История электронной техники - History of electronic engineering

В этой статье подробно рассказывается о история электронной техники. Словарь Chambers Twentieth Century (1972) определяет электроника как «Наука и технология проведения электричества в вакууме, газе или полупроводнике, а также устройства на их основе».[1]

Электроинженерия как профессия возникла в результате технологических усовершенствований в телеграф промышленность в конце 19 века и в радио и телефон промышленности в начале 20 века. Люди тяготели к радио, привлеченные его техническим увлечением, сначала в приеме, а затем в передаче. Многие из тех, кто занимался радиовещанием в 1920-е годы, стали «любителями» в период до этого. Первая Мировая Война.[2] Современная электронная инженерия в значительной степени родилась из телефонной, радио- и телевидение -разработка оборудования и разработка большого объема электронных систем во время Вторая Мировая Война из радар, сонар, системы связи и современные системы боеприпасов и оружия. В межвоенные годы эта тема была известна как радиотехника. Слово электроника начали использовать в 1940-х гг.[3] В конце 1950-х годов термин электроинженерия начали появляться.[4]

Электронные лаборатории (Bell Labs например), созданные и субсидируемые крупными корпорациями в индустрии радио, телевидения и телефонного оборудования, начали выпускать серию электронных достижений. В электронная промышленность была революционизирована изобретениями первых транзистор в 1948 г. Интегральная схема чип 1959 г.,[5][6] и кремний МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 г.[7][8] В Великобритании электронная инженерия стала отличаться от электротехника как Университет -дипломный предмет около 1960 года. (До этого студенты, изучающие электронику и связанные с ней предметы, такие как радио и телекоммуникации, должны были поступать в электротехника кафедра университета как ни один университет не имел кафедр электроники. Электротехника была ближайшим предметом, с которым могла быть связана электронная инженерия, хотя сходство в охватываемых предметах (кроме математики и электромагнетизма) сохранялось только в течение первого года трехлетних курсов.)

Электронная инженерия (еще до того, как она получила название) способствовала развитию многих технологий, в том числе беспроводной телеграф, радио, телевидение, радар, компьютеры и микропроцессоры.

Беспроводная телеграфия и радио

Основная статья: История радио

Некоторые из устройств, которые позволят беспроводной телеграф были изобретены до 1900 года. К ним относятся передатчик искрового разрядника и когерер с ранними демонстрациями и опубликованными результатами Дэвид Эдвард Хьюз (1880)[9] и Генрих Рудольф Герц (С 1887 по 1890 год)[10] и дальнейшие дополнения к полю Эдуард Бранли, Никола Тесла, Оливер Лодж, Джагадиш Чандра Босе, и Фердинанд Браун. В 1896 г. Гульельмо Маркони продолжил разработку первой практичной и широко используемой системы связи на основе радиоволн.[11][12]

Миллиметровая волна общение было впервые исследовано Джагадиш Чандра Босом в 1894–1896 гг., когда он достиг чрезвычайно высокая частота до 60 ГГц в своих экспериментах.[13] Он также ввел использование полупроводник переходы для обнаружения радиоволн,[14] когда он запатентованный то радио кристаллический детектор в 1901 г.[15][16]

В 1904 г. Джон Амброуз Флеминг, первый профессор электротехники в Университетском колледже Лондона, изобрел первый радиолампа, то диод. Затем, в 1906 году, Роберт фон Либен и Ли Де Форест независимо разработал лампу усилителя, названную триод. Электроника часто считается, что он начался с изобретения триода. В течение 10 лет устройство использовалось в радио передатчики и приемники а также системы на дальние расстояния телефонные звонки.

Изобретение триодного усилителя, генератора и детектора сделало аудиосвязь по радио практичной. (Реджинальд Фессенден В трансмиссиях 1906 года использовались электромеханические генератор.) В 1912 г. Эдвин Х. Армстронг изобрел усилитель с регенеративной обратной связью и осциллятор; он также изобрел супергетеродинный радиоприемник и может считаться отцом современного радио.[17]

Первая известная радиопрограмма новостей транслировалась 31 августа 1920 года станцией 8MK, нелицензированной предшественницей WWJ (AM) в Детройте, штат Мичиган. Регулярные радиопередачи по беспроводной связи начались в 1922 г. Исследовательский центр Маркони в Writtle возле Chelmsford, Англия. Станция была известна как 2MT и последовал 2LO, вещание из Strand, Лондон.

В то время как некоторые ранние радиоприемники использовали какой-либо тип усиления с помощью электрического тока или батареи, до середины 1920-х годов наиболее распространенным типом приемников был хрустальный набор. В 1920-е годы усилительные электронные лампы произвели революцию как в радиоприемниках, так и в передатчиках.

Вакуумные лампы оставались предпочтительным усилительным устройством в течение 40 лет, пока исследователи, работающие на Уильям Шокли в Bell Labs изобрел транзистор в 1947 году. В последующие годы транзисторы сделали небольшие портативные радио, или же транзисторные радиоприемники, возможно, а также позволяя более мощные мэйнфреймы быть построенным. Транзисторы были меньше и требовали меньшего напряжения чем вакуумные лампы работать.

До изобретения Интегральная схема В 1959 году электронные схемы были построены из дискретных компонентов, которыми можно было манипулировать вручную. Эти неинтегральные схемы занимали много места и мощность, были подвержены сбоям и имели ограниченную скорость, хотя они все еще распространены в простых приложениях. Напротив, интегральные схемы упаковано большое количество - часто миллионы - крошечных электрических компонентов, в основном транзисторы, в небольшой чип размером с монета.[18]

Телевидение

Основная статья: История телевидения

В 1927 г. Фило Фарнсворт провел первую публичную демонстрацию чисто электронное телевидение.[19] В течение 1930-х годов несколько стран начали вещание, а после Вторая Мировая Война он распространился на миллионы получателей, в конечном итоге по всему миру. С тех пор электроника полностью присутствует в телевизионных устройствах.

Современные телевизоры и видеодисплеи эволюционировали от технологии громоздких электронных ламп к использованию более компактных устройств, таких как плазма и Жидкокристаллические дисплеи. Тенденция заключается в использовании устройств с еще меньшей мощностью, таких как органический светоизлучающий диод дисплеев, и, скорее всего, он заменит LCD и плазменные технологии.[20]

Радар и радиолокация

Основная статья: История радара

В течение Вторая Мировая Война много усилий было затрачено на радиоэлектронное обнаружение целей и самолетов противника. Сюда входили радиолучевое наведение бомбардировщиков, радиоэлектронные средства противодействия, раннее радар систем и т. д. За это время очень мало усилий было затрачено на разработку бытовой электроники.[21]

Транзисторы и интегральные схемы

Смотрите также: История транзистора, Изобретение интегральной схемы, и МОП-транзистор
Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн изобрел первую рабочую транзистор (1947)

Первый рабочий транзистор был точечный транзистор изобретен Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн на Bell Telephone Laboratories (BTL) в 1947 году.[22] Уильям Шокли затем изобрел биполярный переходной транзистор в BTL в 1948 году.[23] Пока рано переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно изготовить на массовое производство основа[24] они открыли дверь для более компактных устройств.[25]

Мохамед М. Аталла разработал кремний пассивация поверхности процесс (1957) и изобрел МОП-транзистор транзистор (1959)
Роберт Нойс изобрел монолитная интегральная схема чип (1959)

В пассивация поверхности процесс, который электрически стабилизирован кремний поверхности через термическое окисление, был разработан Мохамед М. Аталла на BTL в 1957 году. Это привело к развитию монолитная интегральная схема чип.[26][27][28] Первый интегральные схемы были гибридная интегральная схема изобретен Джек Килби в Инструменты Техаса в 1958 г. и монолитная интегральная схема, изобретенная Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor в 1959 г.[29]

Давон Канг соавтор МОП-транзистор транзистор (1959)

В МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давон Канг в BTL в 1959 году.[30][31][32] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений.[24] Это произвело революцию в электронная промышленность,[7][8] становится самым широко используемым электронным устройством в мире.[31][33][34] MOSFET является основным элементом большинства современного электронного оборудования,[35][36] и сыграл центральную роль в революции в электронике,[37] то микроэлектроника революция,[38] и Цифровая революция.[32][39][40] Таким образом, MOSFET считается рождением современной электроники.[41][42] и, возможно, самое важное изобретение в электронике.[43]

MOSFET позволил построить интегральная схема высокой плотности чипсы.[31] Аталла первым предложил концепцию MOS интегральная схема (MOS IC) в 1960 году, за ним последовал Канг в 1961 году.[24][44] Самый ранний экспериментальный чип МОП-микросхемы, который должен был быть изготовлен, был построен Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA лаборатории в 1962 г.[45] Технология MOS включена Закон Мура, то удвоение транзисторов на микросхеме каждые два года, по прогнозам Гордон Мур в 1965 г.[46] Силиконовый вентиль Технология MOS была разработана Федерико Фаггин в Fairchild в 1968 году.[47] С тех пор массовое производство кремниевых МОП-транзисторов и микросхем МОП-интегральных схем, а также Масштабирование MOSFET миниатюризация с экспоненциальной скоростью (как предсказано Закон Мура ), привела к революционным изменениям в технологии, экономике, культуре и мышлении.[48]

Компьютеры

Основные статьи: История вычислительной техники и История вычислительной техники

А компьютер - это программируемая машина, которая принимает ввод, хранит и обрабатывает данные, а также обеспечивает вывод в удобном формате.

Хотя механические образцы компьютеров существовали на протяжении большей части зарегистрированной 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 на базе интегральные схемы в миллионы или 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 различных формах являются иконами Информационный век и это то, что большинство людей называют «компьютерами». Тем не менее встроенные компьютеры найдено во многих устройствах от Mp3-плееры до истребителей и от игрушек до промышленных роботов.

Возможность хранить и выполнять списки инструкций, называемых программами, делает компьютеры чрезвычайно универсальными, что отличает их от калькуляторов. Тезис Черча – Тьюринга является математическим утверждением этой универсальности: любой компьютер с определенными минимальными возможностями, в принципе, способен выполнять те же задачи, что и любой другой компьютер. Таким образом, компьютеры, от нетбуков до суперкомпьютеров, могут выполнять одни и те же вычислительные задачи при наличии достаточного времени и емкости памяти.

Микропроцессоры

Основные статьи: Хронология микропроцессора и MOS интегральная схема

Истоки микропроцессор можно проследить до изобретения МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), также известный как МОП-транзистор.[49] Это было изобретено Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году и впервые продемонстрирован в 1960 году.[30] В том же году Аталла предложил концепцию MOS интегральная схема, который был Интегральная схема чип сфабрикованный от полевых МОП-транзисторов.[24] К 1964 году MOS-чипы достигли более высокого уровня плотность транзисторов и более низкие производственные затраты, чем биполярный чипсы. Микросхемы МОП стали более сложными со скоростью, предсказанной Закон Мура, что приводит к крупномасштабная интеграция (LSI) с сотнями транзисторы на одном кристалле МОП к концу 1960-х. Применение микросхем MOS LSI для вычисление была основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали понимать, что полный компьютерный процессор может содержаться на одном кристалле MOS LSI.[49]

Первые многочиповые микропроцессоры, Четырехфазные системы AL1 в 1969 г. и Гаррет АйИсследование MP944 в 1970 году были разработаны микросхемы MOS LSI. Первый однокристальный микропроцессор был Intel 4004, выпущенный на одном чипе MOS LSI в 1971 году.[50] Однокристальный микропроцессор был разработан в 1969 г. Марсиан Хофф. Его концепция была частью заказа японской компании. Бизиком для настольного программируемого электронного калькулятора, который Хофф хотел построить как можно дешевле. Первой реализацией однокристального микропроцессора был Intel 4004, а 4-битный процессор выпущен на одном чипе MOS LSI в 1971 году. Он был разработан Федерико Фаггин, используя его кремниевый затвор Технология MOS, наряду с Intel инженеры Хофф и Стэн Мазор, и инженер Busicom Масатоши Шима.[50] Это положило начало развитию персональный компьютер. В 1973 г. Intel 8080, 8 бит процессор, сделавший возможным создание первого персонального компьютера, MITS Альтаир 8800. Первый ПК был анонсирован широкой публике на обложке январского номера журнала 1975 г. Популярная электроника.

Многие инженеры-электронщики сегодня специализируются на разработке программ для микропроцессорных электронных систем, известных как встроенные системы. Гибридные специализации, такие как Компьютерная инженерия возникли благодаря детальному знанию оборудования, необходимого для работы с такими системами.[51] Инженеры-программисты обычно микропроцессоры не изучаются на одном уровне с компьютерными инженерами и электронщиками. Инженеры, которые выполняют исключительно роль программирования встроенных систем или микропроцессоров, упоминаются как "встроенные системы инженеры ", или"прошивка инженеры ».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Словарь Chambers Twentieth Century, W&R Chambers, Эдинбург, 1972 г., стр. 417, ISBN  055010206X
  2. ^ Эрик Барну Вавилонская башня, п. 28, Oxford University Press, США, 1966 г. ISBN  978-0195004748
  3. ^ Ассигнования Министерства обороны на ... - Соединенные Штаты. Конгресс. Жилой дом. Комитет по ассигнованиям - Google Книги. 1949. Получено 2012-03-14.
  4. ^ Лауэр, Анри; Браун, Гарри Леонард (1919). Принципы радиотехники. Макгроу-Хилл. Получено 2012-03-14. радиотехника.
  5. ^ Дэниел Тодд Мировая электронная промышленность, п. 55, Тейлор и Фрэнсис, 1990 г. ISBN  978-0415024976
  6. ^ Уокер, Роб; Терсини, Нэнси (1992). Кремниевая судьба. Walker Research Associates. ISBN  9780963265401. Получено 2012-03-14. ИС интегральная схема.
  7. ^ а б Чан, Йи-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIA / InGaAs и GaInP / GaAs для высокоскоростных приложений. университет Мичигана. п. 1. Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь почти всеми мыслимыми способами.
  8. ^ а б Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Силовые МОП-транзисторы: теория и приложения. Wiley. п. 1. ISBN  9780471828679. Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в очень крупномасштабной интеграции цифровых интегральных схем (VLSI). В течение 1970-х годов эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
  9. ^ Исследование 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
  10. ^ Massie, W. W., & Underhill, C. R. (1911). Широко распространено объяснение беспроводной телеграфии и телефонии. Нью-Йорк: Д. Ван Ностранд
  11. ^ Брайан Х. Банч / Александр Хеллеманс История науки и техники, п. 436, Houghton Mifflin Harcourt, 2004 г. ISBN  978-0618221233
  12. ^ Беспроводная телеграфия Труды Института Радиоинженеров. стр.101-5
  13. ^ "Вехи: первые эксперименты по связи в миллиметровом диапазоне, Дж. К. Бозе, 1894-96 гг.". Список основных этапов IEEE. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 1 октября 2019.
  14. ^ Эмерсон, Д. Т. (1997). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований MM-волн». Протоколы IEEE по теории и исследованиям микроволнового излучения. 45 (12): 2267–2273. Bibcode:1997imsd.conf..553E. Дои:10.1109 / MWSYM.1997.602853. ISBN  9780986488511. перепечатано в изд. Игоря Григорова, Антентоп, Vol. 2, №3, с. 87–96.
  15. ^ "График". Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 22 августа 2019.
  16. ^ "1901: Полупроводниковые выпрямители запатентованы как детекторы" кошачьих усов ". Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 23 августа 2019.
  17. ^ Пол Дж. Нахин Наука радио, стр. XXXV-VI, Springer, 2001 г. ISBN  978-0387951508
  18. ^ Дэвид А. Ходжес / Гораций Дж. Джексон / Ресв А. Салех Анализ и проектирование цифровых интегральных схем, п. 2, McGraw-Hill Professional, 2003 г. ISBN  978-0072283655
  19. ^ "Фило Тейлор Фарнсворт (1906-1971)". Виртуальный музей города Сан-Франциско. Архивировано из оригинал на 2011-06-22. Получено 2010-12-20.
  20. ^ Джозеф Шинар Органические светоизлучающие устройства, п. 45, 2003 г. ISBN  978-0387953434
  21. ^ Мартин Л. Ван Кревельд Технологии и война, стр. 267-8, Саймон и Шустер, 1991 ISBN  978-0029331538
  22. ^ «1947: изобретение точечного транзистора». Музей истории компьютеров. Получено 10 августа 2019.
  23. ^ «1948: концепция переходного транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 8 октября 2019.
  24. ^ а б c d Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке. Джон Уайли и сыновья. С. 165–167. ISBN  9780470508923.
  25. ^ "Хронология электроники". Величайшие инженерные достижения двадцатого века. Получено 18 января 2006.
  26. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. стр.120 & 321–323. ISBN  9783540342588.
  27. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 46. ISBN  9780801886393.
  28. ^ Сах, Чжи-Тан (Октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF). Труды IEEE. 76 (10): 1280–1326 (1290). Bibcode:1988IEEEP..76.1280S. Дои:10.1109/5.16328. ISSN  0018-9219. Те из нас, кто занимался исследованиями кремниевых материалов и устройств в течение 1956–1960 годов, считали эту успешную попытку группы Bell Labs во главе с Аталлой по стабилизации поверхности кремния самым важным и значительным технологическим достижением, проложившим путь, который привел к технологии кремниевых интегральных схем. разработки на втором этапе и объемы производства на третьем этапе.
  29. ^ Саксена, Арджун Н. (2009). Изобретение интегральных схем: нераскрытые важные факты. Всемирный научный. п. 140. ISBN  9789812814456.
  30. ^ а б «1960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  31. ^ а б c "Кто изобрел транзистор?". Музей истории компьютеров. 4 декабря 2013 г.. Получено 20 июля 2019.
  32. ^ а б «Триумф МОП-транзистора». YouTube. Музей истории компьютеров. 6 августа 2010 г.. Получено 21 июля 2019.
  33. ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии. CRC Press. С. 18–2. ISBN  9781420006728.
  34. ^ "13 секстиллионов и счет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории". Музей истории компьютеров. 2 апреля 2018 г.. Получено 28 июля 2019.
  35. ^ Дэниелс, Ли А. (28 мая 1992 г.). "Доктор Давон Кан, 61 год, изобретатель в области твердотельной электроники". Нью-Йорк Таймс. Получено 1 апреля 2017.
  36. ^ Колиндж, Жан-Пьер; Грир, Джеймс С. (2016). Нанопроволочные транзисторы: физика устройств и материалов в одном измерении. Издательство Кембриджского университета. п. 2. ISBN  9781107052406.
  37. ^ Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретая будущее. Springer. п. 75. ISBN  9783319490885. Хотя в то время эти устройства не вызывали особого интереса, именно эти устройства Metal Oxide Semiconductor MOS должны были иметь огромное влияние в будущем.
  38. ^ Зимбовская, Наталья А. (2013). Транспортные свойства молекулярных переходов.. Springer. п. 231. ISBN  9781461480112.
  39. ^ Реймер, Майкл Г. (2009). Кремниевая паутина: физика для эпохи Интернета. CRC Press. п. 365. ISBN  9781439803127.
  40. ^ Вонг, Кит По (2009). Электротехника - Том II. Публикации EOLSS. п. 7. ISBN  9781905839780.
  41. ^ Кубозоно, Йошихиро; Он, Сюэся; Хамао, Шино; Уэсуги, Эри; Шимо, Юма; Миками, Такахиро; Гото, Хиденори; Камбэ, Такаши (2015). «Применение органических полупроводников к транзисторам». Наноустройства для фотоники и электроники: достижения и приложения. CRC Press. п. 355. ISBN  9789814613750.
  42. ^ Cerofolini, Джанфранко (2009). Наноразмерные устройства: изготовление, функционализация и доступность из макроскопического мира. Springer Science & Business Media. п. 9. ISBN  9783540927327.
  43. ^ Thompson, S.E .; Chau, R. S .; Ghani, T .; Mistry, K .; Тяги, С .; Бор, М. Т. (2005). «В поисках« Forever »транзисторы продолжали масштабировать один новый материал за раз». IEEE Transactions по производству полупроводников. 18 (1): 26–36. Дои:10.1109 / TSM.2004.841816. ISSN  0894-6507. В области электроники планарный полевой транзистор Si металл – оксид – полупроводник (MOSFET), пожалуй, является наиболее важным изобретением.
  44. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. С. 22–25. ISBN  9780801886393.
  45. ^ «Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM». Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  46. ^ Франко, Якопо; Качер, Бен; Groeseneken, Гвидо (2013). Надежность высокомобильных полевых МОП-транзисторов с каналом SiGe для будущих приложений КМОП. Springer Science & Business Media. С. 1–2. ISBN  9789400776630.
  47. ^ «1968: технология кремниевого затвора, разработанная для ИС». Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  48. ^ Фельдман, Леонард С. (2001). "Вступление". Фундаментальные аспекты окисления кремния. Springer Science & Business Media. С. 1–11. ISBN  9783540416821.
  49. ^ а б Ширрифф, Кен (30 августа 2016 г.). «Удивительная история первых микропроцессоров». IEEE Spectrum. Институт инженеров по электротехнике и электронике. 53 (9): 48–54. Дои:10.1109 / MSPEC.2016.7551353. Получено 13 октября 2019.
  50. ^ а б «1971: микропроцессор объединяет функции центрального процессора на одном кристалле». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  51. ^ "Программы бакалавриата по электротехнике и информатике" (PDF). UMBC. Получено 2015-12-04.