.

Поколения конструкции электронной аппаратуры

 Конструкция – это совокупность деталей с разными физическими свойствами и формами, находящиеся по определенной электрической, пространственной, механической, тепловой, магнитной и энергетической взаимосвязью, обеспечивает выполнение заданных функций  с необходимой точностью в условиях внешних воздействий и предусматривает возможность ее повторения в условиях производства.В конструкциях широко используются печатные платы, выполняющие функции несущей конструкции и соединяющий элементы. 

  • 1.   Электронные аппараты (ЭА) поколения 20-50 годов были устроены с использованием электровакуумных ламп, дискретных радио элементов, проводных электрических связей. Аппаратура 1-ого поколения имела блочную конструкцию, каждый блок – осциллограф, вольтметр, имел определенное функциональное назначение. Недостатки : малая плотность компоновки, степень унификации несущих конструкций, неприспособленность конструкций к автоматизации, механизации сборочно-монтажных работ.   
  • 2. РЭ поколения 50-60 годов – конструкции на печатных платах и дискретных элементах.    Особенность : применение модулей на печатных платах, микромодули этастерочной конструкции и плоской конструкции.     Из таких модулей формировались более сложные узлы.      Преимущества : увеличение плотности компоновки, замена приборов на полупроводниковые, более плотная компоновка ЭРЭ    Недостатки : ремонтопригодность аппаратуры ниже   
  • 3.   поколение 60-70 – на печатных платах и интегральных микросхем с малой степенью интеграции (1 и 2), являющимися функциональными модулями. Конструктивно представляет многослойную интегральную плату (сложность соответствует блоку первого поколения) Преимущества : корпусные микросхемы   
  • 4.   поколение 70-.80 годов – применение БИС, многослойных печатных плат, гибких печатных шлейфов, микрополосных линий. Применение : бескорпусные элементы , герметизация в корпусе      Преимущества : увеличение плотности компоновки. Недостаток : ухудшение ремонтопригодности.  80-2000г 

 Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры. Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально иной подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т.д.).

Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т. е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

В функциональной микроэлектронике начинают использовать:

  • Оптические явления (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнетооптика) — на их основе зародилась оптоэлектроника
  • Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника).
  • Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), в которых используются электромагнитные процессы на доменном уровне.
  • Покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности (домены и шнуры) в однородных полупроводниках.
  • Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне (квантовая и молекулярная микроэлектроника).
  • Элементы на основе эффекта Ганна.
  • Явления холодной эмиссии, которые позволили создать электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением пленок.

Аморфные материалы (не имеющие кристаллического строения), обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой. Время переключения прибора составляет 1,5×10-10 с. Наиболее перспективными из аморфных полупроводников (пленки толщиной не более 1 мкм) являются Si, Ge, As, Te, In, Se или их сплавы, а также диэлектрики на основе окислов этих полупроводников или окислов тугоплавких металлов переходной группы, например, Ti, Ta, Mo, Nb.

Приборы на эффекте Джозефсона, суть которого состоит в том, что через достаточно тонкую (порядка 2 нм) диэлектрическую прослойку между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствие разности потенциалов может протекать своеобразный туннельный ток, легко управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами. Приборы на основе накопления и переноса зарядов.       Акустоэлектроника: типы устройств, их конструкция и параметры  Акустоэлектроника — направление функциональной микроэлектроники, связанное с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале. Акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических сигналов в акустические.  На принципе электромеханического резонанса основано действие прибора, называемого резонистором и представляющего собой транзистор с резонирующим затвором . Затвор , представляющий собой часть балки, противоположный конец которой закреплен на изоляторе, нависает над каналом между стоком С и истоком И. Под балкой на изоляторе расположен электрод, на который подается входной сигнал. Сила электростатического взаимодействия сигнального электрода с затвором, на который также подано постоянное напряжение смещения, раскачивает балку в случае, когда частота сигнала совпадает с механическим резонансом балки. Вибрирующий затвор модулирует канал, обусловливая наличие переменной составляющей тока в нагрузке Rн. Консоль из золота имеет длину 0,25 мм. Такие резонисторы на частотах 1…45 кГц имеют добротность 100…750. При обратной связи с выхода на вход резонистора можно получить тональный генератор, подобный широко известному камертонному генератору. Разработаны и применяются резонисторы и для более высоких частот, приблизительно до 1 МГц. На пьезоэлектрическом эффекте основана работа некоторых радиотехнических функциональных приборов — кварцевых генераторов, фильтров, ультразвуковых линий задержки, акустоэлектронных усилителей и преобразователей. Простейшая ультразвуковая линия задержки, работающая на объемных акустических волнах, представляет собой стержень твердого тела, к противоположным концам которого прикреплены пьезоэлектрические преобразователи На вход подается радиоимпульс с несущей частотой порядка нескольких десятков мегагерц. Электрические колебания во входном пьезоэлектрическом преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод, где распространяются со скоростью значительно меньшей, чем скорость распространения электромагнитных волн. Кварцевые преобразователи работают на сжатие. Дойдя до выходного преобразователя, акустические колебания вызывают появление в нем э.д.с., которая после усиления и детектирования образует выходной задержанный видеоимпульс. Задержка может достигать нескольких десятков миллисекунд. Пьезоэлектрические преобразователи используют для возбуждения с помощью электрических сигналов акустических волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал. В настоящее время разработано множество акустических преобразователей. Наилучшим пока является преобразователь, который изготовляют посредством напыления на торец звукопровода, покрытого металлической пленкой, тонкого слоя сульфида кадмия CdS  Такие преобразователи имеют малые потери (до 12 дБ для пары преобразователей на частотах 300…400 МГц) и широкую полосу пропускания (порядка 30%) на частотах от 100 до 1000 МГц.

 На частотах порядка 10 ГГц в качестве преобразователей используют обедненный слой смещенного в обратном направлении p-n перехода (рис.5). Выбором напряжения смещения Uсм толщину обедненного слоя доводят до десятых долей микрона и модулируют высокочастотным напряжением uвх. Относительно новым классом акустоэлектронных приборов являются приборы, использующие поверхностные акустические волны. Поверхностные акустические волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.Наиболее широкое распространение в технике получили поверхностные волны ультразвукового диапазона. Применение акустических волн этого диапазона позволило уменьшить габариты акустических линий задержки. На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие радиоэлектронные элементы. В основу работы этих устройств положено использование упругих поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом. Большое распространение получили фильтры на ПАВ, позволяющие реализовать практически любую форму амплитудно-частотной характеристики. В основе способа функционирования таких фильтров лежит зависимость скорости акустических волн от условий распространения, а вместе с этим и частотных свойств фильтра. Электроакустический фильтр содержит управляющие электроды, расположенные по обеим сторонам звукопровода, между входным и выходным преобразователями. При изменении управляющего напряжения происходит соответствующее изменение характеристик фильтра.