. п. роз­робляють в Ін­ститутах фізики напів­провід­ників та кібернетики (обидва — Київ), радіофізики та електроніки (Харків), ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» НАНУ та ін. Вагомий внесок вчені України зробили у роз­виток вакуум. Е. п. (Н. Моргуліс), твердотіл. Е. п. (В. Глушков, В. Лашкарьов, С. Свєчников, М. Шейнкман) та квант. приладобудува­н­ня (М. Бродин, М. Лисиця, М. Соскін). Технології Е. п. роз­робляють і у багатьох ВНЗах України, де також готують кваліфіков. кадри у цій галузі, провід­ні серед них — Київ. університет, Нац. тех. університет України «Київ. політех. ін­ститут», Держ. університет «Львівська політехніка», Харків. тех. університет радіо­електроніки та Харків. політех. університет. Серед провід. спеціалізов. ви­дань — ж. «Electronics» (США), «Электрон­ная промышлен­ность», «Электрон­ная технология» (обидва — РФ), «Оптоэлектроника и полу­проводниковая техника» (Україна).

Подальший роз­виток Е. п. перед­бачають у двох гол. напрямах: перший повʼяз. з виріше­н­ням про­блем інформ.-обчислюв. забезпече­н­ня, а другий — з про­блемою отрима­н­ня та викори­ста­н­ня енергії. Отже, важливо створювати нові прилади, спроможні обробляти більшу кількість інформації, і водночас менші за роз­мірами, економніші у споживан­ні енергії, дешевші та якісніші. Нині цю про­блему вирішують шляхом створе­н­ня систем із памʼя­т­тю понад 6 тис. Тбайт/сек., на одному кри­сталі перед­бачають до десятків і сотень млн елементів роз­міром 0,3–1 мкм; принципово нові наук.-тех. ріше­н­ня мають бути у галузях нано­електроніки та нанотехнологій. До 2020 очікують створе­н­ня систем із 1018 операцій на сек. Слід роз­ширювати викори­ста­н­ня в інтеграл. схемах напів­провід­ник. лазер. та електрон­но-променевої і волокон. комутації, можливостей інтеграл. схем (напр., масовий пере­хід від мікро­процесора до складних мікрообчислюв. машин на одному кри­сталі), роз­робляти електрон­ні при­строї, що працюють в діапазоні міліметр. та субміліметр. хвиль, різноманітні електрон­ні сенсори електрич. і не­електрич. величин, електрон­ні детектори мовле­н­ня та ін. Важливе також роз­робле­н­ня ефектив. електрон. приладів і при­строїв, які виконують різні функції в системі пере­творе­н­ня інформації, у системі керува­н­ня та в обчислюв. техніці, пере­хід від моно­приладів до систем приладів для одночас. вимірюва­н­ня числен. фіз. та фіз.-хім. величин; створе­н­ня різноманіт. електрон. приладів для біо­логії (для ви­вче­н­ня клітин живих організмів і наслідків різних впливів на них) та медицини (для діагностики терапевт. захворювань, спо­стереже­н­ня за хірург. втруча­н­ням). Перед­бачають значний про­грес у роз­витку електрон. приладів і при­строїв від­ображе­н­ня інформації, роз­виток Е. п., побудов. на акустоелектроніці та кріоген­ній електроніці. Викори­ста­н­ня домен­них структур (феромагнітних, сегнето­електрич.) дасть змогу створити запамʼятовуючі при­строї на ультравеликих схемах з обсягом інформації 1011–1014 біт. Енергет. напрям Е. п. повʼяз. з роз­робкою при­строїв для створе­н­ня енергії джерел альтернативних та її пере­творе­н­ня з теплової, соняч., атом. в електричну, при цьому викори­ста­н­ня для цієї мети досягнень твердотіл. електроніки має обмежений характер (крім соняч. енергетики) через від­носно невеликий коефіцієнт корисної дії напів­провід­ник. приладів. Пер­спективнішими для енергетики (напр., для направленого пере­дава­н­ня з космосу), виріше­н­ня тех. задач (для енергет. впливу на речовину й радіац. на­гріва­н­ня) і мед. цілей (лазер. та надвисокочастот. хірургії) є потужні електрон­но-вакуумні прилади надвисоких частот (магнетрони, амплітрони та ін.) і прилади квант. електроніки (лазери на основі скла з неодимом, лазери на молекулах вуглекислого газу ).

Літ.: Колесников В. Г. Електроника. Москва, 1991; Hwaiyu Geng. Semiconductor Manufacturing: Handbook. 2005; Баранський П. І., Федосов А. В., Гайдар Г. П. Неоднорідності напів­провід­ників і актуальні задачі між­дефектної взаємодії в радіаційній фізиці і нанотехнології. К.; Лц., 2007; Венгер Е. Ф., Мельничук А. В., Стронский А. В. Фотостимулирован­ные процес­сы в халькогенидных стеклообразных полу­проводниках и их практическое применение. К., 2007.

Є. Ф. Венгер

Завантажити статтю