Электро́ника (от «электрон») — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии. Работа таких устройств основана на перемещении носителей тока в вакууме, газах, жидкостях и твёрдых телах при различных условиях.
История Возникновению электроники предшествовало открытие и изучение электричества, электромагнетизма, а далее — изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах. Соответственно получила развитие вакуумная электроника. Её развитию способствовало также изобретение телевидения и появление радаров, которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны.
Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это, прежде всего, большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника, а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы.
Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров. Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки, а затем — и микросхемы. Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры. В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи, а также различных беспроводных устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.
В России вкладом в появление и развитие электроники стали научная деятельность А. С. Попова и начало применения аппаратуры беспроводного телеграфа, изобретение лампового триггера М. Бонч-Бруевичем в 1918 году, использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов, использование проводниковых и полупроводниковых элементов в работах Иоффе и развитие полупроводниковой базы GaAs/AlAs и их тройных растворов в лаборатории Алфёрова.
До появления электронно-вычислительных машин логические операции выполняли на электромеханических или механических реле. В 1943 году электромеханический компьютер Mark-1 производил одну операцию сложения за 0,3 сек. Но уже в середине XX века начали использовать изобретённый Либеном (1912) и Ли де Форестом (1906) электровакуумный прибор — триод, током которого можно было управлять с помощью сетки, что позволяло управлять сигналом. В 1939 году появился первый компьютер на вакуумных лампах (Дж. Атанасов), где вычисления производились с помощью логических операций. В 1946 году появилась электровакуумная ЭВМ Эниак, содержащая 17 468 ламп, которые надо было проверять при установке. Эта машина могла выполнять 5000 операций сложения в секунду.
Появление первого транзистора в 1947 году, созданного Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном позволило перейти на твердотельную логику, а последующее изобретение структуры металл-окисел-полупроводник стало самой главной вехой в развитии электроники, что привело к созданию интегральной схемы и последующему развитию микроэлектроники, основной области современной электроники .
Области электроники
Можно различать следующие области электроники: физика (микромира, полупроводников, электромагнитных волн, магнетизма, электрического тока и др.) — область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами; бытовая электроника — бытовые электронные приборы и устройства, в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны. (Например: телевизор, сотовый телефон, утюг, лампочка, электроплита и др.); энергетика — выработка, передача и потребление электроэнергии, электроприборы большой мощности (например, электродвигатель, электростанция), электрическая система отопления, линия электропередачи; микроэлектроника — электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы: оптоэлектроника — устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов; аудио-видеотехника — устройства усиления и преобразования звука и видео изображений; цифровая микроэлектроника — устройства на микропроцессорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор, компьютер, цифровой телевизор, мобильный телефон, принтер, робот, панель управления промышленным оборудованием, средствами транспорта, и другие бытовые и промышленные устройства.
Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическая цепь.
Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.
Твердотельная электроника Термин «твердотельная электроника» появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие малоэффективные электровакуумные приборы — радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX века этот термин потерял своё значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.
С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы очень сильно уменьшились: если размеры ламп составляли несколько сантиметров, размеры транзисторов на полупроводниковых кристаллах современных интегральных схем составляют десятки нанометров. Современные микросхемы могут содержать несколько миллиардов таких транзисторов.
Технология получения элементов Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических, веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие элементы. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных методик использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа.
Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией, а раздел электроники — наноэлектроникой.
В 1970-е годы в процессе миниатюризации твердотельной электроники в ней наметился раскол на аналоговую и цифровую микроэлектронику. В условиях конкуренции на рынке производителей элементной базы победу одержали производители цифровой электроники. И в XXI веке производство и эволюция аналоговой электроники практически были остановлены. Так как в реальности все потребители микроэлектроники требуют от неё, как правило не цифровые, а непрерывные аналоговые сигналы или действия, цифровые устройства снабжены ЦАП-ами на своих входах и выходах.
Миниатюризация электронных схем сопровождалась ростом быстродействия устройств. Так первые цифровые устройства ТТЛ технологии требовали микросекунды на переключение из одного состояния в другое и потребляли большой ток, требовавший специальных мер для отвода тепла.
В начале XXI века эволюция твердотельной электроники в направлении миниатюризации элементов постепенно замедлилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением предельно малых размеров транзисторов, проводников и других элементов на кристалле полупроводника, ещё способных отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Эти размеры достигли единиц нанометров, и поэтому технология изготовления микросхем относится к нанотехнологии.
Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный, чем электрон и «дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.
Основные твердотельные элементы Основные твердотельные активные элементы, используемые в электронных устройствах: Диод — проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду. Разновидности: туннельный диод, лавинно-пролётный диод, диод Ганна, диод Шоттки и др.; Биполярные транзисторы — транзисторы с двумя физическими p-n-переходами, ток коллектор-эмиттер которого управляется током база-эмиттер; Полевой транзистор — транзистор, ток исток-сток которого управляется напряжением на p-n- или n-p-переходе затвор-сток или потенциалом на нём в транзисторах без физического перехода — с затвором, гальванически изолированным от канала сток-исток; Диоды с управляемой проводимостью (динисторы и тиристоры), используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды, используемые как преобразователи электромагнитного излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно; Интегральная микросхема — комбинация активных и пассивных твердотельных элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.
Примеры использования Примеры использования твердотельных приборов в электронике: Умножитель напряжения на выпрямительном диоде; Умножитель частоты на нелинейном диоде; Эмиттерный повторитель (напряжения) на биполярном транзисторе; Коллекторный усилитель (мощности) на биполярном транзисторе; Эмулятор индуктивности на интегральных микросхемах, конденсаторах и резисторах; Преобразователь входного сопротивления на полевом или биполярном транзисторе, на интегральной микросхеме операционного усилителя в аналоговой и цифровой микроэлектронике; Генератор электрических сигналов на полевом диоде, диоде Шоттки, транзисторе или интегральной микросхеме в генераторах сигналов переменного тока; Выпрямитель напряжения на выпрямительном диоде в цепях переменного электрического тока в разнообразных устройствах; Источник стабильного напряжения на стабилитроне в стабилизаторах напряжения; Источник стабильного напряжения на выпрямительном диоде в схемах смещения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора; Светоизлучающий элемент в осветительном приборе на светодиоде; Светоизлучающий элемент в оптоэлектронике на светодиоде; Светоприёмный элемент в оптоэлектронике на фотодиоде; Светоприёмный элемент в солнечных панелях солнечных электростанций; Усилитель мощности на биполярном или полевом транзисторе, на интегральной микросхеме, Усилитель мощности в выходных каскадах усилителей мощности сигналов, переменного и постоянного тока; Логический элемент на транзисторе, диодах или на интегральной микросхеме цифровой электроники; Ячейка памяти на одном или нескольких транзисторах в микросхемах памяти; Усилитель высокой частоты на транзисторе; Процессор цифровых сигналов на интегральной микросхеме цифрового микропроцессора; Процессор аналоговых сигналов на транзисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях; Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах; Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;