Ом ГУПС Кафедра Аи Т Электроника Для студентов

Ом. ГУПС Кафедра Аи. Т Электроника (Для студентов ИАТИТ) Лекции в презентациях История и будущее Сушков С. А. Омск - 2012 г.

План курса (на 1 студента) n n n Общий объём дисциплины -144 ч. (4 зач. ед. ) Лекции – 36 ч. Лабораторные работы – 18 ч. Самостоятельная работа – 90 ч. Экзамен Требования к экзамену: ь ь ь посещаемость в течении семестра; конспект по курсу, не менее 96 л. , написанный собственноручно (лекции и самостоятельная работа); выполненные в полном объёме лабораторные работы; знание ответов на контрольные вопросы по курсу; система оценки – накопительная (сумма пяти составляющих). 2

Дисциплина 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Вход в аудиторию только перед началом пары или в перерыве. Верхняя одежда сдаётся в гардероб. Поддержание в исправном состоянии мебели и техники (при обнаружении помарок, прилепленных жвачек, неисправностей и т. п. – устранить самостоятельно, если это невозможно – немедленно доложить лектору, преподавателю или зав. лабораториями). Отключение электропитания в эл. щитке у выхода из аудитории (нормальное выключение питающей фазы только после остановки вентилятора лампы проектора). Выключить сотовые телефоны и соблюдать тишину. Староста назначает дежурного, и отмечает отсутствующих (возможна неожиданная проверка). Подпись журнала посещаемости (нет журнала – нет старосты), возможны другие способы контроля. Во всех аудиториях кафедры установлены камеры системы видеонаблюдения с цифровой записью на сервере охраны. 3

Основные разделы курса Ø История Ø Ø Ø и основные направления электронной техники. Вакуумная техника. Плазменная техника. Полупроводниковая электроника. Микроэлектроника. Квантовая и оптическая электроника. Функциональная электроника. развития 4

Использованные источники n n n n Ткаченко Ф. А. Учебник для студентов вузов. /Электронные приборы и устройства: Рекомендовано Мин. образования и науки РФ. – Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2011. 681 с. (1 шт). Чижма C. Н. Основы схемотехники: учебное пособие, Омск : Апельсин, 2008 – 423 с. (80 шт. ) Щука А. А. Электроника учебное пособие. / Под ред. проф. А. С. Сигова. – СПб. : БХВ Петербург, 2005. 800 с. Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. – 3 -е изд. , перераб. и доп. – Таганрог, 2010. – 204 с. Майер Р. В. Основы электроники. Курс лекций: Учебно-методическое пособие. Глазов: ГГПИ, 2011. – 80 с. Дьяконов В. П. , Максимчук А. А. , Ремнев А. М. , Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах/ Дьяконов В. П. , Максимчук А. А. , Ремнев А. М. , Смердов В. Ю. – М. : С 0 Л 0 Н-Р. – 2002. 512 с. Игумнов Д. В. , Королев Г. В. Громов И. С. Основы микроэлектроники: Учеб. для техникумов по спец. «Производство изделий электр. техники» . — М. : Высш. шк. , 1991. – 254 с. http: //www. открытые/открытые интернет источники. htm 5

Введение n n n Электроника давно вошла в нашу повседневную жизнь и без знания принципов работы электронных устройств становиться трудно обойтись, а иногда небезопасно, как для себя, так и для окружающих. Уже со школьного курса физики дети начинают изучать электронику. Выпускники средней должны знать основы электроники из физики электричества, химии и пнформатики, а выпускник, работающий по нашей специальности, тем более обязан быть в курсе всех современных электронных разработок. Иначе он потеряет свою квалификацию и превратится в человека, не способного качественно выполнять свою работу. Знания полученные в этом курсе электроники должны помочь быстрее осваивать новую технику, понимать как она работает, уметь её обслуживать и при необходимости качественно отремонтировать. В последнее время появились программы, симулирующие работу как отдельных компонентов , так и схемы в целом. Симулируемые приборы позволяют проанализировать весь спектр интересующих нас параметров сигналов и понять как работают компоненты, блоки и устройства в целом. Имеются пакеты программ помогающие создать схемы, а из схем получить микросхемы, платы, блоки, сборочные чертежи, конструкторскую документацию и управляющие программы для станков с программным управлением. В процессе обучения нужно познакомиться с основными компонентами электрических схем и освоить некоторые возможности программ для симуляции и создания реальных устройств. 6

Взаимосвязь с другими предметами n Современная электроника не отдельная дисциплина от других предметов. В первую очередь она основывается на знаниях в области физики и химии. Процессы протекающие в элементах схемах описываются математическими формулами. Работа цифровых устройств описывается булевой алгеброй. Схемы представляются графически минимизируются различными методами с исключением состязаний. Появились устройства работающие по аналогии нейронов мозга биологических созданий в то числе и человека. В таких машинах используется теория нейронных сетей. На железной дороге особые требования предъявляются к надёжности электронных систем, в таких случаях без теории надёжности не обойтись. Для понимания процессов, протекающих внутри элементов нужно уметь абстрактно мыслить, перевоплощаться, представлять себя этим элементом или элементарной частицей, проникать в вакуум, кристаллическую решётку, внутрь молекулы. Для этого нужно иметь практический опыт работы с электронными компонентами и электрическими схемами. Основные знания в области электротехники и электропитания также необходимы. 7

Краткая история Первые представления об электричестве и магнетизме Слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон» (от др. -греч. ἤλεκτρον, «янтарь» ). В Древней Руси янтарь назывался илектр или илектрон. Первые сведения об электрических и магнитных явлениях были известны уже в древности. Древним ученым было известно свойство натертого янтаря притягивать легкие предметы. Янтарь с насекомым внутри Янтарь отличный электроизолятор с удельным объёмным электрическим сопротивлением ρ = 1017 Ом/м, а тангенс угла диэлектрических потерь tg δ =0, 001. Использовался до внедрения фторопласта, у которого ρ = 1015… 1018 Ом/м, tg δ ≤ 0, 0001. 8

Краткая история Древние греки также знали, что существует особый минерал – железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. Залежи этого минерала находились возле греческого города Магнесии, названию которого и обязано происхождение слова «магнит» . В древности не исследовали ни электрические, ни магнитные явления. Объясняли же их в организмическом духе. Так, например, магнит уподоблялся живому существу. Магнит имеет душу, говорили некоторые, которая и обусловливает свойство притягивать железо. Кристалл магнитного железняка Начало первого использования природных магнитов не возможно определить, так ещё до нашей эры китайцы встречали моряков которые 9 уже использовали подобие магнитного компаса.

Краткая история Тит Лукре ций Кар (лат. Titus Lucretius Carus, ок. 99 до н. э. — 55 до н. э. ) — римский поэт и философ уже тогда в своей поэме «О природе вещей» объяснял действие магнита существованием потоков мельчайших атомов, вытекающих из него. В начале нашей эры и в средние века изучение природных явлений было вялотекущим процессом. В Европе компас появился только в XII веке. В 1269 году появилось сочинение «Послание о магните Пьера де Марикур, по прозванию Перегрино» , посвященное описанию магнитных явлений. Автор дает инструкцию проведения опыта, показывающего, что разноименные полюса магнита притягиваются, а одноименные — Марикур отталкиваются. инструмента, «при помощи которого определяют на горизонте азимут Солнца, Луны и любой звезды» , а также проект вечного двигателя с магнитом. Постепенное изучение магнитных явлений приобрело практическое 10 значение.

Краткая история В 1600 году вышла книга английского ученого Вильяма Гильберта (1540— 1603) «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» . В книге описаны уже известные факты, что магнитные свойства присущи только, магнитной руде, железу и стали, что магнит всегда имеет два полюса и что одноименные полюса отталкиваются, а разнополюсные — притягиваются, описывается явление магнитной индукции, что электрические явления следует отличать от магнитных. Электрические свойства в отличие от магнитных присущи многим веществам. Кроме янтаря электрические свойства проявляют алмаз, хрусталь, стекло, сера и многие другие вещества, которые он назвал «электрическими» , т. е. подобными янтарю. Все прочие тела, в первую очередь металлы, которые не обнаруживали такие свойства, Гильберт назвал «не электрическими» . Гильберт исследовал вопрос о сходстве магнитных и электрических явлений и пришел к выводу, что эти явления глубоко различны и не связаны между собой. Этот вывод держался в науке более двухсот лет. Так в науку вошел термин «электричество» , и так было положено начало систематическому изучению электрических явлений. 11

Краткая история Первые электрические машины Начиная с XVII века с развитием общества исследования в области электричества начали ускоряться. Создаются различные электрические машины для опытов и для развлечения. Появляются первые теории и законы физических явлений. Отто Герике (1602— 1686) в 1672 году построил первую «электрическую машину» , которая представляла собой большой шар, изготовленный из серы с железной осью. Герике, вращая шар вокруг оси, наэлектризовывал его ладонью руки. Первая электростатическая машина. Справа - вращающийся шар из серы, слева наэлектризованная пушинка, висящая над шаром из серы, который тоже наэлектризован. 12

Краткая история Первые электрические машины n В 1705 году английский экспериментатор Френсис Хоксби (1666 - 1713), прикасаясь руками к вращающемуся стеклянному шару, из которого удален воздух, получил фосфорическое свечение, и убедился в том, что стеклянный шар сильно электризуется. Последовали многочисленные эксперименты с электричеством, основное значение которых состоит в том, что Хоксби ввел в употребление применяющуюся и поныне стеклянную палочку, электризуемую при натирании тканью. Электрическая машина, применявшаяся в 1750 г. Вращающийся стеклянный шар G электризуется от прикосновения рук. Человек, стоящий на изолирующей скамеечке, дотрагивается до железного стержня, держа в руке миску с подогретым винным спиртом, который вспыхивает от искры, исходящей из руки дамы 13

Краткая история Первые электрические машины n Вращающийся шар Хоксби вскоре был усовершенствован Иоганном Винклером (1703 -1770), профессором латинской литературы Лейпцигского университета. Винклер заменил шар стеклянной трубкой, вращавшейся с помощью педального механизма и натиравшейся уже не руками, а кожаными подушечками, отделанными конским волосом. Подушечки были соединены с землей с помощью проводящих столбиков. Эта машина давала столь сильные искры, что они были способны воспламенять эфир. Уже значительно позже, между 1755 и 1766 гг. , цилиндр был заменен более удобным стеклянным диском. Приоритет этого изобретения оспаривали Мартин Планта (1727 -1802), Джон Ингенгоуз (17301799) и Джессе Рамсден (1735 -1800). Сейчас эта машина известна как машина Рамсдена, который построил ее и распространил. Машина Рамсдена конца XVIII века 14

Краткая история Англичанин Стивен Грей (1670— 1736) в 1729 году открыл явление электропроводности. Он обнаружил, что электричество способно передаваться некоторыми телами, и все тела были разделены им на проводники и непроводники. n Грей открыл также явление электростатической индукции и подтвердил его многочисленными опытами. n Опыт Грея. Гравюра, 1754 г. Мужчина, стоящий справа, приближает наэлектризованную стеклянную трубку к руке дамы, сидящей на качелях, подвешенных на шелковых веревках, а мужчина слева прикасается к другой руке дамы и извлекает из нее искру 15

Краткая история С изобретением способа накопления энергии наступил новый виток в развитии науки об электричестве, ещё более приближающий рождение электроники. Таким событием было изобретение «лейденской банки» . n 1745 г. , Нидерланды. Питер ван Мушенбрук изобрёл «лейденскую банку» , аккумулирующую электрозаряд. n Название связано с городом Лейденом, где Мушенбрук проделал первые опыты. Важность этого изобретения заключалась в том, что теперь физики могли накапливать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. 16

Краткая история Далее изобретения и открытия в области электричества стали появляться с увеличивающейся частотой в разных частях мира, иногда одновременно, что порождало споры об авторстве. Ø Самые значимые события: n 1749— 1753, Россия. Один из первых приборов (электрометр), позволяющих измерить электрический заряд, изобрел физик Георг Рихман. Вместе с Михаилом Ломоносовым он проводит опыты по изучению атмосферного электричества. Во время одного из экспериментов Рихман погибает при измерении электрометром заряда конденсатора от молнии, ударившей в шест его «громовой машины» . В середине XVIII века, Бенджамин Франклин ввел понятие положительного и отрицательного Benjamin Franklin заряда. (17. 01. 1706 – 17. 04. 1790) 17 Ø

Краткая история 1767— 1798 гг. , Англия. Генри Кавендиш экспериментально установил пропорциональность тока напряжению в 1771 -м (более чем на 10 лет раньше французского физика Шарля Огюстена де Кулона). Он так же первым посчитал значение гравитационной постоянной, но в свойственной для него манере не удосужился никому сообщить об этом. О его открытии стало известно лишь спустя столетие — после того, как в 1879 году английский физик Дж. Максвелл опубликовал его рукописи, находившиеся до этого времени в архивах. . Ге нри Ка вендиш англ. Henry Cavendish (10. 1731 — 24. 02. 1810) 18

Краткая история n 1785 г. , Франция. Шарль Огюстен Кулон установил основной закон n n n электростатики. 1791 г. – Гальвани открыл электрический ток. 1800 г. – А. Вольт – создал первый источник тока. 1800 г. – англичане Никольсон и Карлейль разложили воду с помощью электрического тока на водород и кислород. 1801 – 1802 гг. , Россия. Василий Владимирович Петров установил практическое применение электрического тока для нагрева проводников, описал электрическую дугу и указал на применение её на практике. 1820 г. , – Франция. Андре-Мари Ампер открыл законы электродинамики, электричество и магнетизм предложил рассматривать как результат единого процесса природы. 1820 г. – Эрстед открыл действие магнитного поля в проводнике с током. 19

Краткая история n 1820— 1824 гг. , Франция. Доминик Франсуа Араго открыл явление n n «магнетизм вращения» , которое в последствии послужило основанием для множества открытий, в том числе двигателя переменного тока. 1827 г. , Германия. Георг Ом сформулировал закон зависимости основных величин электрической цепи: силы тока, напряжения и сопротивления. Открытие Ома было скептически воспринято в научных кругах. Это отразилось на развитии науки — скажем, законы распределения токов в разветвленных цепях, были выведены Густавом Кирхгофом 20 лет спустя. 1828 г. , США. Джозеф Генри сконструировал мощные электромагниты с многослойной обмоткой. Открыл принцип электромагнитной индукции. Изобрёл электромагнитное реле. 1847 г. , Германия. Густав Роберт Кирхгоф сформулировал законы распределения электрических токов в разветвленных электрических цепях. 1831 г. , Англия. Майкл Фарадей открыл явление «электромагнитной индукции» , составляющее основу современной электроэнергетики. 20

Краткая история n 1831 г. – Максвел развил идею Фарадея о электромагнитном поле и n n n оформил эти идеи в виде системы математических уравнений. Она первоначально включала 36 уравнений в проекциях. Эти уравнения в процессе были рационализированы, путем введения векторных операторов Герциным и Хевисайдом. 1834 г. , Россия. Борис Якоби изобрёл электродвигатель с вращающимся рабочим валом. 1860 г. , Италия. Антонио Пачинотти построил магнитоэлектрическую машину с кольцевым зубчатым якорем. 1865 г. , Англия. Джеймс Максвелл создал теорию электромагнитного поля. 1870 г. , Франция. Зеноб Грамм изобрёл обмотку двигателя, распределённую по окружности. Открыл обратимость электрических машин: двигатель-генератор. 1872 г. , Россия. Александр Лодыгин изобрёл лампу накаливания с вольфрамовой нитью, розетку и вилку, электрические печи для плавки 21 металлов.

Краткая история n 1875 г. , Россия. Павел Яблочков изобрёл первую модель дуговой n n n лампы без регулятора. 1879 г. , США. Томас Эдисон изобрёл лампу накаливания с резьбовым цоколем и резьбовой патрон, предохранитель, электросчётчик, применил на практике параллельное включение ламп, ввёл в эксплуатацию первую тепловую электростанцию. 1880 г. , Россия. Дмитрий Лачинов описал теорию передачи электроэнергии по проводам на большие расстояния при повышении напряжения. 1882 г. , Венгрия. Никола Тесла изобрёл двухфазный двигатель и двухфазный генератор. 1888 г. , Германия. Михаил Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный двигатель переменного тока. 1888 г. – Герц открыл электромагнитные волны, которые были предсказаны Максвелом. Открытие оказалось экспериментальным подтверждением. 22

Краткая история n 1886— 1889 гг. , Германия. Генрих Рудольф Герц доказал существование электромагнитных волн в свободном пространстве. n 1894 г. 14 августа на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксофрдском университете Оливер Джозеф Лодж и Александр Мирхед произвели первую успешную демонстрацию радиотелеграфии. В ходе демонстрации радиосигнал азбуки Морзе был отправлен из лаборатории в соседнем Кларендоновском корпусе и принят аппаратом на расстоянии 40 м — в театре Музея естественной истории, где проходила лекция. 2, 30 мин Однако дальнейших исследований в области практического применения своих наработок Лодж не повёл, и в результате уступил честь изобретения радио Попову, А. С. . n 1895 г. – Хе ндрик Анто н Ло ренц создал электронную теорию, которая явилась синтезом идей теории поля с представлением о дискретности электрического заряда. 23

Краткая история n 1895 г. 7 мая – изобретение Алекса ндром Степа новичем Попо вым радио, и начало использования радиоприёмников. n Изобретение радио способствовало возникновению электроники и выделению её из других наук в отдельное направление развития. Основными вехами в развитии электроники можно считать: n 1985 г. изобретение А. С. Поповым радио; А. С. Попов Грозоотметчик конструкции А. С. Попова 24

Краткая история Ø 1906 г. изобретение Ли де Форестом лампового триода, первого усилительного элемента, Триод ( «аудион» ) Ли де Фореста, 1906 г. 25

Краткая история Ø 1923 г. использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов «Световое реле» ; Олег Владимирович Лосев в 1923 г. на карборундовом детекторе обнаружил холодное безинерционное свечение, т. е. способность полупроводников генерировать электромагнитные излучения в световом диапазоне волн. В 1927 -1928 годах Олег Владимирович сделал следующее открытие: емкостный фотоэффект в полупроводниках, т. е. способность кристаллов преобразовывать световую энергию в электрическую (принцип действия 26 солнечных батарей).

Краткая история развитие твёрдотельной электроники; Ø использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе, Шотки); Ø изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн); Ø 11 мин Ø создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники. Первая интегральная схема Фотошаблон для интегральной схемы 27

Области электроники n Физическая — область, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами в вакууме, газах, жидкостях и твёрдых телах. n Прикладная — электронные приборы и устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и используется для преобразования электромагнитной энергии (например для передачи, обработки и хранения информации). Наиболее характерные виды таких преобразований: генерирование, усиление, приём электромагнитных колебаний с частотой до 10^12 Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений ( до 10^20 Гц). Возможность таких преобразований обусловлена малой инерционностью электрона. n Информационная. n Энергетическая промышленная (например, электроэнергетика), 28

Области электроники n Микроэлектроника, в которой электрический сигнал в зависимости от взаимодействия с сигналом, рассматривается в отдельных областях: n оптоэлектроника (взаимное преобразование со световым сигналом), n акустоэлектроника (взаимное преобразование с акустическим сигналом), n магнитоэлектроника (взаимное преобразование с магнитным сигналом), n Связанные цифровые технологии — разработка и выпуск класса устройств, потребляющих электрическую энергию, содержащих логические элементы, и, как правило, обрабатывающих некоторую информацию. Продуктами цифровых технологий являются калькулятор, компьютер, телевизор и подобные электронные устройства. 29

Твердотельная электроника n n n Основные твердотельные приборы, используемые в электронных устройствах: Диоды для усиления и генерации СВЧ-мощности: туннельный диод, лавинно-пролетный диод, диод Ганна; Биполярные транзисторы; Полевые транзисторы — транзисторы с p-n-переходом в качестве затвора и с изолированным затвором; Аналоговые транзисторы со статической индукцией, с проницаемой базой и с металлической базой Инжекционные и лавинные S-диоды (диоды S -типа), динисторы и тиристоры. 30

Современное понимание окружающего мира Человек представляет окружающую действительность так, как может обработать поступающую информацию от органов чувств, непосредственно или косвенно при помощи различных устройств, расширяющих возможности его органов. Если не удаётся создать такое устройство человек включает воображение и придумывает невидимый мир, или при помощи различных математических теорий, или интуитивно. Часто такие фантазии со временем сбываются, но бывает и отвергаются. n Первыми инструментами, позволяющими заглянуть в макро и микромир были оптические - телескоп и микроскоп. С появлением мощных, уже не оптических, телескопов и микроскопов стало видно поразительное сходство строения галактик планетарной системы и строения атомов. Только атомы ведут себя иначе – нет плоской орбиты вращения электронов, как у солнечной системы n Возможно пройдёт некоторое время и представление об окружающем нас мире изменится, но сейчас при помощи самого мощного на данный момент микроскопа – Большого адронного коллайдера, удалось рассмотреть практически все составляющие стандартной теории строения материи. В том числе и Бозон Хиггса, отвечающей за массы всех других элементарных частиц, массой 125 -126 гигаэлектронвольт с достоверностью около пяти сигма, что соответствует уровню открытия. 31 3, 08 мин 04. 07. 2012 n

Устройство материи согласно Стандартной модели 32

Устройство материи согласно Стандартной модели 33

Классификация 34

Классификация Ø По величине спина Все элементарные частицы делятся на два класса: 1. бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса). 2. фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрино); Ø По видам взаимодействий Элементарные частицы делятся на следующие группы: 1. Составные частицы n адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: § мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; § барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон. 35

Классификация n Фундаментальные (бесструктурные) частицы 1. лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10− 18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов. 2. кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии. 36

Классификация n Калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми 1. 2. 3. 4. n n осуществляются взаимодействия: фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие; три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z 0, переносящие слабое взаимодействие; гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц. Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий. Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, первые экспериментальные указания на существование которого появились в 2012 году. 37