Поколения развития электроники

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники, а вместе с ней, соответственно, и электронных устройств.

I поколение (1904 – 1950 г.г.) – дискретная электроника на вакуумных приборах - характеризуется тем, что роль активных элементов в электронных устройствах выполняли различные электровакуумные приборы, в которых пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газом) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные.

Электронный электровакуумный прибор – прибор, в котором электрический ток создаётся только свободными электронами.

Ионный электровакуумный прибор – прибор с электрическим разрядом в газе или парах. Этот прибор называют газоразрядным.

Семейство электронных электровакуумных приборов весьма обширно и объединяет такие группы приборов, как электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектрические приборы и др. Наиболее широко в элементной базе электронных устройств первого поколения применялись электронные лампы – электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габариты и массу. Число элементов в единице объёма (плотность монтажа) электронных устройств первого поколения составляло 0,001 ÷ 0,003 эл/см³.

В качестве пассивных элементов применялись резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, переключатели и другие дискретные радиодетали.

Сборка таких электронных устройств осуществлялась, как правило, вручную, из отдельных дискретных элементов, которые механически укреплялись на специальных панелях и электрически соединялись между собой проволочными проводниками с помощью пайки или сварки. Позднее были разработаны печатные платы, которые являлись более надёжными, обеспечивали бóльшую воспроизводимость параметров радиоэлектронной аппаратуры и относительную лёгкость автоматизации производства.

Низкая надёжность, сложность эксплуатации, большая потребляемой мощность, громоздкость реализации явились в последующем тормозящим фактором расширения областей применения электроники. Электровакуумные приборы в настоящее время находят ограниченное применение в промышленной электронике, а газоразрядные приборы используются преимущественно в виде элементов индикации.

II поколение (1950 – начало 60-х годов) – дискретная электроника на полупроводниковых приборах – характеризовалось применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров). Начало этого этапа связано с изобретением в 1948 году транзисторов. Первые транзисторы были точечными, их p-n-переходы получали в месте контакта с полупроводником двух заточенных проволочек. Однако точечные контакты были нестабильными. Этот недостаток был устранён в сплавных транзисторах, получение p-n-переходов которых основано на взаимодействии жидкой фазы вплавляемого электрода, содержащего легирующий элемент, с твёрдым полупроводником. Сплавные транзисторы отличались бóльшими переходами, низкой воспроизводимостью параметров и невозможностью получения базовых областей шириной менее 10 мкм. Затем в производство были внедрены транзисторы с диффузионными переходами, параметры которых более воспроизводимы, а ширина базы может быть уменьшена до 0,2 ÷ 0,3мкм.

Разработка в 1957 ÷ 1958 г.г. планарной технологии создала современную базу широкого производства транзисторов и использования их в радиоэлектронной аппаратуре.

Сборка электронных устройств второго поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа, при котором полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате – диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединёнными между собой проводниками. Проводники выполнялись путём осаждения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определённой электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств второго поколения за счёт применения малогабаритных элементов составляла ~ 0,5 эл/см³.

Применение транзисторов позволило на определённом этапе значительно повысить надёжность, уменьшить потребление мощности, габариты, а также затраты на производство и эксплуатацию электронной аппаратуры. Однако общая тенденция улучшения указанных показателей в условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры, связанной с усложнением возлагаемых на неё задач, вызвала необходимость перехода от аппаратуры на дискретных компонентах к её интегральному исполнению.

III поколение (1960 – 1980 г.г.) – интегральная микроэлектроника на интегральных микросхемах – связано с появлением плёночной технологии, которая в сочетании с планарной технологией дала возможность в микрообъёмах твёрдого тела изготовлять огромное количество активных приборов. Это поколение характеризуется бурным развитием микроэлектроники. Основой элементной базы третьего поколения электронных устройств стали интегральные схемы и микросборки.

Интегральная схема представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющих определённую функцию преобразования информации. Микросборка представляет собой интегральную схему, в состав которой входят однотипные элементы (например, только диоды или только транзисторы).

Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств – набор печатных плат, на которые монтируют интегральные схемы и микросборки. Плотность монтажа электронных устройств третьего поколения составляет ≤ 50 эл/см³.

Этот этап развития электронных устройств характеризуется не только резким уменьшением габаритов, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надёжности, в том числе и за счёт сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) – интегральная микроэлектроника на функциональных приборах – характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), когда уже отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме, представляющей собой готовое электронное устройство приёма, преобразования или передачи информации. Такие электронные устройства, выполненные в виде СБИС, в ряде случаев позволяют полностью обеспечить требуемый алгоритм обработки исходной информации и существенно повысить надёжность их функционирования.

В структуре электронных приборов четвёртого поколения трудно или невозможно выделить элементы, эквивалентные традиционным дискретным компонентам (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и др.). Приборы функциональной электроники принципиально отличаются от элементов всех предыдущих поколений. Здесь производится интеграция различных объёмных и поверхностных физических явлений, благодаря чему может быть преодолён барьер конструктивной сложности современных интегральных схем.

Плотность монтажа электронных устройств четвёртого поколения составляет 1000 эл/см³ и выше [3, 4, 7].