История электронной техники
В этой статье подробно описана история электроники . Словарь Чемберса двадцатого века (1972) определяет электронику как «науку и технологию проведения электричества в вакууме, газе или полупроводнике, а также устройства на их основе». [1]
Инженерия электроники как профессия возникла в результате технологических усовершенствований в телеграфной промышленности в конце 19 века и в радио- и телефонной промышленности в начале 20 века. Люди тяготели к радио, привлеченные техническим увлечением, которое оно вызывало, сначала при приеме, а затем при передаче. [2] Многие из тех, кто занялся радиовещанием в 1920-е годы, еще до Первой мировой войны стали «любителями» . [3] Современная дисциплина электроники в значительной степени родилась в результате разработки телефонного, радио- и телевизионного оборудования, а также большого количества разработок электронных систем во время Второй мировой войны : радаров , гидролокаторов , систем связи, а также современных боеприпасов и оружия. системы вооружения. В межвоенные годы этот предмет назывался радиотехникой . Слово электроника начало использоваться в 1940-х годах. [4] термин «электроника» В конце 1950-х годов начал появляться .
Электронные лаборатории ( например, Bell Labs ), созданные и субсидируемые крупными корпорациями в области радио, телевидения и телефонного оборудования, начали выпускать ряд электронных разработок. В электронной промышленности произошла революция с изобретением первого транзистора в 1948 году, интегральной схемы в 1959 году. [5] [6] и кремниевый МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 году. [7] [8] В Великобритании предмет электротехника стал отличаться от электротехники как предмета университетской степени примерно в 1960 году. (До этого времени студенты, изучающие электронику и смежные предметы, такие как радио и телекоммуникации, должны были поступать на факультет электротехники университета как ни в одном университете не было факультетов электроники. Электротехника была ближайшим предметом, с которым можно было совместить электронику, хотя сходство в изучаемых предметах (кроме математики и электромагнетизма) сохранялось только в течение первого года трехлетних курсов.)
Электроника (еще до того, как она получила свое название) способствовала развитию многих технологий, включая беспроводную телеграфию , радио , телевидение , радар , компьютеры и микропроцессоры .
Беспроводная телеграфия и радио
[ редактировать ]Некоторые из устройств, которые могли бы обеспечить беспроводную телеграфию, были изобретены до 1900 года. К ним относятся передатчик на искровом разряднике и когерер , ранние демонстрации и опубликованные результаты Дэвида Эдварда Хьюза (1880). [9] и Генрих Рудольф Герц (1887–1890) [10] и дальнейшие дополнения к этой области Эдуарда Бранли , Николы Теслы , Оливера Лоджа , Джагадиша Чандры Боса и Фердинанда Брауна . В 1896 году Гульельмо Маркони разработал первую практическую и широко используемую систему связи на основе радиоволн. [11] [12]
Коммуникация на миллиметровых волнах была впервые исследована Джагадишем Чандрой Босом в 1894–1896 годах, когда он достиг чрезвычайно высокой частоты - до 60 ГГц . в своих экспериментах [13] Он также представил использование полупроводниковых переходов для обнаружения радиоволн. [14] когда он запатентовал радиокристаллический в 1901 году детектор . [15] [16]
В 1904 году Джон Амброуз Флеминг , первый профессор электротехники Университетского колледжа Лондона, изобрел первую радиолампу — диод . Затем, в 1906 году, Роберт фон Либен и Ли Де Форест независимо друг от друга разработали ламповый усилитель, названный триодом . электроника Считается, что началась с изобретения диода. В течение 10 лет устройство использовалось в радиопередатчиках и приемниках , а также в системах междугородной телефонной связи .
Изобретение триодного усилителя, генератора и детектора сделало аудиосвязь по радио практичной. ( В трансмиссиях Реджинальда Фессендена 1906 года использовался электромеханический генератор переменного тока .) В 1912 году Эдвин Х. Армстронг изобрел с регенеративной обратной связью усилитель и генератор ; он также изобрел супергетеродинный радиоприемник и может считаться отцом современного радио. [17]
Первая известная радионовостная программа была передана 31 августа 1920 года станцией 8MK, нелицензионным предшественником WWJ (AM) в Детройте, штат Мичиган. Регулярное беспроводное развлекательное вещание началось в 1922 году из Исследовательского центра Маркони в Риттле недалеко от Челмсфорда , Англия . Станция была известна как 2MT , за ней последовало вещание 2LO из Стрэнда, Лондон .
Хотя в некоторых ранних радиоприемниках использовался тот или иной тип усиления с помощью электрического тока или батареи, к середине 1920-х годов наиболее распространенным типом приемника был кристаллический набор . В 1920-х годах усилительные электронные лампы произвели революцию как в радиоприемниках, так и в передатчиках.
Вакуумные лампы оставались предпочтительным усилительным устройством в течение 40 лет, пока исследователи, работавшие на Bell Labs , транзистор в 1947 году. Уильяма в не изобрели Шокли быть построенным. Транзисторы были меньше по размеру и требовали более низких напряжений для работы , чем электронные лампы.
До изобретения интегральной схемы в 1959 году электронные схемы конструировались из дискретных компонентов, которыми можно было манипулировать вручную. Эти неинтегрированные схемы потребляли много места и энергии , были склонны к сбоям и имели ограниченную скорость, хотя они все еще широко распространены в простых приложениях. Напротив, интегральные схемы упаковывали большое количество — часто миллионы — крошечных электрических компонентов, в основном транзисторов , в небольшой чип размером с монету . [18]
Телевидение
[ редактировать ]В 1927 году Фило Фарнсворт провел первую публичную демонстрацию чисто электронного телевидения . [19] В 1930-е годы вещание началось в нескольких странах, а после Второй мировой войны оно распространилось на миллионы приемников, в конечном итоге по всему миру. С тех пор электроника полностью присутствует в телевизионных устройствах.
Современные телевизоры и видеодисплеи превратились из технологии громоздких электронных ламп в более компактные устройства, такие как плазменные и жидкокристаллические дисплеи . Тенденция заключается в использовании устройств с еще меньшим энергопотреблением, таких как дисплеи на органических светодиодах , и, скорее всего, они заменят ЖК-дисплеи и плазменные технологии. [20]
Радар и радиолокация
[ редактировать ]Во время Второй мировой войны много усилий было затрачено на электронное определение местоположения вражеских целей и самолетов. К ним относятся радиолучевое наведение бомбардировщиков, средства электронного противодействия, ранние радиолокационные системы и т. д. В то время на разработку бытовой электроники было затрачено очень мало усилий, если вообще они вообще были. [21]
Транзисторы и интегральные схемы
[ редактировать ]
Первым работающим транзистором был транзистор с точечным контактом, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Telephone Laboratories (BTL) в 1947 году. [22] Затем Уильям Шокли изобрел биполярный транзистор в BTL в 1948 году. [23] Хотя ранние переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в массовом производстве , [24] они открыли дверь для более компактных устройств. [25]
Первыми интегральными схемами были гибридная интегральная схема, изобретенная Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, и монолитная интегральная схема, изобретенная Робертом Нойсом в Fairchild Semiconductor в 1959 году. [26]
МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в BTL в 1959 году. [27] [28] [29] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. [24] Это произвело революцию в электронной промышленности , [7] [8] становится самым широко используемым электронным устройством в мире. [28] [30] [31] МОП-транзистор является основным элементом большинства современных электронных устройств. [32] [33]
MOSFET позволил создавать микросхемы интегральных схем высокой плотности . [28] Самая ранняя экспериментальная микросхема МОП-ИС была изготовлена Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в лабораториях RCA в 1962 году. [34] Технология МОП позволила реализовать закон Мура — удвоение количества транзисторов на микросхеме каждые два года, предсказанное Гордоном Муром в 1965 году. [35] Технология МОП с кремниевым затвором была разработана Федерико Фаггином из Fairchild в 1968 году. [36] С тех пор массовое производство кремниевых МОП-транзисторов и МОП-интегральных микросхем, а также непрерывная миниатюризация МОП-транзисторов с экспоненциальной скоростью (как и предсказывает закон Мура ), привели к революционным изменениям в технологии, экономике, культуре и мышлении. [37]
Компьютеры
[ редактировать ]Компьютер — это программируемая машина, которая принимает входные данные, хранит их и обрабатывает их, а также предоставляет выходные данные в полезном формате.
Хотя механические образцы компьютеров существовали на протяжении большей части записанной истории человечества, первые электронные компьютеры были разработаны в середине 20 века (1940–1945). Они были размером с большую комнату и потребляли столько же энергии, сколько несколько сотен современных персональных компьютеров (ПК). Современные компьютеры, основанные на интегральных схемах, в миллионы и миллиарды раз более производительны, чем ранние машины, и занимают небольшую часть пространства. Простые компьютеры достаточно малы, чтобы поместиться в небольшие карманные устройства, и могут питаться от небольшой батареи. Персональные компьютеры в их различных формах являются символами информационного века и представляют собой то, что большинство людей называет «компьютерами». Однако наиболее многочисленными являются встроенные компьютеры, используемые во многих устройствах: от MP3-плееров до истребителей, от игрушек до промышленных роботов.
Способность хранить и выполнять списки инструкций, называемых программами, делает компьютеры чрезвычайно универсальными, отличая их от калькуляторов. Тезис Чёрча-Тьюринга представляет собой математическое выражение этой универсальности: любой компьютер с определенными минимальными возможностями в принципе способен выполнять те же задачи, что и любой другой компьютер. Таким образом, все компьютеры, от нетбука до суперкомпьютера, способны выполнять одни и те же вычислительные задачи при наличии достаточного времени и емкости памяти.
Микропроцессоры
[ редактировать ]
К 1964 году МОП-чипы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные чипы. Сложность МОП-чипов продолжала увеличиваться со скоростью, предсказанной законом Мура , что привело к крупномасштабной интеграции (LSI) с сотнями транзисторов на одном МОП-чипе к концу 1960-х годов. Применение микросхем MOS LSI для вычислений стало основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютерный процессор может содержаться на одном чипе MOS LSI. [38]
Первые многокристальные микропроцессоры Four-Phase Systems AL1 в 1969 году и Garrett AiResearch MP944 в 1970 году были разработаны с использованием нескольких микросхем MOS LSI. Первым однокристальным микропроцессором стал Intel 4004 , выпущенный на одном чипе MOS LSI в 1971 году. [39] Однокристальный микропроцессор был задуман в 1969 году Марсианом Хоффом . Его концепция была частью заказа японской компании Busicom на настольный программируемый электронный калькулятор, который Хофф хотел сделать как можно дешевле. Первой реализацией однокристального микропроцессора стал Intel 4004 , 4-битный процессор, выпущенный на одном чипе MOS LSI в 1971 году. Он был разработан Федерико Фаггином с использованием его технологии MOS с кремниевым затвором вместе с Intel инженерами Intel Хоффом и инженерами . Стэн Мазор и инженер Busicom Масатоши Сима . [39] Это положило начало развитию персонального компьютера . В 1973 году Intel 8080 процессор 8-битный сделал возможным создание первого персонального компьютера MITS Altair 8800 . О первом ПК было объявлено широкой публике на обложке январского номера журнала Popular Electronics за 1975 год .
Многие инженеры-электронщики сегодня специализируются на разработке и программировании электронных систем на базе микропроцессоров, известных как встроенные системы . Гибридные специализации, такие как компьютерная инженерия, возникли благодаря детальному знанию аппаратного обеспечения, необходимого для работы с такими системами. [40] Инженеры-программисты обычно не изучают микропроцессоры, в отличие от инженеров по компьютерам и электронике. Инженеров, которые выполняют исключительно роль программирования встроенных систем или микропроцессоров, называют « инженерами встроенных систем » или « инженерами встроенного ПО ».
См. также
[ редактировать ]- Электротехника
- Электроника
- Электроника
- Электронная промышленность
- История электротехники
- Хронология электротехники и электроники
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Словарь Чемберса двадцатого века , W&R Chambers, Эдинбург, 1972, стр. 417, ISBN 055010206X
- ^ Лауэр, Анри; Браун, Гарри Леонард (1919). Радиотехнические основы . МакГроу-Хилл . Проверено 14 марта 2012 г.
радиотехника.
- ^ Эрик Барноу Вавилонская башня , с. 28, Издательство Оксфордского университета, США, 1966 г. ISBN 978-0195004748
- ^ Ассигнования Министерства обороны на... - США. Конгресс. Дом. Комитет по ассигнованиям — Google Книги . 1949 год . Проверено 14 марта 2012 г.
- ^ Дэниел Тодд. Мировая электронная промышленность , с. 55 лет, Тейлор и Фрэнсис, 1990 г. ISBN 978-0415024976
- ^ Уокер, Роб; Терсини, Нэнси (1992). Силиконовая судьба . Уокер Исследователь Ассошиэйтс. ISBN 9780963265401 . Проверено 14 марта 2012 г.
Интегральная схема IC.
- ^ Перейти обратно: а б Чан, И-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIAs/InGaAs и GaInP/GaAs для высокоскоростных приложений . Мичиганский университет . п. 1.
Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и, как следствие, влияет на нашу повседневную жизнь практически всеми мыслимыми способами.
- ^ Перейти обратно: а б Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Силовые МОП-транзисторы: теория и приложения . Уайли . п. 1. ISBN 9780471828679 .
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в очень крупномасштабной интеграции цифровых интегральных схем (СБИС). В 1970-е годы эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
- ^ Исследования профессора Д. Э. Хьюза в области беспроводной телеграфии, Электрик, Том 43, 1899 г., страницы 35, 40–41, 93, 143–144, 167, 217, 401, 403, 767.
- ^ Мэсси, WW, и Андерхилл, CR (1911). Беспроводная телеграфия и телефония популярно объяснены. Нью-Йорк: Д. Ван Ностранд.
- ^ Брайан Х. Банч/Александр Хеллеманс История науки и технологий , стр. 436, Хоутон Миффлин Харкорт, 2004 г. ISBN 978-0618221233
- ^ Беспроводная телеграфияИзвестия Института радиоинженеров, стр. 101-5.
- ^ «Вехи: первые эксперименты в области связи в миллиметровом диапазоне, проведенные Дж. К. Бозе, 1894–96» . Список вех IEEE . Институт инженеров электротехники и электроники . Проверено 1 октября 2019 г.
- ^ Эмерсон, Д.Т. (1997). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований мм-волн» . Дайджест Международного симпозиума по микроволновому оборудованию IEEE MTT-S, 1997 год . Том. 45. С. 2267–2273. Бибкод : 1997imsd.conf..553E . дои : 10.1109/MWSYM.1997.602853 . ISBN 9780986488511 . S2CID 9039614 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помощь ) перепечатано в под ред. Игоря Григорова, Antentop , Vol. 2, № 3, стр. 87–96. - ^ «Хронология» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 22 августа 2019 г.
- ^ «1901: Полупроводниковые выпрямители запатентованы как детекторы «кошачьи усы»» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 г.
- ^ Пол Дж. Нахин. Наука радио , стр. xxxv-vi, Springer, 2001. ISBN 978-0387951508
- ^ Дэвид А. Ходжес/Гораций Г. Джексон/Ресве А. Салех Анализ и проектирование цифровых интегральных схем , с. 2, McGraw-Hill Professional, 2003 г. ISBN 978-0072283655
- ^ «Фило Тейлор Фарнсворт (1906–1971)» . Виртуальный музей города Сан-Франциско. Архивировано из оригинала 22 июня 2011 г. Проверено 20 декабря 2010 г.
- ^ Джозеф Шинар Органические светоизлучающие устройства , с. 45, 2003 г. ISBN 978-0387953434
- ^ Мартин Л. Ван Кревельд Технологии и война , стр. 267-8, Саймон и Шустер, 1991. ISBN 978-0029331538
- ^ «1947: Изобретение точечного транзистора» . Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2019 г.
- ^ «1948: Концепция переходного транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 8 октября 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Инновации в области передовых материалов: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Уайли и сыновья . стр. 165–167. ISBN 9780470508923 .
- ^ «Хронология электроники» . Величайшие инженерные достижения двадцатого века . Проверено 18 января 2006 г.
- ^ Саксена, Арджун Н. (2009). Изобретение интегральных схем: неописанные важные факты . Всемирная научная . п. 140. ИСБН 9789812814456 .
- ^ «1960 — Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
- ^ Перейти обратно: а б с «Кто изобрел транзистор?» . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 года . Проверено 20 июля 2019 г.
- ^ «Триумф МОП-транзистора» . Ютуб . Музей истории компьютеров . 6 августа 2010 г. Проверено 21 июля 2019 г.
- ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). Пассивные и активные технологии ВЧ и СВЧ . ЦРК Пресс . стр. 18–2. ISBN 9781420006728 .
- ^ «13 секстиллионов и счет: долгий и извилистый путь к самому часто изготавливаемому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров . 2 апреля 2018 г. Проверено 28 июля 2019 г.
- ^ Дэниелс, Ли А. (28 мая 1992 г.). «Доктор Давон Кан, 61 год, изобретатель в области твердотельной электроники» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 1 апреля 2017 г.
- ^ Колинг, Жан-Пьер; Грир, Джеймс К. (2016). Нанопроволочные транзисторы: физика устройств и материалов в одном измерении . Издательство Кембриджского университета . п. 2. ISBN 9781107052406 .
- ^ «Черепаха транзисторов побеждает в гонке — революция CHM» . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 г.
- ^ Франко, Якопо; Качер, Бен; Грозенекен, Гвидо (2013). Надежность высокомобильных SiGe-канальных МОП-транзисторов для будущих КМОП-приложений . Springer Science & Business Media. стр. 1–2. ISBN 9789400776630 .
- ^ «1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем» . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 г.
- ^ Фельдман, Леонард К. (2001). "Введение" . Фундаментальные аспекты окисления кремния . Springer Science & Business Media . стр. 1–11. ISBN 9783540416821 .
- ^ Ширрифф, Кен (30 августа 2016 г.). «Удивительная история первых микропроцессоров» . IEEE-спектр . 53 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике : 48–54. дои : 10.1109/MSPEC.2016.7551353 . S2CID 32003640 . Проверено 13 октября 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б «1971: Микропроцессор объединяет функции ЦП в одном кристалле» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 г.
- ^ «Программы бакалавриата по электротехнике и информатике» (PDF) . УМБК . Проверено 4 декабря 2015 г.