Нанотехнологии в электронике

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………….. 7 ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ НАНООБЪЕКТОВ ………. 9 1.1 Общие сведения ……………………………………… 9 1.2 Классификация нанообъектов ………………………….. 11 1.3 Наночастицы и наносистемы …………………………… 15 1.4 Основные термины индустрии наносистем ………………… 16 ГЛАВА 2 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ………………….. 19 2.1 Общие сведения …………………………………….. 19 2.2 Краткая история нанотехнологий ………………………. 20 ГЛАВА 3 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ……….. 22 3.1 Общие сведения …………………………………….. 22 3.2 Закон Мура ………………………………………… 22 3.3 Основные тенденции развития микро- и наноэлектронных систем ……………………………………………. 24 3.4 Перспективы развития модульных систем ………………… 25 3.4.1 История развития …………………………….. 25 3.4.2 Виды модульных систем ………………………… 29 3.4.3 Автоматизация проектирования и производства СБИС и модульных систем …………………………… 31 3.4.4 Нанотехнологий будущих электронных систем ………. 37 3.4.5 Перспективы развития навигационных систем ………. 40 3.5 Перспективы развития цифрового телевидения ……………. 46 3.6 Перспективы развития дисплеев и осветительной техники ….. 51 3.7 Состояние и проблемы внедрения электронных технологий ….. 55 3.8 Формирование современной инфраструктуры проектирования СБИС «система на кристалле» …………………………. 59 3.9 Создание технико-внедренческой зоны наукоемкого производства ………………………………………. 65 3.10 Форсайт в области нанотехнологий …………………….. 68 3.11 Дорожные карты и их применение ………………………. 70 3.11.1 Прогноз инновационного развития в Японии ……….. 72 3.11.2 «Глобальная технологическая революция» (Корпорация RAND, США) ……………………….. 73 3.11.3 Метод дорожных карт и его применение в практике форсайт-исследований …………………………. 74 3.11.4 Разработка технологических дорожных карт ……….. 75 3.11.5 Международная технологическая карта ITRS ……….. 78 3.11.6 Технологическая дорожная карта для производственных наносистем. Институт Форсайта в области нанотехнологий, США …………………… 78 3.11.7 Дорожные карты развития наноиндустрии в России ….. 80 3.11.8 Примеры технологических дорожных карт ………….. 82 3.12 Итоги работы радиоэлектронной промышленности в 2008 году и основные задачи на 2009 год ……………………….. 83 3.12.1 Общие сведения ………………………………. 83 3.12.2 Основные показатели развития РЭП ………………. 83 3.12.3 Научно-техническая политика РЭП ……………….. 84 3.12.4 Инвестиционная политика РЭП …………………… 87 3.12.5 Внешнеэкономическая деятельность ………………. 88 3.12.6 Политика РЭП на отечественных рынках …………… 90 3.12.7 Меры по снижению негативных последствий для предприятий РЭП экономического кризиса …………. 90 3.12.8 Кадровая политика ……………………………. 92 3.12.9 Основные проблемы и задачи РЭП ………………… 93 ГЛАВА 4 КОНЦЕПЦИЯ И ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ НАНОТЕХНОЛОГ ИЧЕСКОЙ СЕТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ …….. 95 4 1. Состояние и перспективы развития наноиндустрии в Российской Федерации ……………………………….. 95 4.2 Цель реализации Концепции развития …………………… 96 4.3 Состав и основные направления деятельности национальной и нанотехнологической сети(ННС) ……………………… 97 4.4 Задачи, решаемые в рамках Концепции ………………….. 99 4.4.1 Исследовательско-технологическая основа (ИТО) ….. 100 4.4.2 Научно-образовательная и кадровая основа ………. 100 4.4.3 Информационно-коммуникационная основа …………. 101 4.4.4 Организационная основа ………………………. 102 4.4.5 Правовая основа …………………………….. 103 4.5 Программно-целевое развитие наноиндустрии в России ……. 103 4.6 Корпорация «РОСНАНОТЕХ» ……………………………. 105 ГЛАВА 5 ВОЕННО-ПОЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ НАНОПРОДУКЦИИ И СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ………………… 109 5.1 Общие сведения ……………………………………. 109 5.2 Наноугрозы и риски ………………………………… 110 5.3 Роль наноиндустрии в обеспечении национальной безопасности ……………………………………… 111 5.4 Реализованные проекты специального назначения с использованием нанотехнологий ………………………. 112 5.5 Перспективные проекты специального назначения с использованием нанотехнологий ………………………. 114 5.5.1. Проект «Умная пыль» …………………………. 115 ГЛАВА 6 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ………………………………… 118 6.1 Общие сведения ……………………………………. 118 6.2 Полупроводниковые приборы ………………………….. 118 6.3 Персональные компьютеры ……………………………. 119 6.4 Электронная промышленность в средствах связи …………. 120 6.5 Современное состояние электронной промышленности ……… 120 6.5.1 Мировые лидеры по производству электронной продукции ………………………………….. 121 6.5.2 Состояние электронной промышленности в России ….. 122 6.5.3 Признаки возрождения электронной промышленности в России …………………………………… 125 6.5.4 Перспективы развития электронной промышленности в России …………………………………… 127 ГЛАВА 7 ВИДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА НАНОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ………………………… 129 7.1. Общие сведения ……………………………………. 129 7.2 Основы кремниевой технологии ……………………….. 130 7.2.1 Кристаллическое строение и зонная структура полупроводников …………………………….. 130 7.2.2 Понятие о групповом методе изготовления электронных приборов ………………………… 133 7.2.3 Планарная технология ………………………… 134 7.2.4 Пленочная и гибридная технология ……………… 134 7.2.5 Полупроводниковая технология …………………. 136 7.2.6 Переход к кремниевой нанотехнологий …………… 139 7.3 Общие сведения об углеродной нанотехнологий ………….. 144 7.4 Основные материалы углеродной нанотехнологий …………. 145 7.4.1 Углеродные нанотрубки ……………………….. 145 7.4.2 Фуллерены ………………………………….. 146 7.4.3 Графен …………………………………….. 147 7.5 Продукты углеродной нанотехнологий ………………….. 147 7.6 Органические нанотехнологий ………………………… 148 7.6.1 Жидкие кристаллы ……………………………. 148 7.6.2 OLED технология …………………………….. 158 7.6.3. Состояние разработок OLED ……………………. 163 7.7 Квантовая нанотехнология …………………………… 164 7.7.1 Общие сведения ……………………………… 164 7.7.2 Разработки в области квантовых компьютеров …….. 166 7.7.3 Разработки в области квантовой криптографии ……. 176 7.8 Молекулярная нанотенология …………………………. 178 7.8.1 Введение в молекулярную технологию ……………. 178 7.8.2 История концепции молекулярной нанотехнологии ….. 182 7.8.3 Оценки ожидаемых параметров молекулярных наномехаиических устройств ………………….. 183 7.8.4 Стратегии реализации молекулярной нанотехнологии ……………………………… 186 7.8.5 Молекулярный транзистор ……………………… 188 7.8.6 Одноэлектронный транзистор …………………… 189 ГЛАВА 8 НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ……………………………………….. 191 8.1 Общие сведения ……………………………………. 191 8.2 Конденсаторы для наноэлектронных систем ……………… 192 8.3 Источники электроэнергии для наноэлектронных систем …… 197 8.3.1 Способы получения электроэнергии ……………… 201 8.3.2 История химических источников тока ……………. 202 8.3.3 Основные типы аккумуляторов для мобильных устройств ………………………………….. 208 8.3.4 Состояние и перспективы развития производства химических источников тока …………………… 210 8.3.5 Тенденции развития сегмента вторичных систем до 2010 года ………………………………….. 215 8.3.6 Производители перспективных типов химических источников …………………………………. 218 8.4 Наноэлектронные транзисторы ………………………… 219 8.4.1 Наноэлектронные транзисторы на основе структур хранения на сапфире …………………………. 222 8.4.2 Нанотранзисторы с гетеропереходами ……………. 228 8.5 Наноэлектронные переключатели и ячейки памяти ………… 233 8.5.1 Квантово-точечные клеточные автоматы ………….. 233 8.5.2 Молекулярные переключатели …………………… 235 8.5.3 Перспективы использования нанотехнологии при изготовлении устройств хранения информации …….. 237 8.6 Наноэлектронные лазеры …………………………….. 239 8.6.1 Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами ……………………………….. 239 8.6.2 Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами ……………………………….. 242 8.6.3 Оптические модуляторы ……………………….. 249 8.7 Дисплеи и осветительные приборы с использованием наноматериалов ……………………………………. 251 8.7.1 Дисплеи и осветительные приборы на основе нанотрубок …………………………………. 251 8.7.2 Перспективы создания дисплеев невидимок ……….. 253 8.8 Фотоприемные наноэлектронные устройства и системы …….. 254 8.8.1 Фотоприемники на квантовых ямах ………………. 254 8.8.2 Фотоприемники на основе квантовых точек ……….. 257 8.9 Устройства и системы хранения информации …………….. 262 8.9.1 Виды запоминающих устройств ………………….. 262 8.9.2 Элементы памяти …………………………….. 264 8.9.3 Фотоприемные ПЗС ……………………………. 265 8.9.4 КМОП-фотодиодные СБИС и их применение …………. 267 8.10 Наноэлектронные изделия для компьютерных систем ………. 270 8.10.1 Однокристальные системы ……………………… 270 8.10.2 Системы для компьютеров ……………………… 272 8.11 Перспективы разработок квантовых информационных систем … 278 8.12 Наноэлектронные системы для беспроводной связи ……….. 284 8.13 Перспективы разработок наноэлектронных систем ………… 285 ГЛАВА 9 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ………………….. 292 9.1 Общие сведения ……………………………………. 292 9.2 Области применения МЭМС и НЭМС ……………………… 292 9.3 Состояние и перспективы разработок МЭМС и НЭМС ……….. 298 ГЛАВА 10 МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА НАНОПРОДУКЦИИ …………………………………. 305 10.1 Нанориски — новые угрозы для здоровья и окружающей среды ……………………………………………. 305 10.1.1. Новая категория рисков ……………………… 305 10.2 Европейские инициативы в области оценки нанорисков ……. 306 10.3 Руководства по безопасному обращению с наночастицами и наноматериалами …………………………………… 307 10.3.1 Стандарт корпорации DuPont для оценки нанорисков …………………………………. 310 10.3.2 Стандарты как ответ на угрозы, связанные с нанорисками ………………………………… 312 10.4 Рекомендации по исследованию токсичности наночастиц в лабораторных условиях ……………………………… 313 10.5 Материалы и оборудование, используемые при определении острой токсичности наночастиц ………………………. 315 10.6 Перспективы разработки медицинских нанороботов ……….. 318 10.7 Проблемы безопасности ……………………………… 321 ГЛАВА 11. НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ……………….. 322 11.1 «НаноФаб-100» — платформа для наноэлектроники ………… 322 11.2 Установка эпитаксильного наращивания слоев для индивидуальной обработки подложек большого диаметра …… 322 11.3 Новейшие разработки НИИ точного машиностроения. Комплект вакуумных установок для научных исследований и отработки технологических процессов наноэлектроники …. 323 11.4 Новое поколение установок молекулярно-лучевой эпитаксии ………………………………………… 324 11.5 Оборудование для наноструктурного анализа материалов и покрытий …………………………………………. 325 11.6 Нанотехнологический комплекс оборудования NanoEducator … 326 11.6.1 Устройство и принцип работы ………………….. 327 11.6.2 Конструкция СЗМ NanoEducator …………………. 329 11.6.3 Техническая спецификация прибора ……………… 332 11.6.4 Режимы работы ………………………………. 332 11.6.5 Дополнительные приложения NanoEducator ………… 333 ГЛАВА 12 ПОДГОТОВКА КАДТОВ ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ «НАНОТЕХНОЛОГИЯ» … 336 12.1 Материально-техническая база кадровой инфраструктуры наноиндустрии …………………………………….. 336 12.1.1 Научно-образовательные центры ………………… 337 12.1.2 Центры коллективного пользования ……………… 340 12.1.3 Кафедры и лаборатории ……………………….. 342 12.2 Целевые индикаторы выполнения задач программы развития (по итогам выполнения программы развития к 2010 г.) …… 345 12.3 Перечень вузов, ведущих подготовку по специальности «Нанотехнология в электронике» ……………………… 347 12.4 Потенциал СибГУТИ для работ в области нанотехнологий и наноэлектроники …………………………………… 348 Список цитированной литературы ………………………….. 351 Перечень принятых сокращений ……………………………. 361 ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………. 362

Молодая профессия электроника и наноэлектроника устремляется в будущее. Все перспективные направления науки и техники нуждаются в специалистах этого профиля. Они занимаются разработкой электронных приборов и гаджетов, создают инструкции по их использованию, модернизируют различные производства, используя инновационные технологии.

Выручка специалистов в России

Молодой специалист со степенью бакалавра с самого начала своей карьеры зарабатывает не больше 20000 руб. ($284) в месяц. Через несколько лет его оклад поднимается до 40 – 60 тыс. ($604 – 906).

В зависимости от места работы, столичные инженеры электроники получают ежемесячный доход:

  • машиностроительный завод – 45000 руб. ($680);
  • деловой центр – 35000 ($529);
  • музей «Царь макет страны» — 50000 ($755);
  • СИТИ паркинг – до 60000;
  • Автосалон «Renault» — 70000 ($1057).

Средняя зарплата составляет:

  • в Москве — от 50000 ($755) до 120000 руб. ($1812);
  • по стране – от 22000 ($332) до 90000 ($1359).

В таблице показаны доходы электроников и наноэлектроников на разных предприятиях страны:

Город Оклады инженеров
RUR USD
Завод «Магнетон» Питер 40000 604
З-д металлоконструкций Челябинск 40000
КГ «ЭМИС» — / — 60000 906
З-д транспортной электроники Омск 35000 529
НТК «Криогенная техника» — / — 30000 453
Мясокомбинат Пермь 25000 378
АО «Высокие технологии» Брянск 21000 317
СПК-Чимолаи Краснодар 56000 846
ОКБ «Микрон» Красноярск 35000 529
ТПК «Контакт» Новокузнецк 50000 755
ОКБ «НАВИСЕТ» Омск 20000 302
ПК «Форвард» Новосибирск 25000 378
Подшипниковый завод Самара 23000 347

Карьера инженера электроника складывается из повышения категории – с 3 до 1 и получения новой должности – начальник отдела, главный инженер производства и даже директор завода.

Профессионал может работать:

  • конструктором наноматериалов;
  • микроэлектронщиком;
  • наноматериаловедом;
  • схемотехником;
  • нанофизиком;
  • электронщиком и микроэлектронщиком и др.

Сфера деятельности распространяется на производственные, медицинские, научные предприятия и учреждения, а также – узлы связи и телекоммуникаций.

Обучение в ВУЗе по специальности «электроника и наноэлектроника» стоит от 24000 ($362) до 260000 руб. ($3927) в год.

Доходы специалистов среднего звена

За 4 года обучения в университете, получают степень бакалавра. Специалист становится техником электроником.

Он помогает проводить исследования и разработку электронных приборов, делает ремонт и монтаж различного оборудования.

В зависимости от опыта работы и навыков, он зарабатывает:

  • минимум – 25900 руб. ($391);
  • средний уровень – 38000 ($574);
  • максимум – 157300 ($2376).

Выручка зависит от места проживания:

  • Москва – 53000 ($800);
  • Санкт-Петербург – 44000 ($665);
  • Владивосток – 40000 ($604);
  • Нижний Новгород – 37000 ($559);
  • Уфа – 34000 ($513);
  • Волгоград – 30000 ($453).

Прибыли коллег в странах СНГ

Украина

Инженеры радиотехники в стране – дефицитные и востребованные специалисты, их жалованье достигает 80000 грн ($2863) в месяц.

Профессионалы зарабатывают:

  • инженер схемотехник – 40000 ($1432);
  • — / — проекта – 17167 ($614);
  • — / — радиотехник – 15000 ($537);
  • — / — передвижной телестанции на канале «Интер» — 6000 ($215);
  • — / — по аппаратному обеспечению – 20000 ($716);
  • — / — проектировщик слаботочных систем – 23750 ($850).

Начальный заработок специалистов – 2600 грн ($93). Профессионалы с опытом работы от 2-х лет, получают 5000 ($179). Стаж до 5 лет дает право на оклад в размере 8700 ($311).

В разных городах радиотехники зарабатывают:

  • Львов – 14750 грн ($528);
  • Киев – 7000 ($251);
  • Харьков – 6500 ($233);
  • Одесса – 5200 ($186);
  • Запорожье – 4000 ($143).

Казахстан

Специалисты, связанные с радиоэлектроникой и телекоммуникациями, зарабатывают:

  • мастер-радиотехник – 80 – 200 тыс. тенге ($216 – 539);
  • — / — по ремонту телевизоров – 150 – 180 тыс. ($404 – 485);
  • — / — автомобильный – 200000;
  • инженер электроник на производстве – 100000 ($269);
  • специалист по ремонту и настройке оборудования – 200000.

Беларусь

Техник электроник в Беларуси получает от 350 до 700 бел. руб. ($165 – 330). Другие специалисты зарабатывают:

  • Инженер схемотехник – до 2000 ($943);
  • — / — электроник – от 300 до 1000 ($160 – 472);
  • — / — радиотехник – от 400 до 850 ($189 – 401).

Техник электроник производит ремонт мобильных устройств, медицинской и банковской аппаратуры, электронные системы на автомобилях.

Вакансии в Москве

  1. АОНПО Лавочкина, для участия в разработке и испытании космических аппаратов, требуется инженер электроник. Оклад – 55 – 70 тыс. руб. ($831 – 1057).
  2. Мосэнерго, метро Речной вокзал, для осуществления технического обслуживания и надежной эксплуатации АСУ ТП, требуется специалист в области электроники. Зарплата – до 100000 ($1510).
  3. В НИИ точных приборов требуется конструктор по радиоэлектронике, владеющий компьютерными программами Mentografik и Автокад. Оплата труда – от 40000 до 60000 ($604 – 906).

Инженер-электронщик

Сфера деятельности

Производство электронных устройств

Вид деятельности

Творить, создавать нечто новое, проектировать

Анализировать и упорядочивать текстовую информацию, делать расчеты

Контролировать, проверять, оценивать

Работать по технологии, в соответствии с требованиями и правилами

Краткое описание

Компьютер, мобильный телефон, бытовая техника и прочие электронные устройства – все эти вещи делают нашу жизнь комфортнее. Они позволяют меньше времени тратить на рутинные обязанности, вроде мытья посуды или приготовления пищи, быстрее и эффективнее работать с большими объемами информации, общаться и даже путешествовать по миру, не выходя из дома. Разработкой и эксплуатацией электронных приборов занимается инженер-электронщик.
Инженер-электронщик проектирует электронные схемы, собирает и тестирует электронные компоненты, отвечающие за работу электронных приборов и устройств. Инженер-электронщик занят в самых разных областях производства электронной техники. Например, специалист может проектировать электронные схемы для таких областей, как телекоммуникация (например, компоненты мобильных телефонов), аэрокосмическая навигация (например, системы управления искусственными спутниками, системы навигации самолетов), системы управления ходом кораблей (например, радары) и так далее.
Инженер-электронщик также обеспечивает бесперебойную высокопроизводительную работу электронного оборудования, его правильную техническую эксплуатацию, занимается ремонтом. Специалист готовит приборы к работе, контролирует надежность электронных компонентов техники, проводит испытания, чтобы своевременно обнаружить неисправности и устранить их. Кроме того, инженер-электронщик планирует и разрабатывает модификации электронных приборов, чтобы повысить их функциональность.

Где учиться

Направления обучения:

    • Информатика и вычислительная техника (09.00.00)
    • Информационная безопасность (10.00.00)
    • Электроника, радиотехника и системы связи (11.00.00)
    • Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии (12.00.00)

Вузы:
09.05.01 – Применение и эксплуатация автоматизированных систем
специального назначения

    • Всероссийская академия ракетных войск им. Петра Великого (ВАРВСН)
    • Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (НИЯУ МИФИ) Факультет кибернетики и информационной безопасности

10.05.07 – Противодействие техническим разведкам

    • Академия ФСБ России (АФСБ) Оперативно-технический факультет

11.03.01 – Радиотехника

    • Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) Факультет «Радиоэлектроника летательных аппаратов», «Радиовтуз МАИ»
    • Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) Институт радиотехнических и телекоммуникационных систем
    • Национальный исследовательский университет МИЭТ (МИЭТ) Факультет микроприборов и технической кибернетики
    • Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ) Факультет «Радио и телевидение»
    • Московский энергетический институт (технический университет) (МЭИ) Радиотехнический факультет

11.03.03 – Конструирование и технология электронных средств

    • Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского (МАТИ) Институт аэрокосмических конструкций, технологий и систем управления
    • Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана (МГТУ) Факультет «Информатика и системы управления»
    • Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) Институт радиотехнических и телекоммуникационных систем
    • Национальный исследовательский университет МИЭТ (МИЭТ) Факультет интеллектуальных технических систем

11.03.04 – Электроника и наноэлектроника

    • Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (МГРИ РГГРУ) Геофизический факультет
    • Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана (МГТУ) Факультет «Машиностроительные технологии»
    • Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) Институт электроники
    • Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (МИСиС) Институт новых материалов и нанотехнологий
    • Национальный исследовательский университет МИЭТ (МИЭТ) Факультет электроники и компьютерных технологий
    • Московский энергетический институт (технический университет) (МЭИ) Институт радиотехники и электроники

11.05.01 – Радиоэлектронные системы и комплексы

    • Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) Институт радиотехнических и телекоммуникационных систем
    • Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) Факультет «Радиоэлектроника летательных аппаратов», «Радиовтуз МАИ»
    • Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана (МГТУ) Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
    • Московский энергетический институт (технический университет) (МЭИ) Радиотехнический факультет

12.05.01 – Электронные и оптико-электронные приборы и системы
специального назначения

    • Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана (МГТУ) Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
    • Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) Институт электроники
    • Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК) Факультет оптико-информационных систем и технологий

Где работать

    • Предприятия, занимающиеся производством электронной аппаратуры и техники
    • Сервисные центры
    • Мастерские по ремонту электронной техники

Компании мечты:*

    • 3Q
    • Explay
    • Gresso
    • Группа «Ангстрем»
      *Информация основана на рейтингах сайтов по поиску работы

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Опубликовано nikst в 28 декабря, 2012 — 18:31

Наноэлектроника – достижения и перспективы

Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона

Однако наноэлектроника связана с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов на порядки меньше, не превышающими 100 нм, а иногда и 10 нм.

  • Главной особенностью наноэлектроники является в первую очередь не простое механическое уменьшение размеров, а то, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты, использование которых может стать очень перспективным. При переходе от микро- к наноэлектронике появляющиеся квантовые элементы зачастую мешают, например, работа обычного транзистора затрудняется из-за появления туннелироания носителей заряда, однако в новой электронике квантовые эффекты становятся основой.

Уже в 70–80 годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы и квантовые точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны соответствующие технологические процессы, представляющие собой логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики: эпитаксии, диффузии, имплантации, напыления, окисления и литографии. В производство электронных компонентов стали внедряться такие технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевая имплантация, фотонный отжиг и многие другие.

  • Одной из важных вех на пути развития наноэлектроники стало создание сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп.

Метод сканирующей туннельной микроскопии,изобретенный в начале 80-х, основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды из металлической проволоки подвергаются предварительной обработке (такой, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующей обработке в сверхвысоковакуумной камере. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. Приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы. Именно так была в 1990 году сделана знаменитая надпись IBM из 35 атомов ксенона.

  • Что касается атомно-силового микроскопа, то он представляет собой сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения и используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, с помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, и, так же, как и с помощью туннельного, перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.

Следующим открытием, по мнению многих ученых, определившим облик электронных схем будущего, стало появление нанотрубок и графена.

  • Нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру толщиной в несколько атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Например, если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута — полупроводником. Нанотрубки могут придать электронным схемам революционные механические и оптические свойства, или, говоря простым языком, сделать электронику гибкой и прозрачной. Нанотрубки более подвижны и не задерживают свет в тонком слое, так что опытные матрицы с интегральными схемами можно изгибать без потери электронных свойств. Оптимисты предсказывают, что не за горами день, когда ноутбук можно будет носить в заднем кармане джинсов, потом, сев на скамейку, развернуть до размера газеты, причем вся его поверхность станет экраном высокого разрешения, а после этого снова свернуть и, скажем, превратить в браслет на запястье.
  • Графен – один из самых известных видов материалов, при создании которых использовались нанотехнологии. Графен – двумерный кристаллический углеродный наноматериал, который можно представить себе как пластину, состоящую из атомов углерода. Данный материал обладает уникальными токопроводящими свойствами, которые позволяют ему служить как очень хорошим проводником, так и полупроводником. Кроме того, графен чрезвычайно прочен и выдерживает огромные нагрузки, как на разрыв, так и на прогиб. В настоящее время графен получают путем отшелушивания чешуек от частиц графита, однако существуют разработки, позволяющие получать данный материал в промышленных масштабах. Данный материал впервые получен и открыт группой российских ученых из Манчестерского университета.

Графен рассматривается как первый кандидат для применения в компьютерах, мониторах, солнечных батареях и гибкой электронике. В новом докладе «Углеродные нанотрубки и графен в прикладной электронике в 2011–2021 годах» IDTechEx прогнозирует, что УНТ и графеновые транзисторы станут доступными на рынке, начиная с 2015 года. По словам IDTechEx широкого применения оба материала найдут в печатной и потенциально печатной электронике, где стоимость этих устройств, которые частично будут включать эти материалы, будет достигать более $ 44 млрд в 2021 году.

  • Изобретение транзистора в 1947 привело к бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий, которые легли в основу современной электроники. За полвека транзистор уменьшился примерно в сто тысяч раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе и сегодня мы наблюдаем появление нанотранзисторов, то есть транзисторов, размеры которых исчисляются нанометрами.

Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами.

  • Однако, при таком радикальном уменьшении линейных размеров происходит реальное изменение качества работы, так как свойства самих электрических сигналов в наномире оказываются существенно иными, нежели в микромире. Электрический ток теперь нельзя представлять в виде некоего подобия «электрической жидкости» или «электронного газа», протекающих через управляемый вентиль, поскольку в наномире на первый план выходит квантованность электрического заряда.

Первые работающие прототипы нанотранзисторов созданы еще 10 лет назад. В 2001 г. IBM представила первый одноэлектронный транзистор на базе нанотрубок. По мнению специалистов из IBM Research, в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, которая усиливает донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.

  • В то время, как одни исследователи видят будущее наноэлектроники за углеродными материалами, другие работают с традиционным кремнием. Ученые Кембриджского университета и Японской научно-технической корпорации (Токио) разработали одноэлектронный транзистор. Материалом для острова транзистора служит отдельный кластер аморфного кремния.

Проводящий канал транзистора (остров) отделён от стока истока туннельными барьерами из тонких слоёв изолятора, при этом размеры острова – 10 нм. Важной особенностью этого транзистора является то, что он функционирует при комнатной температуре, а, как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем ограничены тем, сколько теплоты они выделяют. Это явление носит название резистивного нагрева.

  • Совсем недавно, в 2011 году, физики из Техасского университета в Далласе (UT Dallas) собрали полевой транзистор из нанопроводов. Диаметр нанопроводов, изготовленных методом литографии, составляет всего 3–5 нм. В устройстве нет легированных полупроводниковых переходов и тем не менее его работа показывает высокую подвижность дырок, хорошую плотность тока, низкий ток утечки и целый ряд других привлекательных свойств.

Еще одной областью, в которой старые методы уступают место нанотехнологиям, является создание накопителей информации.

  • Возможности современных накопителей информации приближаются к своему пределу и в этой связи чрезвычайно актуальной является проблема создания накопителей, работающих на новых принципах. Идеи из области нанотехнологий обращаются к различным физическим принципам.

Одним из подходов является создание схем одноэлектронной памяти, где два-три электрона хранят один бит информации (в современной микроэлектронной памяти для хранения одного бита информации задействовано около 10.000 электронов).

  • Эффект хранения информации в ячейке памяти создается за счет нескольких туннельных переходов, которые определенным образом коммутированы с конденсатором хранения информации. Активными элементами выступают органические молекулы, расположенные в перекрестиях двойной ортогональной сетки перекрещивающихся печатных проводников.

Другая идея нанопамяти подсказана принципом считывания обычного патефона, в котором игла считывает аналоговую информацию. В цифровом варианте единице и нулю соответствуют ямки, выдавленные в полимерном носителе. Ширина каждой ямки – около 40 нм, а глубина – не более 25 нм. Запись осуществляется с помощью щупа высоко допированного кремниевого кантилевера путем локального разогрева – щуп выдавливает ямки в полимере. Считывание осуществляется с помощью того же щупа. Нагрев меняет электрическое сопротивление, что фиксируется и преобразуется в цифровой сигнал. Таким образом, в один квадратный сантиметр можно вместить порядка 500 гигабит информации.

  • Совсем недавно ученые из Тайваня и университета Калифорнии сообщили о разработке памяти на базе наноточек, которые располагаются на слое изолятора и покрыты металлическим слоем, играющем роль затвора. Запись и считывание ведутся с помощью свехркоротких вспышек зеленого лазера, который выборочно активирует определенные участки металлического слоя, создавая затвор над определенной наноточкой. Скорость записи и стирания информации у такого запоминающего элемента в 50–100 раз выше, чем у современных устройств.

Мы видим, что переход к наноэлектронике в определенной степени базируется на достижениях микроэлектроники – использование уменьшающихся до атомарных размеров транзисторов и диодов и собранных из них схем. В то же время будущее сулит новые достижения на основе новых принципов работы на уровне отдельных атомов – использование квантовых эффектов, волновых свойств электрона и других явлений наномира.

История

Возможно, этот раздел содержит оригинальное исследование. Добавьте , в противном случае он может быть удалён.
Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. (3 октября 2014)

Возникновению электроники предшествовало 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 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.

Основными вехами в развитии электроники можно считать:

  • изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников,
  • изобретение Ли де Форестом лампового триода, первого усилительного элемента,
  • использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
  • развитие твердотельной электроники,
  • использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе, Шоттки),
  • изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
  • создание интегральной микросхемы и последующее развитие 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, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита,.. и др.).
  • Энергетика — выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электроприборы высокой мощности (например электродвигатель, электрическая лампа, 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

История твердотельной электроники

Термин твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные 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.

Миниатюризация устройств

С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз — с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

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 структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий 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 — микроэлектроникой.

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 приостановилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением минимально возможных 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 микрочипов называется нанотехнологией.

Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/»дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.

Основные твердотельные приборы

Основные твердотельные активные приборы, 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 э/м 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, используемые как модуль, 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 солярных панелях солярных 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 тразисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях;
  • Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах;
  • Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;
  • Электронный ключ в схемах коммутации сигналов на полевом транзисторе с изолированным затвором;
  • Электронный ключ в схемах с памятью на диоде Шоттки.

Основные различия аналоговой и цифровой электроники

Поскольку в аналоговых и цифровых схемах информация кодируется по-разному, у них отличаются и процессы обработки сигналов. Следует при этом заметить, что все операции, которые могут быть совершены над аналоговым сигналом (в частности, усиление, фильтрация, ограничение диапазона и т. п.) могут быть осуществлены и методами цифровой электроники и программного моделирования в микропроцессорах.

Основное различие аналоговой от цифровой электроники можно найти в наиболее характерных для той или иной электроники способах кодирования информации.

Аналоговая электроника использует простейшее пропорциональное одномерное кодирование — отражение физических параметров источника информации в аналогичные физические параметры электрического поля или напряжения (амплитуды в амплитуды, частоты в частоты, фазы в фазы и т. д.).

Цифровая электроника использует n-мерное кодирование физических параметров источника данных. Минимально в цифровой электронике используется двумерное кодирование: напряжение (ток) и моменты времени. Данная избыточность принята исключительно для гарантированной передачи данных с любым программируемым уровнем добавленных в устройстве шумов и искажений в исходный сигнал. В более сложных цифровых схемах используется методы программной микропроцессорной обработки информации. Методы цифровой передачи данных позволяют реально создавать физические каналы передачи данных абсолютно без потерь (без возрастания шумов и других искажений)

В физическом же смысле поведение всякой цифровой электронной схемы и всего устройства ничем не отличается от поведения аналогового электронного устройства или схемы и может быть описано теорией и правилами, описывающими функционирование аналоговых электронных устройств.

Шум

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы к воздействию шума, нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов. До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Шум является одним из ключевых факторов, влияющих на точность сигнала; в основном это шум, присутствующий в исходном сигнале, и помехи, вносимые при его передаче (см. Отношение сигнал-шум). Фундаментальные физические ограничения — к примеру, т. н. «дробовой» шум в компонентах — устанавливают пределы разрешения аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность обеспечивается использованием вспомогательных разрядов, характеризующих сигнал; их количество зависит от производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Сложность разработки

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации. Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе. К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.

Типология схем

Электронные схемы и их составляющие могут быть разделены на два ключевых типа в зависимости от общих принципов их функционирования: аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные). Одно и то же устройство может состоять как из схем одного типа, так и из смешения обоих типов в той или иной пропорции.

Аналоговые схемы

В основном аналоговые электронные приборы и устройства (радиоприёмники, например) конструктивно представляют собой сочетание нескольких разновидностей базовых схем. В аналоговых цепях используется непрерывный диапазон напряжения, в противоположность дискретным уровням, которые применяются в цифровых схемах. На данный момент разработано существенное количество разнообразных аналоговых контуров — в особенности их число велико в силу того, что под «схемой» можно понимать многое: от единственного компонента до целой системы, состоящей из тысяч элементов. Аналоговые схемы ещё называют иногда линейными (хотя необходимо заметить, что в некоторых их видах — преобразователях, к примеру, или модуляторах, — используются и многие нелинейные эффекты). В качестве характерных примеров аналоговых контуров можно назвать электронные лампы и транзисторные усилители, операционные усилители и осцилляторы.

В настоящее время сложно найти такую электронную схему, которая была бы полностью аналоговой. Сейчас в аналоговых цепях используются цифровые или даже микропроцессорные технологии, позволяющие увеличить их производительность. Такая схема обычно называется не аналоговой или цифровой, а смешанной. В некоторых случаях провести чёткое разграничение между непрерывными и дискретными схемами сложно — в силу того, что как те, так и другие включают в свой состав элементы и линейного, и нелинейного характера. Примером может послужить, допустим, компаратор: получая на входе непрерывный диапазон напряжения, он в то же время выдает на выходе лишь один из двух возможных уровней сигнала, подобно цифровой схеме. Похожим образом перегруженный транзисторный усилитель может приобрести свойства контролируемого переключателя, также имеющего два уровня выходного сигнала.

Цифровые схемы

К цифровым относятся схемы, основанные на некотором количестве дискретных уровней напряжения. Они представляют собой наиболее типичную физическую реализацию булевой алгебры и составляют элементную основу всех цифровых компьютеров. Термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логическая схема» часто при этом рассматриваются как синонимичные. Для цифровых схем характерна, как правило, двоичная система с двумя уровнями напряжения, которые соответствуют логическому нулю и логической единице соответственно. Часто первый соотносится с низким напряжением, а вторая — с высоким, хотя встречаются и обратные варианты. Изучались также и тернарные логические схемы (то есть с тремя возможными состояниями), предпринимались попытки построения компьютеров на их основе. Помимо вычислительных машин, цифровые схемы составляют основу электронных часов и программируемых логических контроллеров (используемых для управления промышленными процессами); ещё одним примером могут служить цифровые сигнальные процессоры.

К числу базовых конструктивных элементов этого типа относятся:

  • Логические вентили
  • Сумматоры
  • Триггеры (в том числе триггеры Шмитта)
  • Счётчики
  • Регистры
  • Мультиплексоры

Устройства с высокой степенью интеграции:

  • Микропроцессоры
  • Микроконтроллеры
  • Интегральные схемы для специфического применения (ASIC)
  • Цифровые сигнальные процессоры (DSP)
  • Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA)

и др.

Введение

Сегодня электрические устройства помогают управлять АЭС, самолётами, кораблями, готовить пищу, запускать спутники и исследовать дальние миры. Поэтому что такое электроника в нынешнее время должны знать почти все. Тем более что электричество изучают в школах и университетах.

С точки зрения обычного человека электроника это отрасль, которая поставляет полезные приборы для дома и работы, а с точки зрения радиолюбителя — целая наука, которая объединяет в себе успехи математики, физики, химии и производственных технологий. Если тебе интересна электроника, то ты попал на правильный сайт.

На первых порах электроника может показаться тебе крутой, неприступной горой, которая завораживает своими невероятно красивыми снежными пиками. Возможно, ты сейчас думаешь, что только избранные могут осилить изучение электроники. Я считаю иначе. Если кто-то смог её освоить, то и ты сможешь. Надо только разобраться как устроен мир электроники, ухватить общие идеи, а затем постепенно углублять знания.

Если сто лет назад электроники не существовало и информация была в основном об электричестве и электрических машинах, то сегодня электроника представляет огромный мир с множеством направлений. Поэтому можно слегка с грустью, но правдиво заметить, что всё изучить невозможно и хвататься за всё подряд будет плохим решением.

В начале радиолюбительского пути особенно трудно. Сейчас доступно много информации по электронике и глаза разбегаются с чего начать и с какого края к ней подойти. Я сам был на твоём месте и честно скажу — голова порой кипела. Поэтому я и решил написать путеводиль по электронике для начинающих радиолюбителей. С его помощью я хочу помочь тебе ступить на радиолюбительский путь и войти в мир электроники.

Электроника — это занимательно, интересно, красиво и мне хочется, чтобы больше людей увлекались электроникой. Развитие современного общества целиком полагается на успехи электроники. Она более, чем достойна стать как хобби, так и полноправной профессией на всю жизнь.

Почему следует прочитать мой путеводитель?

Традиционно изучение электроники начинается снизу вверх: сначала рассказывается что такое заряд, потом — что такое напряжение и ток, затем описываются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, потом диоды, транзисторы, операционные усилители, различные виды микросхем и тому подобное.

В этой книге я поставил всё с ног на голову. И сделал это намеренно. Подумай о том, как ты разбираешься в чем-то новом для себя? Например, увидел необычное устройство, заинтересовался его конструкцией, стал изучать как оно работает, затем как оно устроено, из чего состоит и как связаны между собой его части. Постепенно, шаг за шагом, ты углубляешься и твои знания становтся более глубокими. Ты как будто спускаешься с горы к её подножию, продвигаясь от целого к деталям. Так устроено наше мышление. Сначала мы создаем общую картину мира, затем разбиваем её на части и изучаем каждую часть по отдельности.

Очевидно, что спускаться с горы проще, чем подниматься на вершину. Поэтому я решил, что вместо изучения резисторов начнём сразу с цифровой техники и микроконтроллеров. Затем посмотрим, как устроены отдельные блоки цифровой техники, спустимся до логических элементов и бинарной арифметики, а затем постепенно перейдём к аналоговой электронике и рассмотрим как на самом деле устроены те же самые логические элементы, но с точки зрения аналоговой электроники.

Затем спустимся ещё на ступеньку ниже и посмотрим как устроены разные электронные компоненты и на основе каких физических принципов они работают. Попутно будем разбирать разные физические принципы и понятия. Я считаю, что благодаря этому легче понять основные принципы и получить хорошее основание для дальнейшего самостоятельного изучения электроники.

По ходу повествования лишние подробности будут отбрасываться, чтобы сделать акцент на самые важные и основополагающие идеи. На первых порах много деталей только помешают ухватить самые важные идеи. Я надеюсь, что, отбросив лишнее, мне удастся внести ясность, сделать мой рассказ понятным и занимательным. Пусть меня за это простят опытные радиолюбители, профессиональные инженеры и академики «электронных» наук. Эта книга не для вас. Но вы можете помочь мне сделать её лучше, указав на ошибки в тексте.

Если бы у меня была такая книга в начале моего пути — я был бы счастлив. Пусть мой путеводитель превратит твой стартовый путь в электронику в путешествие по скоростному шоссе. Поехали!

Но перед тем как перейти к основному рассказу я хочу сказать спасибо гигантам и их трудам, на плечах которых я строю свой рассказ: П. Хоровиц, У. Хилл, С. А. Гаврилов, Ю. Ревич, Ю. Сато, В.Г. Борисов, А. Шишков, А. Ровдо, Ё. Суэмацу, А.В. Белов, А.Н. Крылов, Е.А. Седов и другие, — всех и не вспомнить. Спасибо вам за ваши книги. Они многому меня научили.

Читай дальше: Как работает цифровая электроника

Молодая профессия электроника и наноэлектроника устремляется в будущее. Все перспективные направления науки и техники нуждаются в специалистах этого профиля. Они занимаются разработкой электронных приборов и гаджетов, создают инструкции по их использованию, модернизируют различные производства, используя инновационные технологии.

This entry was posted in Ремонт. Bookmark the <a href="https://kabel-house.ru/remont/nanotehnologii-v-elektronike/" title="Permalink to Нанотехнологии в электронике" rel="bookmark">permalink</a>.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *