Реферат: Основные направления развития вакуумной электроники

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»


ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Полное название вуза


Научно-информационный материал


Вакуумная микро- и наноэлектроника.

Основные направления развития вакуумной электроники.

Полное название НИМ или НОМ


Москва 2009 г.


Основные направления развития вакуумной электроники


Начало исследований электронных процессов связано с открытием эффекта термоэлектронной эмиссии американскому изобретателем Т. А. Эдисоном в 1883 году, который обнаружил эффект протекания тока в вакууме между угольной нитью и впаянным в вакуумированную стеклянную колбу металличе­ским электродом. Эдисон обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между этим электродом и нитью протекает ток. Это явление лежит в осно­ве всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода.

Первый электронный прибор — вакуумный фотоэлемент — был создан русским физиком, профессором Московского Университета А. Г. Столето­вым в 1888 году. Фотоэлемент Столетова полностью соответствовал сформулирован­ному позже определению электронного прибора, как прибора, в котором происходит взаимодействие электронов с электромагнитными волнами. Электромагнитные волны светового спектра выбивали из фотокатода поток электронов. Между фотокатодом и анодом с положительным зарядом возникал фототок. Этот процесс, проходящий в вакууме, позже использовался в различ­ных фотоэлектронных приборах.

Позже были сформированы три основные направления электроники, созданные в результате изобретений, имеющих значение научно-технических революций:

изобретения вакуумного триода в 1907 году;

изобретения транзистора в 1948 году;

изобретения лазера в 1960 году.

Каждое из этих изобретений стало базой создания соответствующих направлений в электронике: вакуумной, твердотельной и квантовой элек­троники.

Изделия вакуумной электроники представляют собой вакуумные (электровакуумные и газоразрядные) приборы, в которых взаимодействие эмитируемых катодом электронов происходит в вакууме в герметизируемом баллоне. Вакуумные приборы генерируют и принимают электромагнитные излучения в диапазоне от 10-2 до 1021 Гц.

В 1886 г. А. С. Попов и итальянец Маркони независимо друг от друга передали по радио на дальние расстояния телеграфные сигналы. К нача­лу XX века стала очевидной необходимость создания для радио хорошего усилителя.

Если первым шагом в создании такого усилителя было открытие эф­фекта Эдисона, то вторым стало изобретение Флемингом в 1904 г. ваку­умного диода. Как точечный кристаллический детектор он выпрямлял радиочастотные сигналы, но не был в состоянии их усилить.

Третий шаг в создании усилителя был осуществлен Ли де Форестом. В 1906 г. он подал заявку на выдачу патента на трехэлектродную вакуум­ную лампу. Эта лампа была аналогична лампе Флеминга, за исключением весьма важной особенности — она содержала управляющую сетку между нитью накала и анодом.

Первые приборы имели низкое усиление. Необходимы были дополни­тельные решения, чтобы превратить их в полезный усилитель. На это ушло шесть лет, и тогда действительно началась эпоха радио и современной элек­троники.

Вакуумные лампы с теоретической точки зрения были изучены вполне достаточно, чтобы служить трамплином для развития радио. Триод с высо­ким усилением был полностью разработан в 1927 г. главным образом благо­даря вкладу Лангмюра, предсказавшего, что, заключив лампу в колбу с вы­соким вакуумом, можно добиться лучших технических характеристик.

Отечественная электровакуумная промышленность начала создаваться лишь с 1918 года. Работы, начатые в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории позволили производить ге­нераторные лампы до 1 кВт, а в 1923 г. — лампы на 25 кВт с водяным охлаж­дением, в то время — самые мощные в мире. В 1933—1934 гг. А. Л Минцем и Н. Н. Огановым были созданы первые разборные мощные генераторные лампы. Идея подогревного катода для приемно-усилительных ламп была предложена А. А. Чернышевым. Большой вклад в создание катодов для этих ламп был сделан А. А. Шапошниковым и С. А. Векшинским. Из тео­ретических работ следует отметить работы С. А. Богуславского в 1924 г. по токопрохождению в диоде, а затем работы Г.А. Гринберга, B.C. Лукошкова и многих других ученых.

В сороковые-восьмидесятые годы XX века в Советском Союзе была создана мощная радиоэлектронная промышленность. Многие НИИ, КБ и заводы занимались разработкой и созданием приемно-усилительных ламп. Применение электронных ламп в самых разнообразных условиях рабо­ты — как климатического характера (начиная с Дальнего Севера и кончая тропиками), так и по назначению аппаратуры (начиная со стационарных установок и кончая бортовыми приборами для ракет и космических иссле­дований) — заставляло предъявлять к электронным лампам чрезвычайно жесткие и разнообразные требования, прежде всего отражающиеся на их конструктивном оформлении. Основные из этих требований: механическая прочность, возможно меньшие габариты и вес при заданных параметрах, эксплуатационная надежность лампы, ее экономичность, устойчивость па­раметров в течение всего времени работы, возможно меньший разброс их по параметрам и, наконец, возможно большая долговечность.


Современные приборы вакуумной электроники подразделяются на следующие классы:

^ 1. Электронные приёмно-усилительные лампы (ПУЛ) – это диоды, триоды, тетроды, пентоды и др. приборы, в которых управление электронным потоком осуществляется электростатически, с помощью электродов. ПУЛ предназначены главным образом для усиления и генерирования электромагнитных колебаний с частотой до 3*109 Гц и мощностью рассеивания на аноде до 25 Вт. Основные области применения ПУЛ – радиотехника, радиовещание, радиосвязь, телевидение.

^ 2. Газоразрядные (ионные) приборы – электронные приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока через разреженный газ – газовый разряд. В газоразрядных приборах используются дуговой, тлеющий, искровой и коронный разряды. Приборы этого класса имеют малое внутреннее сопротивление и способны пропускать токи до 104 А. К газоразрядным приборам относятся газоразрядные СВЧ-приборы, газотроны, стабилитроны, ртутные и водородные тиратроны, счётчики ионизирующих частиц, газоразрядные источники света, газоразрядные лазеры, плазменные панели телевизионных экранов.

^ 3. Генераторные лампы – это электронные лампы, предназначенные для преобразования энергии источников тока в энергию высокочастотных (до 1010 Гц) колебаний. Диапазон мощностей генераторных ламп от 25 Вт до 250 кВт. Генераторные лампы применяются в качестве радиопередатчиков в радиовещании, телевидении, радиолокации, в измерительной технике, в медицинской электронной аппаратуре, в ускорителях заряженных частиц.

^ 4. Электровакуумные СВЧ приборы – приборы с динамическим управлением током, в которых увеличение энергии СВЧ-поля происходит вследствие дискретного (в клистронах) или непрерывного (лампы бегущей волны, магнетроны) взаимодействия электронов с СВЧ электромагнитным полем. Приборы этого класса используются для генерирования, усиления и преобразования электромагнитных сигналов с частотой от 3*108 до 3*1013 Гц. Освоение электровакуумными приборами СВЧ диапазона частот от 300 МГц до 10000 ГГц обеспечило получение высокой направленности излучения, что стало базой развития радиолокации и увеличения числа каналов связи – основы радиорелейной и космической связи.

^ 5. Электронно-лучевые приборы (ЭЛП) – приборы, в которых сфокусированный в узкий луч поток электронов взаимодействует с мишенью (экраном). К основным типам ЭЛП относятся: ЭЛП отображения информации (приёмные ЭЛП, электронно-лучевые трубки) – телевизионные, дисплейные, осциллографические, индикаторные, проекционные, запоминающие; передающие ЭЛП, преобразующие оптические сигналы для телевизионных систем; преобразовательные ЭЛП, в которых мишень является промежуточным элементом.

^ 6. Фотоэлектронные приборы, преобразующие энергию электромагнитных излучений видимого или невидимого оптического диапазона в электрическую энергию, или изображения в невидимых (ИК, УФ, рентгеновских) излучениях в видимое изображение. К вакуумным фотоэлектронным приборам относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, усилители яркости изображения, передающие электронно-лучевые приборы.

^ 7. Рентгеновские трубки – электровакуумные приборы, генерирующие самое высокочастотное для электронных приборов излучение (до 1018-1021 Гц) в результате бомбардировки металлической мишени пучком ускоренных напряжением 10-2000 Кв. электронов. На использовании рентгеновского излучения основаны медицинские диагностические и терапевтические методики, рентгенография для микроэлектроники, методы рентгеноструктурного анализа. Рентгеновской микроскопии и рентгеновской астрономии.


В 1948 г. в Bell Telephan Lab (USA) выдающимися инженерами и уче­ными В. Шокли, Д. Бардиным и У. Братейном был создан полупроводни­ковый транзистор. На смену вакуумной электроники пришла эра полупро­водниковой микроэлектроники. К настоящему времени созданы полупроводниковые приборы, функ­ционально решающие практически все задачи, которые в свое время были решены приемно-усилительными лампами и в значительной мере лампами СВЧ диапазона. Интегральные схемы могут содержать в одном кристалле десятки, сотни, тысячи (большие интегральные схемы - БИС) и миллионы активных элементов (сверхбольшие интегральные схемы - СБИС). Развитие массового производства транзисторов, интегральных микро­схем, плоскопанельных индикаторов и дисплеев привело к грандиозным изменениям в электронике. В то же время вакуумная электроника не исчезла, она перешла на дру­гой фундаментальный научно-технический уровень развития. Появилась вакуумная микроэлектроника.

В 1988 г. в Вилнамсбурге (США) состоялась первая международная конференция по вакуумной микроэлектронике. Основной доклад на конференции сделал Айвор Броди — один из осно­воположников этого направления. По мнению Броди, вакуумная микроэ­лектроника приобрела огромное значение благодаря двум факторам обще­го характера: возросли требования, которым уже не могут удовлетворить твердо­тельные приборы, даже после огромных исследовательских затрат, и, кроме того специалисты пришли к выводу, что отнюдь не будет непрактичным делать вакуумные лампы микронных и субмикронных размеров.

Можно выделить два направления работ, обеспечивших появление вакуумной микроэлек­троники и приведения к ее сегодняшнему состоянию.

Во-первых, это исследования вакуумного пробоя. В начале 20-х годов прошлого столетия пробой заявил о себе в периодических срывах транс­атлантических радиопередач, осуществляемых с помощью высокомощных ламп Маркони. Госслинг, работавший у Маркони, исследовал этот эффект и в 1926 г. опубликовал работу, в которой высказал гипотезу, что пробой вызывается электронами, эмитируемыми с выпуклостей на вольфрамовом стержневом катоде. Эти выпуклые неоднородности взрывались, вызывая пробой. Анализ полученных результатов и дальнейшие исследования при­вели в конечном счете к уравнению Фаулера — Нордгейма. Открытие того, что электроны могут вылетать с холодных катодов под действием элек­трических полей с высокой напряженностью, вызвало развитие множества проектов автоэмиссионных приборов.

Второй путь к вакуумной микроэлектронике связан с удивительным совершенствованием технологии за последние 20 лет. Оказалось, что оборудование и технологии, разработанные для инте­гральных схем (нанесение тонких пленок, химическое и плазменное трав­ление; оптическая, электронная, рентгеновская литография) пригодны для изготовления вакуумных микроэлектронных приборов.