Электроника — наука и отрасль¶

Электроника — раздел физики и техники, изучающий явления в средах со свободными носителями заряда (электронами, дырками, ионами) и методы создания устройств на их основе. Термин охватывает три взаимосвязанных смысла: научную дисциплину, отрасль промышленности, производящую соответствующие изделия, и совокупность аппаратуры, работающей на принципах управления потоками заряженных частиц.

¶История

¶Зарождение

Основой электроники стали работы по электричеству XIX века: открытие электрона Дж. Дж. Томсоном (1897), исследование разряда в вакууме. В 1904 году Дж. Флеминг запатентовал вакуумный диод, в 1906-м Л. де Форест создал триод — первое устройство с усилительными свойствами. Радиотехника, возникшая одновременно с работами А. С. Попова и Г. Маркони, первое время развивалась отдельно, но вскоре вакуумные лампы стали общим элементом радиоприёмников, передатчиков и телевизоров.

¶Полупроводниковая революция

В 1947 году в Bell Labs Дж. Бардин, У. Брэттейн и У. Шокли создали транзистор, а в 1958-м Дж. Килби (Texas Instruments) и Р. Нойс (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга предложили идею интегральной схемы. Переход от ламп к полупроводникам резко уменьшил размеры, энергопотребление и стоимость аппаратуры. В СССР полупроводниковая электроника развивалась с конца 1940-х годов; в 1950-е были освоены транзисторы на германии, затем на кремнии, в 1960-е началось производство интегральных схем.

¶Разделы электроники

• Аналоговая электроника — обработка непрерывных сигналов: усилители, осцилляторы, фильтры, преобразователи.
• Цифровая электроника — работа с дискретными сигналами (нули и единицы): логические схемы, процессоры, память.
• Мощная электроника — управление большими токами и напряжениями: преобразователи, инверторы, приводы.
• Микроэлектроника — создание миниатюрных схем на полупроводниковых кристаллах.
• Вакуумная электроника — приборы с электронами в вакууме: клистроны, магнетроны, электронные лампы (применяются в СВЧ-технике, радиолокации, усилителях высокой мощности).
• Квантовая электроника — лазеры, мазеры, квантовые генераторы.
• Биоэлектроника — электронные системы, взаимодействующие с биологическими объектами.

¶Основные приборы

¶Производство микросхем

Ключевой технологией современной электроники является фотолитография: рисунок схемы переносится на кремниевую пластину через фотомаску, после чего идут этапы травления, легирования, осаждения слоев. Технологические нормы измеряются нанометрами — к началу 2020-х годов ведущие производители освоили узлы 3–5 нм. Производство сосредоточено у немногих компаний: TSMC (Тайвань), Samsung (Республика Корея), Intel (США). В России действуют заводы «Ангстрем» (Зеленоград) и «Микрон» (Саратов), специализирующиеся на более крупных техпроцессах; также реализуется программа развития полупроводниковой отрасли.

¶Применение

Электроника пронизывает практически все сферы деятельности:

• Потребительская техника — смартфоны, телевизоры, компьютеры, бытовая техника.
• Связь — мобильные сети, спутниковая связь, оптоволоконные линии с электронными усилителями.
• Промышленность — системы автоматизации, промышленные контроллеры, электроприводы.
• Транспорт — бортовая электроника, навигация, электронные системы управления двигателем.
• Медицина — томографы, кардиомониторы, слуховые аппараты, кардиостимуляторы.
• Наука — ускорители частиц, радиотелескопы, измерительные приборы.
• Военная техника — радиолокация, системы связи, управляемое вооружение.

¶Электроника в России

Отечественная электроника берёт начало в 1920-х годах с создания первых радиозаводов. В советский период были разработаны оригинальные семейства интегральных схем (серии 133, 1533, 176), сверхбыстрые ЭВМ (БЭСМ, «Эльбрус»), электроника для космических программ. После 1990-х годов отрасль пережила спад, зависимость от импорта микросхем выросла. С 2010-х годов проводится политика импортозамещения: поддержка отечественных фабрик, разработка собственных процессоров («Эльбрус», «Байкал», «Гранит-М»), развитие программного обеспечения. Основные центры — Москва и Московская область (Зеленоград), Санкт-Петербург, Саратов, Нижний Новгород.

¶Перспективные направления

Развиваются сверхпроводниковая электроника, гибкая и прозрачная электроника, нейроморфные чипы, имитирующие работу нейронных сетей, квантовые вычисления. Прогресс по закону Мура — удвоение числа транзисторов на кристалле примерно каждые два года — замедляется, что стимулирует поиск новых материалов: графен, углеродные нанотрубки, ионисторы.

¶Литература

• Фролов А. Д., Лурье Г. А. Курс общей физики. Том 3. Электричество.
• Дзюбенко Б. В. и др. Электроника: учебник для вузов.
• Гуревич А. Г. Электронные и ионные приборы.