Elektrotehnikas attīstības vēsture
Pusvadītāju radioelektronikā tiek izveidoti, pētīti un lietoti aparāti un ierīces, kuru darbība pamatojas uz elektrisko lādiņu pārvietošanos cietvielās. Šī nozare radusies daudzu specialitāšu un tautību zinātnieku darba rezultātā.
Pusvadītāju radioelektronikas attīstības vēstures svarīgākie notikumi hronoloģiskā secībā:
1823.g. zviedru ķīmiķis J.J. Bercēliuss iegūst silīciju.
1886.g. vācu ķīmiķis K.A. Vinklers iegūst germāniju.
1890.g. francūzis E. Brenlijs stikla caurulītē starp diviem sudraba elektrodiem saspiež dzelzs skaidiņas un novēro, ka augstfrekvences maiņstrāvas iedarbībā dzelzs skaidiņas saķep un to pretestība strauji samazinās.
1894.g. angļu fiziķis O. Lodžs augstfrekvences elektromagnētisko svārstību reģistrēšanai izmanto stikla caurulītē saspiestas dzelzs skaidiņas un nosauc šo caurulīti par kohereru.
1896.g. krievu fiziķis A. Popovs izmanto automātiski sakratāmu kohereru radiotelegrāfa sakaru uzturēšanai.
1906. amerikāņu sakaru karaspēka virsnieks H.H. Danvudijs ievieto starp divām vara plāksnītēm karborunda ( ) kristālu un iegūst kristālisko detektoru.
1906.g. amerikānis G.V. Pikards izveido kontaktu starp metāla vadu un silīcija kristālu un patentē to kā detektoru.
1906. g. zviedrs C.A.F. Benedikss konstatē detektora īpašības metāla stieples un germānija kristāla kontaktam.
1992. g. Ņižņijnovgorodas radiolaboratorijas darbinieks O. Losevs ar pusvadītāju ierīces – kristadīna – palīdzību ģenerē un pastiprina elektromagnētiskās svārstības.
1925. g. Sākas kuproksa ( ) taisngriežu rūpnieciska ražošana.
1930. g. Sākas selēna taisngriežu rūpnieciska ražošana.
1930. g. J. E. Lilienfelds patentē lauktranzistoru, bet līdz tai rūpnieciskajai realizācijai vēl jāgaida vairāk par divdesmit gadiem.
1948. g. Dž. Bārdins, V. H. Bretins un V. Šoklijs patentē punkta tranzistoru.
1951g. Sākas sakausēto virsmas tranzistoru rūpnieciskā ražošana.
1951. g. Sāk ražot pirmās paaudzes elektroniskos skaitļotājus. Tie rada nepieredzēti strauju radioelektroniskās rūpniecības attīstības tempu pieaugumu, jo katra elektroniskā skaitļotāja izgatavošanai nepieciešami vairāki desmit tūkstoši diožu un citu detaļu.
1952. g. V. Šokolijs publicē pārējās lauktranzistora darbības teorētisko pamatojumu, bet pārdošanā tie parādās vēlāk.
1956. g. japāņu fiziķis L. Esaki atklāj tuneļefektu germānijā, un jau nākošajā gadā sākās tuneļdiožu rūpnieciska ražošana.
1960. g. Sākas pusvadītāju integrālo mikroshēmu rūpnieciska ražošana.
1964. g. Sākas integrālo operācijpastiprinātāju rūpnieciska ražošana.
1972. g. Sākas mikroprocesoru un mikrokalkulatoru rūpnieciska ražošana.
Pirmo radioiekārtu izgudroja un 1895. gada 7. maijā demonstrēja krievu zinātnieks A Popovs, tāpēc šo dienu uzskata par radio izgudrošanas dienu. Radiotehnikas tālākajā attīstībā lieli nopelni ir krievu zinātniekiem N. Papaleksi, M. Brujēvičam u.c.
1. Vispārīgās ziņas par elementārdaļiņām. Elektronikas elementi.
Elektrons ir elektriski uzlādēta elementārdaļiņa, kurai piemīt negatīvs lādiņš e = 1,602∙10-19 C un masa me = 9,109∙10-31 kg.
Elektronu daudzums atoma atbilst attiecīgā elementa kārtas numuram Mendeļejeva periodiskajā sistēmā. Elektroni atomos atrodas mijiedarbībā ar kodolu un savstarpējā mijiedarbībā. Elektroni, kas atrodas atomu ārējās Čaulās, ir vājāk saistīti ar kodolu, tādēļ citu atomu vai ārējās ietekmes rezultātā šie elektroni var atrauties no atomiem un kļūt par brīvajiem elektroniem. Brīvie elektroni ar dažādu ātrumu un dažādos virzienos kustas vielā starp atomiem. Ja šādu vielu ievieto ārējā elektriskajā laukā, brīvo elektronu kustība iegūst noteiktu virzienu — sāk plūst elektriskā strāva. Jo vairāk brīvo elektronu ir vielā, jo lielāka tās vadītspēja. Pēc Šī principa cietās vielas iedala vadītājos, pusvadītājos un dielektriķos.
Ja elektriski neitrāls atoms zaudē vai pievieno elektronu, tas kļūst elektriski uzlādēts — pārvēršas par pozitīvu vai negatīvu jonu. Elektrona zaudēšanas vai pievienošanas procesu sauc par jonizāciju.
Ja elektroni saņem ārēju papildu enerģiju, tie tiek ierosināti un var pat iziet no vielas. Tas nozīmē, ka noris elektronu emisija.
2. Elektronu emisija; termoelektronu, fotoelektronu, sekundārā un elektrostatiskā. Elektriskā izlāde gāzēs.
Elektronu emisija. Atkarībā no tā, kādā veidā elektroni saņem ārējo papildu enerģiju, izšķirami četri galvenie elektronu emisijas veidi:
termoelektronu emisija, kad papildu enerģiju elektroni saņem metāla vai pusvadītāja termokatoda karsēšanas rezultātā;
fotoelektronu emisija, kad uz fotokatoda virsmu iedarbojas elektromagnētiskais starojums — fotoni;
sekundārā elektronu emisija, kad sekundāro elektronu katodu bombardē ar ātru elektronu vai jonu plūsmu;
elektrostatiskā emisija (autoelektronu emisija), kad spēcīgs ārējais elektriskais lauks izrauj elektronus no katoda virsmas.
Termoelektronu emisija. Metālā uz brīvajiem elektroniem no visām pusēm iedarbojas pozitīvie joni, kas atrodas kristāliskā režģa mezglos. Līdz ar to uz katru elektronu iedarbojošos spēku summa ir tuva nullei. Tiem elektroniem, kas atrodas pie metāla virsmas, pozitīvo jonu radītie summārie pievilkšanas spēki nav vienādi ar nulli un ir vērsti uz metāla iekšieni. Šie spēki rada t.s. potenciāla barjeru. Lai elektrons izlidotu no metāla, tam jāpārvar potenciāla barjera — jāveic darbs, ko sauc par elektrona izejdarbu. To apzīmē ar W0 un mēra elektronvoltos. Izejdarbs vienāds ar elektrona lādiņa e un potenciāla barjeras φ0 reizinājumu: W0 = e φ0
Metāla termokatodiem elektrona izejdarbs ir 1...6 eV.
Metālu karsējot, brīvie elektroni saņem papildu enerģiju, sākas termoeleklronu emisija, ap katodu veidojas elektronu mākonis, kas rada termoelektronu emisijas strāvu. Šo strāvu nosaka katoda temperatūra, elektrona izejdarbs un katoda virsmas īpašības.
Termoelektronu emisijas strāvas blīvums: ,
kur A - koeficients, kas atkarīgs no katoda virsmas īpašībām. Tīriem metāliem
A = 40…70 A/(cm2∙K2);
T - katoda absolūta temperatūra (K);
e - naturālo logaritmu bāze (e = 2,718);
W0 - elektrona izejdarbs (J);
k - Bolcmaņa konstante (k = 1,38-10-23 J/K).
No formulām redzams, ka termoelektronu emisija galvenokārt atkarīga no katoda temperatūras, kuru ierobežo metālu kušanas temperatūra. Parasti katods izveidots no niķeļa vai volframa caurulītes, kurā ievietots volframa kvēldiegs. Kvēldiegs karsē katodu, tādēļ kvēldiegu neuzskata par atsevišķu elektrodu, bet par katoda sastāvdaļu. Konstruktīvi kvēldiegs parasti satīts pīnītē, bet, lai nebūtu īsslēguma, kvēldiegs pārklāts ar temperatūrizturīgu izolācijas materiālu — alumīnija oksīdu.
Niķeļa katodu temperatūra parasti ir 1000...1100 K, volframa katodu temperatūra — 2400...2600 K.
Ja uz termokatoda virsmu iedarbojas pozitīvs ārējais elektriskais lauks, termoelektronu emisija ievērojami palielinās, jo ārējā elektriskā lauka spēki daļēji kompensē potenciāla barjeru, tātad samazina elektronu izejdarbu. Šo parādību sauc par Šotki efektu.
…
