Конспект лекций по фоэ Введение

Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для передачи, обработки и хранения информации. Естественно возникает вопрос: что такое электроны и откуда они берутся? Вопрос не такой уж простой, если учесть, что до конца ХIХ века ученые понятия не имели о существовании электронов. Такие известные ученые как Ампер, Вольта, Кирхгоф, Эдисон и многие другие физики, внесшие огромный вклад в развитие учения об электричестве, которое было известно еще в древние времена, понятия не имели об электронах. В то время считалось, что мельчайшей неделимой частицей материального мира является атом. Вот что писал в 1749 г. американский исследователь Б. Франклин «Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой… Обыкновенная материя по отношению к электрической материи является как бы своеобразной губкой. Губка не смогла бы впитывать воду, если бы частицы воды не были меньше дырок в губке». Иначе говоря, атом считался мельчайшей материальной частицей, а «электрическая субстанция» представлялась состоящей из каких то других «бестелесных частиц». Электрический ток ученые представляли как движение дискретных электрических зарядов, величину которых позволили определить опыты по электролизу, проделанные Г.Гельмгольцем. Эти опыты показали, что для выделения одной грамм-молекулы вещества на электроде электролитической ванны требуется электрический заряд, равный 96500 кулонов. Несколько позже А.Авогадро установил, что в одной грамм-молекуле содержитсяатомов вещества. Поделив величину заряда на количество атомов, удалось определить величину элементарного электрического заряда, равнуюкулона. Этот элементарный заряд стали называть «атомом электричества». В 1891 году Г.Стоней предложил называть атом электричества электроном, однако природа этого заряда оставалась неясной, т.е. термин появился раньше открытия электрона.

В 1897 году выдающийся английский ученый Дж. Томсон, работая с вакуумной трубкой, экран которой светился под действием открытых к тому времени катодных лучей, установил, что катодный луч несет в себе отрицательный заряд. Отклоняя катодный луч магнитным полем Дж. Томсону удалось определить такой важный параметр, как отношение величины заряда к массе отклоняемой частицы. Сегодня известно, что электрон обладает массой, равной грамма. Ну, а коль скоро у электрона была обнаружена масса, то он не может быть «бестелесной порцией электричества». Это позволило Дж. Томсону сделать смелый вывод о существовании материальных частиц, гораздо меньших, чем атомы.

Открытие Дж. Томсона было ошеломляющим. Это была революция в вековых представлениях об атомной структуре материи. Многие ученые отказывались признавать его. Среди них был В.К. Рентген, который считал, что электронов в природе не существует – это не более чем «пустое, не заполненное конкретным содержанием слово». Однако факт оставался фактом. Опыты Дж. Томсона опровергли гипотезу о неделимости атомов. Зародилась новая наука – электроника, которая привела к созданию электронных приборов, позволивших создать современные средства телекоммуникаций.

Первоначально развивалась главным образом вакуумная электроника. В 1904 году Д. Флеминг изобрел двухэлектродную лампу (диод). В1907 году Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку, лампа стала трехэлектродной (триод) что позволило осуществить усиление слабых электрических сигналов. Существенный вклад в развитие вакуумной электроники внесла Нижегородская радиолаборатория, созданная в 1918 году, в которой под руководством М. А. Бонч-Бруевича были разработаны мощные триоды с водяным охлаждением. Впоследствии появились лампы с четырьмя, пятью и даже с шестью сетками. В конце тридцатых – начале сороковых годов были разработаны лампы для диапазона сверхвысоких частот.

В тридцатые годы интенсивно велись работы по созданию передающих телевизионных трубок, что привело к возникновению современного электронного телевидения. В разработке этого вида электронных приборов велика заслуга советского ученого П. В. Шмакова. В эти же годы велись интенсивные исследования свойств полупроводниковых материалов. В развитии этого направления электроники велика роль советских академиков А. Ф. Иоффе и И. Е. Тамма.

В 1948 году было опубликовано сообщение об изобретении американскими физиками Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли полупроводникового электронного прибора под названием «транзистор», который можно использовать в радиотехнике вместо электронных ламп. Началась новая эра электроники - полупроводниковая электроника, интенсивное развитие которой привело к созданию в 60-х годах интегральных микросхем (ИМС). Параллельно с интегральной электроникой в 80-е годы развивалась функциональная электроника, базирующаяся на применении физических явлений в твердом теле для обработки электрических сигналов. Возникли такие направления в электронике как акустоэлектроника, оптоэлектроника и ряд других.

Говоря о развитии электроники, нельзя обойти вниманием такое направление как квантовая электроника. В 50-х годах были созданы устройства при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счет открытого А. Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 году советскими физиками Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и независимо от них американским физиком Ч.Х.Таунсом были созданы первые молекулярные генераторы (мазеры), работающие в диапазоне сантиметровых волн. В 1960 году американским физиком Т.Г.Мейманом был создан оптический квантовый генератор (лазер).

Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления – наноэлектроники. В начале 90-х годов были созданы электронные микроскопы, позволяющие не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими, размещая атомы и атомные структуры в четком порядке и в точно определенном месте. Нанотехнологии позволят создавать такие диковинки, которым пока еще и название не придумали.