В статье автор прослеживает историческую цепочку развития электроника начиная с основ до будущих перспектив.
Ключевые слова: микроэлектроника, нанотрубки, электровакуумная лампа.
В настоящее время сложно представить современного человека без телефона, персонального компьютера и прочих атрибутов современного мира. Но что если обернуться назад и посмотреть, что было до, когда на самом деле появилось то зерно, из которого выросло все древо электронной промышленности.
Начать стоит с понятие так что же такое электроника. Электроника — направление науки и техники, направленная на создание и практическим использованием различных устройств и приборов, работа которых основана на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в вакууме, газе или твердых кристаллических телах, и других физических явлениях.
Появлению электроники способствовало радио, поскольку оно нашло большой спрос в кругах флота и вооруженных сил, остро стал вопрос совершенствования технической базы элементов. Первое поколения приемопередатчиков было составлено на электронных лампах. Соответственно большой толчок в развитии получила вакуумная электроника.
Начало вакуумной электроники было заложено в 1905-м году Джоном Флемингом, он создал первую электронную лампу — «прибор для преобразования переменного тока в постоянный». Эту дату считают началом рождения всей электроники.
В электронной лампе используется процесс термоэлектронной эмиссии [рисунок 1, страница 2] испускания электронов накаленным металлом, находящимся в эвакуированном баллоне. Давление остатков газа настолько ничтожно, что разряд в лампе практически можно считать чисто электронным, так как ток положительных ионов исчезающе мал по сравнению с электронным током.
Рис. 1. Эффект термоэлектронной эмиссии
Электронные лампы сыграли огромную роль в развитии электротехники на их основе зародилось телевидение, так как они позволяли устойчиво усилить сигнал для передачи на расстоянии, на их основе происходила и фильтрация сигнала.
Но не смотря на все возможности ламп были у них и недостатки: громоздкость, низкая надежность и высокое энергопотребление устройств построенных на большом количестве ламп, необходимость в дополнительной энергии для нагрева катода, большое выделение тепла, часто требующее дополнительного охлаждения.
Именно на лампах появилась первая ЭВМ в 1943. Секретная британская машина «Колосс» [рисунок 2, страница 2], ее изобретение было продиктовано необходимостью дешифровки перехваченных германских радиограмм. Однако хоть это и можно считать ЭВМ, но «Колосс» мог решать лишь очень ограниченный и чрезвычайно специфический класс задач.
Рис. 2. Первая ЭВМ «Колосс»
После своего создания лампы прослужили долгую службу они стали символов электроники того времени, от музыкальной техники до сложных вычислительных машин, но в какой-то момент стало понятно, что лампы устаревают, появилась необходимость уменьшения размеров и увеличение срока службы техники.
Тогда взор ученых мира упал на свойство полупроводников проводить электричество при определенных условиях. На основе этого эффекта было создано много элементов, диоды, транзисторы и прочее. Первый транзистор [рисунок 3, страница 3] был создан 16 декабря 1947 года Джоном Бардином, Уильямом Шокли и Уолтером Брайтейном. При помощи небольшого кусочка германия, скрепки, и золотой фольги они смогли увеличить входящий ток в сто раз. В скором времени они представили первый в мире транзистор. Поэтому 24 декабря считается днем, когда изобрели первый транзистор. Уже через год появились приемники, основанные на транзисторе.
Рис.3. Первый в мире транзистор
С момента своего появления полупроводники начали вытеснять ламы из рынка. Лучше всего это прослеживается на истории ЭВМ. Начиная от частичной замены, все пришло к тому, что современные вычислительные машины стали строиться полностью на полупроводниках.
Открытие полупроводников дало возможность развивать такое направление как микроэлектроника.
Микроэлектроника — сфера электроники, в которой изучаются процессы уменьшения размеров элементной базы при увеличении их рабочего потенциала.
Главной задачей микроэлектроники стоит увеличение возможностей элементов при уменьшении размеров. Но к настоящему времени кремневая электроника исчерпала свой ресурс в области миниатюризации электроники на ее основе.
Сейчас перспективным направлением в развитии микроэлектроники считаются элементы на углеродных нанотрубках.
Нанотрубки [рисунок 4, страница 4] это свернутые в правильный цилиндр атомы углерода. Их толщина соответствует порядка 400 нм. Микроэлектронику интересуют однослойные нанотрубки.
В зависимости от хиральности нанотрубки могут быть как проводником, так и полупроводником. Хиральность определяется процессом изготовления нанотрубки
Рис. 4. Внешний вид нанотрубки
Существует два направления изготовления нанотрубок физический и химический. Физический способ состоит в нагревании и сублимации углерода до 3000 градусов по Кельвину, для этого используются электродуговой разряд, лазерная абляция или же индукционное нагревание, но хоть физический способ изготовления нанотрубок относительно прост, он не позволяет контролировать свойства полученной трубки. Химический способ делится на два, аэрозольный и способ осаждения на подложке.
На данный момент самым перспективным методом изготовления является аэрозольный, он позволяет получать высококачественные нанотрубки, процесс в реакторе занимает десятки секунд и результат осаждается на фильтре.
Хотя нанотрубки еще не вошли в обиход в домашней технике, но уже идут активные разработки на базе нанотрубок в 2019 году был представлен первый полностью рабочий процессор, он содержал 14 000 транзисторов, и хоть он пока прост, но первый шаг был сделан.
За сто лет сфера электроники прошла большой путь от громоздких первых ЭВМ, которые занимали целую комнату, до миниатюрных телефонов, планшетов, которые могут поместиться в кармане у человека. Теперь будущее электроники определяется тем, что смогут предоставить нанотрубки.
Литература:
- Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века, П. Н. Дьячков. Природа № 11, 2000 г
- Электровакуумные приборы. Справочник. Алексеев С. Н. Москва, 1956 г
- Электронная техника: электронная техника. Москатов Е. А. Москва, 2017 г
