Електроніка, мікроелектроніка та схемотехніка

Електроніка, мікроелектроніка і схемотехніка

Електроніка

Що таке електроніка?Електроніка (від грец. Ηλεκτρόνιο — електрон) — наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв, в яких ця взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, в основному для передачі, обробки і зберігання інформації.

Що таке електроніка?Також електроніка — це галузь фізики та техніки, в якій досліджуються електронні процеси, що пов'язані з утворенням та керуванням руху вільних електронів та/або інших заряджених частинок в різноманітних середовищах (вакуум, тверде тіло, газ, плазма) та на їх границях, а також проблеми і методи розробки електронних приладів різного призначення.

Види перетворень. Найхарактерніші види таких перетворень — генерування, підсилення і прийом електромагнітних коливань з частотою до 1012 Гц, а також інфрачервоного, видимого, ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань (1012—1020 Гц). Перетворення до настільки високих частот можливо завдяки виключно малій інерційності електрона — найменшою з нині відомих заряджених часток. У електроніці досліджуються взаємодії електронів як з макрополями в робочому просторі електронного приладу, так і з мікрополями усередині атома, молекули або кристалічної решітки.

Електроніка спирається на багато розділів фізики — електродинаміку, класичну і квантову механіку, фізику твердого тіла, оптику, термодинаміку, а також на хімію, металургію, кристалографію і інші науки. Використання результатів цих і ряду інших галузей знань, з одного боку, ставить перед іншими науками нові завдання, чим стимулює їх подальший розвиток, з іншого — створює нові електронні прилади і пристрої і тим самим озброює науки якісно новими засобами і методами дослідження.

Практичні завдання електроніки. Розробка електронних приладів і пристроїв, що виконують різні функції в системах перетворення і передачі інформації, в системах керування, в обчислювальній техніці, а також в енергетичних пристроях; розробка наукових основ технології виробництва електронних приладів і технології, що використовує електронні і іонні процеси і прилади для різних галузей науки і техніки.

Роль електроніки. Електроніка відіграє провідну роль в науково-технічній революції. Впровадження електронних приладів в різні сфери людської діяльності значною мірою (частенько вирішальною) сприяє успішній розробці складних науково-технічних проблем, підвищенню продуктивності фізичної і розумової праці, поліпшенню економічних показників виробництва. На основі досягнень електроніки розвивається промисловість, що випускає електронну апаратуру для різних видів зв'язку, автоматики, телебачення, радіолокації, обчислювальної техніки, систем управління технологічними процесами, приладобудування, а також апаратуру світлотехніки, інфрачервоної техніки, рентгенотехніки і ін.

Мікроелектроніка

Що таке мікроелектроніка?Мікроелектроніка — галузь сучасної промисловості, виробництво кремнієвих кристалів інтегральних мікросхем. Мікроелектроніка — це непорушний фундамент не тільки всієї сучасної індустрії інформаційних і комп'ютерних технологій, але і дуже багатьох суміжних галузей — побутової електроніки, індустрії розваг (включаючи музику і відео), медицини, військової і автомобільної промисловості тощо.

Мікросхемотехніка і топологія. Слід розрізняти два основні напрями розвитку індустрії виробництва мікросхем. Перше — розробка архітектури, що включає вибір тих або інших функцій і особливостей майбутніх схем, мікросхемотехніку і компоновку на кристалі функціональних блоків і їхніх елементів, які втілюють вибрані функції. А також — оптимізація готових блоків з метою усунення вузьких місць, підвищення продуктивності і надійності роботи майбутніх схем, спрощення і здешевлення їхнього масового виробництва.

Напівпровідникові технологіїДругий основоположний напрям — це власне напівпровідникові технології виробництва мікросхем. Сюди входять наукова розробка і втілення в «кремнії» все швидших і менших транзисторів, схем зв'язку між ними і іншим «обрамленням» мікроструктур на кристалі, створення технологій виготовлення малюнку ліній і транзисторів на поверхні кремнію, нових матеріалів і устаткування для цього, а також «manufacturability» — область знань про те, як виробляти мікросхеми вищої якості, швидші, з більшою кількістю придатних кристалів на пластині, меншим числом дефектів і розкидом робочих параметрів.

Компоненти мікроелектроніки. Більшість компонентів звичайної електроніки, так само застосовуються і в мікроелектроніці: резистори, конденсатори, котушки індуктивності, діоди, транзистори, ізолятори і провідники, але вже у вигляді мініатюрних пристроїв в інтегральному виконанні. Цифрові інтегральні мікросхеми в основному складаються з транзисторів. Аналогові схеми в основному містять резистори і конденсатори. Котушки індуктивності використовуються в схемах, що працюють на високих частотах.

Розвиток мікроелектроніки. З розвитком техніки, розміри компонентів постійно зменшуються. При дуже великому ступені інтеграції компонентів, а отже і при максимальній мінімізації їхніх розмірів, питання міжелементної взаємодії стає дуже актуальним. Дана проблема носить назву паразитні явища. Одне з основних завдань проектувальника — це компенсувати або мінімізувати ефект паразитних витоків.

Схемотехніка

Що таке схемотехніка?Схемотехніка — науково-технічний напрям, що охоплює проблеми проектування і дослідження схем електронних пристроїв радіотехніки і зв'язку, обчислювальної техніки, автоматики і інших областей техніки. Основне завдання схемотехніки — синтез (визначення структури) електронних схем, що забезпечують виконання певних функцій, і розрахунок параметрів елементів, які входять до них. Термін «схемотехніка» з'явився в 60-х рр.. 20 ст. у зв'язку з розробкою уніфікованих схем, придатних одночасно для багатьох застосувань.

Предмет схемотехніки. Предметом схемотехніки є розробка проектних рішень, які відносно простими засобами та з врахуванням наявних недоліків радіоелементів дозволяють досягти необхідних технічних параметрів електронних схем.

Застосування. На основі електронної схеми створюють відповідний пристрій (входить до складу деякої технічної системи). До пристрою надається вимога надійної роботи протягом заданого часу в реальних умовах виробничого розкиду параметрів елементів і їх старіння, впливу зовнішнього середовища і збурюючих впливів. Тому при розробці схем поряд з розрахунком номінальних значень параметрів елементів необхідно розраховувати експлуатаційні допуски на них, передбачати в схемі засоби, що підвищують надійність пристрою (забезпечують стійку роботу схеми при зовнішніх впливах), а також дозволяють контролювати його справність.

База схемотехніки. Елементною базою для створення електронних пристроїв служать дискретні електро- і радіоелементи (резистори, конденсатори, діоди, транзистори і т. д.) і інтегральні мікросхеми (ІС). Якщо електронна схема реалізується у вигляді ІС або декількох ІС, то говорять про «мікросхемотехніку», під якою розуміють область мікроелектроніки, пов'язану з проектуванням ІС. Крім синтезу і розрахунку електронних схем, мікросхемотехніка вирішує задачу розробки на основі електронних схем структури (топології) ІС.

Основні етапи розробки: Розрахунок геометричних розмірів елементів ІС;Раціональне розміщення елементів на поверхні або в об'ємі підкладки ІС;Знаходження оптимальних з'єднань елементів (можливі критерії оптимальності — забезпечення мінімальних довжин провідників, або числа їх перетинів, або взаємного впливу тощо).

Теоретична база схемотехніки. Теоретичною базою схемотехніки (у тому числі мікросхемотехніки) служать теорія лінійних і нелінійних електричних кіл, електродинаміка, математичне програмування, теорія автоматів і ін. При створенні електронних схем перспективне використання методів проектування з застосуванням ЕОМ (див. в ст. Проектування). По мірі розвитку мікроелектроніки, розробки великих ІС (ВІС) — функціональних пристроїв, що являють собою цілі системи, С. по ряду аспектів зливається з системотехнікою.