Этапы развития элементной базы РЭС

ВВЕДЕНИЕ

 

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЭС. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ РЭС. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЭС И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КОНСТРУКЦИЮ РЭС.

 

Курс “Введение в специальность технология радиоэлектронных средств” является базой для многих специальных дисциплин конструкторско-технологического профиля. Широкое распространение радиоэлектронных средств во всех отраслях народного хозяйства вызывает необходимость получения специалистами всех специальностей основ теоретических и практических знаний по существующей технологии разработки, изготовления и эксплуатации радиоэлектронных средств (РЭС).

Под РЭС понимают изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники. Термин «радиотехника» широко использовался до 50-х годов ХХ века и определял область науки и техники, связанную c генерацией, излучением, приемом и преобразованием радиоволн. Электроника это область науки, связанная с созданием приборов, принцип работы которых основан на взаимодействии электронов с электромагнитными полями внутри вакуумных приборов и полупроводников (элементная база РЭС).

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе.

Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ – позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. РЭС на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека. Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует совершенствование РЭС и ее элементной базы.

Этапы развития элементной базы РЭС

Первый этап

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл–полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико–химического общества в Петербурге. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний – детекторов.

Поэтому на первом этапе своего развития одним из основных применений радиоэлектронных средств было развитие средств связи. Их развитие началось практически сразу после разработки основных положений о технических принципах организации связи посредством электрических сигналов. Это закономерно, так как по мере развития общества и вовлечения все большей массы людей в решение задач как промышленного, так и военного назначения, роста специализации выполняемой ими работы требуются все более и более совершенные инструменты оперативного управления трудовыми, материальными и военными ресурсами.

Второй этап

Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. За ним последовало изобретение первой усилительной лампы – триода в 1907 году.

1913 – 1919 годы – период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания. В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт–Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР.

Третий этап

Третий период развития электроники – это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии и Германии. Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы – транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:

– униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.

– биполярные, где использовались разнополярные носители (электроны и дырки).

Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

Появление микроэлектроники

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных электрорадиоэлементов и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств.

Решение проблемы межсоединений путем применения печатных плат в качестве несущей и коммутационной структуры явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40-х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла.

Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных).

Четвертый этап

В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965–85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других.

Два директивных решения фирм IBM и Fairchild принятых в 1961–1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС.

1) Решение фирмы IBM (Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ (запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов (металл-окисел-полупроводник – МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973 г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ – IBM- 370/158.

2) Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них.

Тем временем в июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии – Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов. В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты.

Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.

Настоящее электроники

В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень – наноэлектронику. Наноэлектроника в первую очередь базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых структурах пониженной размерности.

Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах.

Одним из возможных работ связанных с наноэлеткроникой является работы по созданию материалов и элементов ИК-техники. Они востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем «искусственного» (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.

Применение РЭС.

В настоящее время РЭС исполь­зуется для связи, управления, на­вигации, различных научных иссле­дований, производстве и быту. Основные сферы приложения РЭС следующие.

Радио, оптическая и проводная связь —передача радиосигналов от одного абонента к другому по радио, оптическим или проводным линиям связи.

УКВ радиостанция Радий-М

 

Сотовый телефон

 

Радиовещание и телевидение — пе­редача речевых, музыкальных и ви­зуальных ознакомительных или раз­влекательных сообщений большим группам людей. Могут использоваться для специальных це­лей в условиях работы промышлен­ных, зрелищных, медицинских и других организаций (диспетчерские устройства связи, промышленное и медицинское телевидение, специаль­ные звуковые эффекты и т. п.).

Телевизор

Радио mp3 плеер

 

Радиоуправление — управление по радио, с помощью инфракрасного излучения или проводам с помощью ра­диосигналов промышленными, на­учными или военными объектами.

 

 

Эти устройства по внешнему виду напоминают миниатюрные танки — их высота 1,2 метра, а вес — 50 килограммов. Гусеничные машины оснащены инфракрасными камерами и специальными датчиками и способны обнаруживать ядерное, биологическое и химическое оружие.

 

Радиотелеметрия — получение информации о работе и состоянии объектов и людей с помощью спе­циальных сервисных устройств и линий связи.

 

Радиолокация — определение координат и характеристик объекта активными (источники импульсного или непрерывного излучения в составе РЛС) или пассивными (источ­ник радио- или теплового излуче­ния сам объект) методами.

Аэродромная РЛС Лира А-10

 

 

Радиолокационная станция - всевысотный обнаружитель (ВВО) 96Л6Е предназначена для обнаружения и измерения координат целей

 

Радионавигация — особо точ­ное определение координат объекта с помощью специальных источников радиоизлучения с точно известными координатами (например, от системы геостационарных искусственных спутников Земли, береговых радиовещательных или специальных станций). Обеспечивает большую точ­ность (особенно на больших расстоя­ниях) по сравнению с радиолокацией.

GPS - навигатор

 

Радиоастрономия — получение информации о космических объек­тах с помощью приема и анализа их радиоизлучения. Так как ширина «радиоокна» в атмосфере намного больше оптического, то и количество информации тоже намного больше.

Радиотелескоп - РТ-22

 

Медицинская радиоэлектроника — использование методов и средств радиоэлектроники в биомедицин­ских исследованиях, в. качестве элек­тронных стимуляторов деятельности отдельных органов человека, в со­здании протезов и диагностических систем.

Автоматический измеритель артериального давления на запястье

 

Радиоизмерения — создание и использование специальных уст­ройств для измерения или имитации различных сигналов, преимуществен­но электромагнитной природы. Например, различные электронные измерительные приборы, электронные часы, сред­ства комплексного контроля и дру­гие подобные устройства.

 

 

Измеритель уровней электромагнитных излучений П3-41

 

 

Устройства обработки данных — в первую очередь это ЭВМ, а также устройства вычислительной техники в составе систем автома­тизированного управления (АСУ).

 

Промышленный компьютер для систем автоматического управления производственными процессами.

 

Устройства записи и воспроизве­дения сигналов — приспособления для записи и воспроизведения аку­стических, визуальных и специаль­ных сигналов на проволочных, лен­точных, дисковых, плоских ферро­магнитных (магнитная запись), оп­тических (в том числе голографическая запись) и других по форме и физической природе носителях.

 

DVD проигрыватель

 

Устройства энергетического ха­рактера — приспособления для непосредственного воздействия на свойства материалов или объект уп­равления (некоторые устройства квантовой электроники, используе­мые в технологии микросхем, высоко­частотная закалка, электроэрозионная обработка, аппаратура фи­зиотерапии, специальные выходные устройства управления и т. п.). Их ча­сто (как и некоторые электромеха­нические и фотооптические устрой­ства) не включают в радиоэлектро­нику.