История отрасли пособие

1936 г. Фирма Bell Telephon изготовила первый тиратрон. Американский инженер А.Гаев запатентовал электровакуумный при-

бор, получивший название лампы бегущей волны.

1938 г. Н.Мотт в Англии, Давыдов в СССР, В.Шоттки в Германии сформулировали теорию выпрямляющего действия контакта - металл полупроводник. Дальнейшие исследования, выполняемые учеными разных стран, привели к экспериментальному созданию сначала точечного, а затем и плоскостного транзистора.

В.Хан (США) изготовил пролетный клистрон.

1940 г. Ленинградский завод "Светлана" выпустил первый отечествен-

ный тиратрон.

1943 г. Американский учёный Р.Компфнер создаллампу бегущей волны - электровакуумный прибор, в котором для усиления электромагнитных сверхвысокочастотных колебаний используется длительное взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении. Основное назначение такой лампыусиление СВЧ колебаний в приёмных и передающих устройствах.

1946 г. Опубликована информация американскими учёными А.Розе, П.Веймером и Х.Лоу о суперортиконе - передающей телевизионной трубке с накоплением заряда, переносом изображения с фотокатода на двустороннюю мишень, коммутацией (считыванием изображения с мишени) медленными электронами и усилением сигнала электронным умножителем.

1947 г. Американский ученый Д.Бардин при проведении исследований распространения носителей заряда от точечного контакта кристаллического детектора поместил вблизи него зонд и обнаружил, что с помощью тока одного из контактов можно управлять током другого. Так был открыт транзисторный эффект, позволивший Бардину и Браттейну изготовить первый точечный транзистор (от английских слов transfer плюс resistor, от лат. resisto – сопротивляюсь), а несколько позднее и плоскостной.

Первый транзистор состоял из блока германия, (полупроводника "n"- типа), имеющего форму цилиндра длиной около13 мм, с двумя близко расположенными точечными контактами, размещенными на противоположных гранях. К одному контакту (эмиттеру) прикладывалось небольшое положительное напряжение относительно широкого электрода (базы) и большое отрицательное напряжение относительно второго контакта (коллектора).

Из статьи в журнале The Physical Review – "Два из этих электродов,

называющиеся эмиттером и коллектором, являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности. Третий электрод, большей площади и малень-

кого радиуса, нанесен на основание – базу. Когда два точечных контакта расположены близко друг к другу и к ним приложено напряжение, контакты оказывают взаимное влияние друг на друга. Благодаря этому влиянию возможно использовать данное устройство для усиления сигнала переменного тока".

С момента создания первых транзисторов началась эра полупроводниковой электроники.

В СССР аналогичные исследования велись в отраслевых и академических институтах. Автором первого точечного отечественного транзистора были А.В.Красилов и С.Г.Мадоян, начавшие свою работу в 1949 г.

Рис.28. Конструкция точечно-контактного транзистора

1950 г. В.Шокли (США) предложил заменить точечные контакты выпрямляющими переходами между областями"p"- и "n"-типа в том же кристалле. Такое устройство получило название плоскостного транзистора. Оно состояло из тонкой"p"-области, заключенной между двумя"n"- областями (все области имеют отдельные внешние контакты). Плоскостной транзистор в дальнейшем стал основным видом выпускаемых приборов ввиду более легкого производства и надежной эксплуатации.

Рис.29. Структура транзистора

1952 г. В.Шокли предложил проект полевого транзистора с обратно смещенным управляющим "p-n" переходом. Транзистор состоял из полупроводникового кремниевого стержня с проводимостью"n"-типа с омическими выводами на торцах. На поверхности канала с противоположных сторон формируется "p-n" переход, параллельный направлению тока в канале. При изменении входного напряжения на управляющем электроде изменяется обратное напряжение на переходе, что вызывает изменение поперечного сечения "n"- канала, через который проходит поток основных носителей тока. Та-

ким образом, в зависимости от площади запирающего слоя меняется сопротивление канала и соответственно уровень проходящего через него тока.

На конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммер представил доклад о надёжности -эле ментов радиолокационной аппаратуры, содержавший пророческое утвержде-

ние: "С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твёрдого блока, не содержащего соединительных проводов. Он может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определённые участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции". Та-

ким образом он выдвинул идею возможности создания интегральных схем.

Рис.30. Полевой транзистор Шокли

1954 г. Д.Эберс и Д.Молл разработали модель транзистора(эквивалентную электрическую схему), учитывающую схемы подключения источников питания к переходам и его нелинейные свойства в режиме усиления большого сигнала.

1955 г. Начат серийный выпуск отечественных транзисторов- "кристаллических приборов". Первые транзисторы выпускались двух видов - плоскостные, обозначавшиеся П1 (П1А, П1Б и т.д.), и точечные с обозначением С1 (С1А, С1Б и т. д.).

Рис.31. Первые отечественные транзисторы

Американские физики Д.Молл, Н.Голоньяк создали на основе монокристалла полупроводника прибор с четырёхслойной структурой-n-p-n- типа и тремя П1, П2 и П3 переходами, обладающий переключающимися свойствами. Прибор получил название тиристор (от греч. thýra - дверь, вход и англ. resistor - резистор).

1957 г. Инженер Джон Уолмарк получил патент на полевой транзистор с "p-n" - переходом.

1958 г. Джек Килби начал разработку первой интегральной схемы. К этому времени на основе полупроводниковых материалов уже изготавливались резисторы на основе омических свойств"тела" полупроводника, конденсаторы, для создания которых использовались смещённые в обратном направлении p-n-переходы, и транзисторы. Недостающим звеном оставались межэлементные соединения. В 1976 г. в статье "Изобретение ИС" Килби пи-

сал: "Я понял, что если все компоненты сделаны из одного материала, то они могут сразу же и соединяться между собой, чтобы формировать за-

конченную схему". В этом же году Килби продемонстрировал устройство размером 11.1х1.6 мм, содержащее один транзистор и несколько пассивных компонентов на кусочке германия, названный интегральной схемой (ИС).

Интегральными микросхемами принято называть микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы.

В Японии Л.Ясаки открыл в полупроводниковых диодах туннельный эффект (способность электрона при наличии энергии, меньшей уровня потенциального барьера, перехода через потенциальный барьер небольшой ширины), что позволило создавать генераторные схемы на диодах.

1959 г. Н.Голоньяк (США) предложил четырехслойный полупроводниковый прибор – тиристор, обладающий переключающими свойствами. Затем Н.Голоньяк создал управляемый тиристор – тринистор.

Рис.32. Конструкция и структура тиристора

Ф.Г.Старос в соответствии с разработанной им программой создания новой отрасли науки и техники– микроэлектроники создал в СССР первое конструкторско-технологическое бюро (АКТБ), занимающееся разработкой новой элементной базы (полупроводниковых приборов и интегральных схем)

и на ее основе вычислительных машин(цифровая управляющая машина "УМ–1", "Электроника-200" в 1962 г. на интегральных микросхемах).

1960 г. Роберт Нойс из фирмы Fairchild запатентовал идею монолитной интегральной схемы, в которой биполярные транзисторы и резисторы соединены между собой тонкими и узкими полосками алюминия. В монолитной интегральной схеме биполярные кремниевые транзисторы и резисторы -со единены между собой тонкими и узкими полосками алюминия. Появление интегральных схем было обусловлено необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем.

Американский физик Теодор Мейман изобрел первый оптический квантовый генератор – лазер - на кристалле рубина, впервые получив электромагнитное излучение в видимом диапазоне. В этом же году американским физиком А.Джаваном был изготовлен первый в мире гелий-неоновый лазер.

1961 г. Выпущена первая интегральная схема, содержащая 4 биполярных транзистора и два резистора и выполняющая функцию триггера.

1962 г. Изготовлен первый отечественный тринистор (управляемый тиристор) марки ВКДУ.

1963 г. Стивен Хофштейн и Фредерик Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник получили название МДП-транзисторы.

Число элементов в кристалле интегральной схемы возросло до 20. Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1960 – 1969 гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

1969 – 1975 гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС).

1975 – 1980 гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС).

1980 – 1985 гг. – интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).

С 1985г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

1965 г. Сотрудники голландской фирмы Филипс разработали плюмбикон (от лат. plumbum-свинец и греч. eikon - изображение) - передающую телевизионную трубку для цветного телевидения. Данная трубка отличалась от видикона устройством светочувствительной мишени.

1967 г. Сотрудником фирмы IBM Диннардом создано электронное запоминающее устройство, представлявшее однотранзисторную динамическую запоминающую ячейку.

Изготовлены первые отечественные цифровые и аналоговые - инте гральные схемы на основе кремния и первые в мире функциональные приборы на полевых транзисторах с затвором Шоттки.

1969 г. Американская фирма Intel приступила к созданию своего первого микропроцессора в рамках проекта по разработке набора микросхем для

семейства программируемых калькуляторов по заказу японской компании Busicom. Инженер фирмы Тэд Хофф разработал концепцию универсального логического устройства, лежащего в основе нового комплексного устройства

– микропроцессора. Если ранее существовавшие интегральные схемы (чипы) выполняли только определенные"фиксированные" функции, то микропроцессор должен был выполнять роль программируемого устройства.

1970 г. Американский изобретатель Джеймс Фергасон создал первые рабочие образцы индикаторов на жидких кристаллах (ЖКИ).

1971 г. Фирма Intel выпустила первый микропроцессор типа 4004, содержащий 2300 транзисторов (разрядность данных 4 бита, способность адресовать 60 байт памяти, тактовую частоту 108 кГц). Каждый выпускаемый сегодня микропроцессор имеет определённое число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных. Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины.

2000 г. Жоресу Алферову (Россия), Герберту Кремеру (США) и Джеку Килби (США) присуждена Нобелевская премия в области физики.

Джек Килби удостоен премии за разработку микрочипов, на основе которых создаются современные процессоры. Жорес Алферов и Герберт Кремер получили премию за разработки полупроводниковых элементов, используемых в сверхбыстрых компьютерах.

В начало

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Бессмертие животных - в потомстве, человека же - в славе, заслугах и деяниях.

Ф. Бэкон

Электрическая связь - это передача или прием знаков, сигналов, письменного текста, изображений, звуков по проводной, оптической и другим электромагнитным системам.

Потребность человека в передаче информации возникла вместе с развитием общественных отношений, поскольку обмен информацией является определяющим фактором человеческой деятельности. На начальном этапе своего развития человек использовал для передачи информации на небольшие расстояния простейшие средства: свистки, барабаны, костры, факелы и т.д. При необходимости увеличить расстояние связи появились специальные гонцы, которые переносили сообщения, а также устройства эстафетной передачи световых или дымовых сигналов. Одновременно с целью сокрытия передаваемой информации разрабатывались приемы ее шифрования. Одним из таких дошедших до нас способов было приспособление, именуемое "Скитала", представлявшее собой кожаную полосу, на которой отображалось передаваемое сообщение, разрезанную вдоль так, чтобы буквы сообщения делились на две части. Каждая часть полосы наматывалась на палку, которые вручались гонцам. Также кодирование информации осуществлялось числом

ирасположением костров или факелов, числом и частотой ударов барабана.

Уперсидского царя Кира(VI в. до н. э.) состояло для этой цели на службе 30 000 человек, именуемых "царскими ушами". Располагаясь на вершинах холмов и сторожевых башен в пределах слышимости друг друга, они передавали сообщения, предназначенные царю. Греческий историк Диодор Сицилийский (I в. до н. э.) свидетельствует, что известия по такому телефону за один день передавались на расстояние тридцатидневного перехода.

Уже в 450 г. до н.э. в древней Греции философом Демокритом был предложен оптический факельный телеграф. По его предложению буквы

греческого алфавита разбивались на 5 строк. Принцип передачи заключался в указании факелами или флажками, какая именно буква алфавита передается в данный момент. До наших дней сохранилось его название– телеграфировать, что означает по-гречески "писать на расстоянии".

По сведениям греческого историка Полибия в древнем Египте(Александрии) для связи на значительное расстояние было предложено устраивать специальные башни, состоящие из двух отделений, в каждом из которых устраивалось по пять отверстий. Весь греческий алфавит делился на пять групп. Появившийся факел в одном из отверстий первого отделения определял номер группы, а во втором – номер буквы данной группы.

В древнем Египте и Карфагене одной из разновидностей телеграфа применялся так называемый "водяной телеграф". В одном случае он содер-

жал два одинаковых глиняных сосуда с отверстиями в нижней части. В сосуды вставлялись палки с зарубками через5.5 см, возле которых записывался заранее оговоренный текст. По сигналу факела из отверстий вынимались пробки, вода вытекала и соответственно палки опускались. По второму сигналу факела отверстия закрывались, и на приемной станции считывался текст у зарубки, находящейся у края сосуда. Другой подобный телеграф отличался от первого тем, что вместо опущенной в сосуд палки на него надевались обручи, на которых также записывался определенный текст.

Вдревнем Риме, по описаниям В. Флавия, использовался способ передачи известий при помощи поднимаемых и опускаемых балок.

Расстояние между двумя разговорными пунктами значительно увеличилось, когда выяснились акустические свойства труб. Впервые акустические трубы из бамбука были применены в Месопотамии. Акустическую связь широко использовали и в древнем Египте. В средние века такой вид связи использовался также в Англии и во Франции. Между двумя разговорными пунктами прокладывалась гуттаперчевая трубка с двумя рупорами на концах:

водин рупор говорили, в другой слушали. Подобным способом можно переговариваться на довольно большом расстоянии. Так, французскому физику Био удалось ясно передать разговор по трубам парижского водопровода на расстояние 951 метра.

В1670 г. С.Морленд изобрел рупор - воронкообразную трубу длиной до 6 метров. Рупор концентрировал звук, собирал его в пучок в одном направлении, обеспечивая тем самым слышимость на расстояние до1,5 миль. Это свойство было известно и ранее- в духовых музыкальных инструментах ("иерехонская труба").

3.1.ТЕЛЕГРАФНАЯ СВЯЗЬ

Внастоящее время телеграфная связь является разновидностью электрической связи, где сообщения передаются при помощи телеграфных аппаратов по каналам телеграфной сети в виде кодовых(буквенно-цифровых) комбинаций с обязательной записью их в пункте приема.

Хронология

1653 г. В Англии по приказу адмирала герцога Йоркского(впоследствии английского короля ЯковаII) на флоте введена флажная сигнализация. Значение сигнала зависело не только от вида флага, но и от места его подъёма, а также от сопровождения определённой комбинации парусов или -вы стрелов из орудий.

1684 г. Английский ученый Роберт Гук представил описание специального сигнального аппарата, сегодня называемого щитовым телеграфом

(рис.3.1.) Аппарат представлял собой деревянную раму, на которой укреплялись предметы различных форм, обозначавших соответствующие сообщения.

Для передачи нужного сообщения необходимый предмет поворачивался, чтобы стать видимым для приемной станции.

Рис.33. Щитовой телеграф

1686 г. Французский изобретатель Кесслер предложил аппарат, представлявший собой пустую бочку, в которой помещалась лампа с рефлектором, отражающим свет в нужном направлении. С помощью специальных дверок можно было получать комбинации продолжительности миганий света. Эти комбинации должны были представлять азбуку.

1690 г. Во Франции проведены эксперименты по передаче сообщений способом прикрепления букв к медленно вращающимся крыльям ветряных мельниц, однако успеха эти попытки не имели.

1750 г. Георг Рихман, соратник М.В.Ломоносова, изобрел прибор под названием "Утеха глазам", состоящий из источника тока, соединительных проводов и приемника. Включая в цепь электрический звонок, он обратил внимание на искры, проскальзывающие между молоточком и колокольчиком в момент удара. Разорвав проволоку на множество звеньев, он соединил места разрывов льняной нитью. В этих промежутках также проскакивали искры. "Подобную цепь можно изогнуть и так укрепить, пишет изобретатель, чтобы она образовывала буквы. Отсюда легко понять, что, возбуждая электричество, можно показывать буквы и разнообразные фигуры". Под-

ключая нужный провод к источнику тока, можно было наблюдать в нем искрение и считывать передаваемую букву.

1753 г. Ч.Мориссон создает устройство телеграфной связи, состоящее из источника тока(наэлектризованного металлического стержня), соединительных проводов по числу передаваемых знаков, на концах которых в месте приема прикреплялись легкие шарики бузины или листочки бумаги с указанием соответствующих знаков. При подключении нужного провода к лей-

денской банке по нему проходил ток, заставлявший отклоняться шарик или листок, указывая оператору на передачу сигнала.

1760 г. Бозелус предложил производить передачу сообщений по однопроводной электрической цепи. В качестве индикатора приходящего сигнала должно было использоваться искрение в разрыве цепи. Кодирование знаков производилось по количеству искр.

1774 г. Швейцарский физик Жорж Луи Лессаж продемонстрировал в Женеве по принципу Мориссона электростатический телеграф – устройство, состоящее из 24 проводов и источника тока. К одному концу каждого провода прикреплен шарик бузины, отклоняющийся при подключении к данному проводу источника тока. Каждый шарик обозначал определенную букву алфавита.

1782 г. Французский монах Готей предложил акустический телеграф, в котором звук передавался по уложенным в земле чугунным трубам. В дальнейшем его предложение нашло применение при организации сторожевой сигнализации на железных дорогах. Вдоль рельсов прокладывались металлические проводники, по которым передавался стуком условный сигнал.

1791 г. Французский священник К.Шапп представил на публичное обозрение конструкцию сигнального аппарата. Его конструкция представляла собой часы, на циферблате которых вместо цифр нанесены были буквы. По условному сигналу часы на передающей и приемной станциях одновременно пускали в ход. Предварительно оговаривалось начальное положение стрелок. По дополнительному сигналу передающей станции на приемной необходимо было фиксировать букву, против которой останавливалась стрелка.

1792 г. К.Шапп представил усовершенствованную модель телеграфа. Каждая станция состояла из маятниковых часов и большой доски, одной стороны черной, с другой - белой. На часах была всего одна стрелка, совершавшая в минуту не менее двух кругов по циферблату. Циферблат был разделён на 10 секторов, каждый из которых соответствовал цифре от0 до 9. В начале передачи отправитель запускал свои часы и в тот момент, когда их стрелка указывала точно вверх, поворачивал доску белой стороной к приёмной станции. Адресат, смотревший на передающую станцию в подзорную трубу, ставил свои часы соответственно и пускал их в ход. Таким образом, здесь впервые был использован принцип синхронизации, широко применяющийся и сейчас в разных средствах связи. В дальнейшем отправитель передавал цифры кодированного сообщения одну за другой, переворачивая доску на черную сторону, когда стрелка его часов проходила соответствующий сектор. Получателю оставалось следить за черно-белым сигналом передающей станции и за своими часами, записывая передаваемые цифры, кото-