Bez wielkiej przesady można powiedzieć, że elektronikę stworzyły potrzeby telekomunikacji. Telekomunikacja polega na przesyłaniu informacji poprzez transmisję energii, zatem jej możliwości zależą od zasięgu, w jakim wyemitowana energia ma poziom wystarczający do odtworzenia informacji. To zaś zależy od zaangażowanej do emisji mocy i od możliwości wzmocnienia sygnału po stronie odbiorczej. Elementy elektrotechniczne, umożliwiające zwiększenie mocy, czyli wzmocnienie sygnału, nazywa się umownie elementami aktywnymi. Pozostałą drobnicę, taką jak oporniki, kondensatory, cewki czy diody nazywamy pasywnymi.
Bez całego tego kramu niemożliwe byłoby powstanie wszystkich urządzeń łączności, systemów nawigacyjnych i komputerów (no, przynajmniej w znanej nam postaci...). Wypadałoby zatem docenić ich zasługi, i coś o nich napisać. Jak to bywa z zasłużonymi dla spraw naprawdę dużych, nie sposób wymienić wszystkich. Nie siląc się zatem na obiektywizm, obszerniej traktuję różne starocie i ciekawostki. Nowsze, rozwijające się technologie wszyscy znają, przynajmniej ze słyszenia. A ilość rewolucji w tej dziedzinie była już taka, że wielu ludzi, patrząc na kolekcję lamp elektronowych, pyta: "do czego te dziwne żarówki?". A co, u licha, powie pokolenie nie znające żarówek?
Inna sprawa, że w tych czasach należy zachować ostrożność z nazywaniem jakiejś technologii nowoczesną. Może się okazać że od wczoraj ta nowoczesność zaczęła pachnieć myszką. Jeśli elektronik chciałby przeczytać nowości w swojej dziedzinie z ostatniego roku, musiałby poświęcić na to dobrych parę lat.
Ja z moim lenistwem i organiczną niechęcią do nauki nie będę nawet próbował :)
Najstarszymi elementami aktywnymi są urządzonka nie mające nic wspólnego z elektroniką - przekaźniki. Przekaźnik elektryczny powstał pierwszej połowie XIX wieku, w celu odświeżania sygnałów telegraficznych. Otóż stalowe druty wnoszą spore tłumienie - maksymalny zasięg ręcznie kluczowanych impulsów wynosił około 50 km. Słaby prąd z linii telegraficznej zasilał elektromagnes zwierający i rozwierający styki przełączające napięcie z baterii na wyjściu. Takie cudeńko nazywa się translatorem telegraficznym. Dzięki translacji można było przesyłać sygnały etapami na dowolne odległości, a także sterować pracą urządzeń rejestrujących.
Przekaźniki należą do najżywotniejszych urządzeń elektrycznych. W późniejszych czasach umożliwiły konstrukcję elektrycznych elementów techniki cyfrowej - funktorów logicznych i przerzutników, umożliwiających budowę pierwszych komputerów.
 | Przekaźniki są co prawda hałaśliwe, przeraźliwie wolne i wymagają konserwacji, ale za to są tanie, trwałe i łatwe do diagnostyki. Są także bezpieczne - wyjście jest galwanicznie odizolowane od wejścia. Produkuje się je do dziś, co prawda głównie jako elementy wykonawcze układów sterowania. |
Wraz z powstaniem radia sprawa się skomplikowała; trzeba było wytworzyć falę elektromagnetyczną, co wiązało się z generacją prądu o wysokiej częstotliwości, zmodulować ją informacją do przesłania. Przy odbiorze natomiast zachodzi potrzeba detekcji, czyli demodulacji, i wzmocnienia. Już nie wspominając o paru dalszych rzeczach co to by też się przydały. Lampy elektronowe.
Hertz w swoich doświadczeniach korzystał z łuku elektrycznego, powstającego między kulami maszyny elektrostatycznej. Odbiornikiem był koherer czyli tzw. wykrywacz burz. Była to po prostu szklana fiolka z dwoma elektrodami na końcach i żelaznymi opiłkami w środku. Pod wpływem fal elektromagnetycznych, emitowanych przez wyładowanie, opiłki stroszyły się przerywając obwód elektryczny. Po lekkim postukaniu w tę "radioelektronikę" koherer był znów gotów do odbioru. Z takiej techniki korzystał też Marconi Jego nadajnik w Poldhu z roku 1901 pracował na falach długich (około 366 metrów).
Łuk elektryczny miał przyzwoitą moc i osiągał spore częstotliwości, niemniej jednak produkował po prostu szerokopasmowe zakłócenia. Udoskonalony nadajnik iskierkowy Poulssena, ze stabilniejszym łukiem elektrycznym w płomieniu naftowym, wniósł niewiele nowego. Poza tym nadawał się tylko do telegrafii (tzw. emisja z kluczowaną falą nośną).
Nawiasem mówiąc, oryginalny generator Poulssena znacznie lepiej pracował na alkoholu etylowym. W praktyce zużycie alkoholu okazało się zbyt duże; na stacjach nadawczych (szczególnie na statkach) wciąż brakowało środka roboczego. Nafta, wówczas droższa od spirytusu, okazała się oszczędniejsza. Ot, kolejna tajemnica przyrody... :)
Radio było niezwykle obiecującym systemem. Zdawano sobie sprawę z jego wielkiego potencjału, ale elektrotechnika po prostu nie dysponowała podzespołami, zdolnymi pracować z częstotliwościami radiowymi. Weźmy chociażby zagadnienie demodulacji: potrzebne było urządzenie przepuszczające prąd w tylko jednym kierunku, czyli prostownik. Znano prostownik stykowy, ale wymagał on sporej mocy i pracował tylko do kilkudziesięciu herców.
Poszukiwania metody detekcji sygnału radiowego doprowadziły do odkopania zjawiska termoemisji, odkrytego swego czasu przez Edisona. Polega ono na emisji elektronów przez umieszczoną w próżni rozżarzoną elektrodę o potencjale ujemnym (katodę). Dodanie w pobliżu rozgrzanej katody elektrody dodatniej (anody) dało w efekcie niezwykle szybki i sprawny prostownik - diodę lampową. Jeżeli tylko potencjał anody był wyższy od potencjału katody lampa przewodziła prąd, odwrotnie już nie. Trzeba przy tym pamiętać, że tradycyjnie kierunek przepływu prądu oznacza się od "+" do "-", zgodnie z ruchem hipotetycznych cząsteczek dodatnich. W rzeczywistości prąd tworzą ujemne elektrony, dlatego ogrzewać trzeba elektrodę ujemną. Ponieważ fakt ten nie ma większego znaczenia w codziennej praktyce, umowne oznaczenia biegunów elektrycznych, a co za tym idzie umowny kierunek prądu, pozostawiono bez zmian. |  |
| Dość szybko zrodziła się idea elektrycznego regulowania strumienia elektronów w lampie. W tym celu wprowadzono trzecią elektrodę, tzw. siatkę, o potencjale ujemnym. Ładunki jednoimienne odpychają się, przez co im bardziej ujemna jest siatka, tym silniej hamowany jest strumień elektronów w lampie. Niewielkie nawet zmiany potencjału siatki powodują zatem zmiany prądu, płynącego między anodą a katodą. Sygnały podawane na siatkę "odbijają się" na prądzie anody, czyli ulegają wzmocnieniu. |  |
 | Lampę wzmacniającą o trzech elektrodach nazywa się triodą. Z czasem powstały lampy z dodatkowymi siatkami, usprawniającymi ich pracę. Lampy o czterech elektrodach to tetrody, pięciu - pentody, itd. Lampy elektronowe. |
Innym udoskonaleniem było umieszczanie kilku lamp w jednej bańce. W zasadzie takie lampy kombinowane należałoby uznać za pierwsze układy scalone. Zdobyły one dużą popularność ponieważ znacznie upraszczały konstrukcję urządzeń.
No właśnie - konstrukcja. Lampy mocno grzały się w czasie pracy, stąd obudowy urządzeń były przestronne i przewiewne. Charakterystyczna były płyty czołowe ze sporą ilością mierników kontrolnych i regulatorów. No cóż, lampki były dość kapryśne.
Ta kapryśność widoczna była także w wewnętrznej konstrukcji mechanicznej. Lampy tkwiły we wtykowych gniazdach osadzonych w płycie montażowej z grubej blachy, tzw. chassis. Elementy bierne lutowano do wyprowadzeń gniazd i łączówek. Połączenia między elementami prowadzono przewodem. Konstrukcję taką nazywano montażem przestrzennym.
W poszukiwaniu metod uproszczenia i potanienia metod produkcji seryjnej zamiast części połączeń przewodowych zastosowano prefabrykowane z blachy ścieżki połączeniowe, klejone lub nitowane do płyt montażowych z tekstolitu (laminatu z bakelitu i płótna). Była to prymitywna forma powszechnie dziś stosowanych obwodów drukowanych.
Obwody drukowane zawdzięczają swoją nazwę technologii wykonania. Materiałem wyjściowym jest arkusz laminatu pokryty jedno- lub dwustronnie warstwą miedzi. Wzór połączeń i pól do lutowania elementów nanosi się wodoodporną farbą na powierzchnie miedziane, po czym nieosłoniętą miedż usuwa się w kąpieli trawiącej.
Obwody drukowane są niezwykle ekonomiczne, ale z racji wysokich temperatur i sporej masy podzespołów niezbyt dobrze nadawały się do urządzeń lampowych. Stosowano je zatem raczej w masowo produkowanych urządzeniach powszechnego użytku. Aparatura profesjonalna, a szczególnie lotnicza, były wykonywane tradycyjnym montażem przestrzennym.
| Lampa nadawcza typu CX-250, w obudowie ceramiczno-metalowej. Górny pierścień metalowy jest wyprowadzeniem anody. Wypełniają go blaszane żeberka umożliwiające chłodzenie strumieniem powietrza. |  |
Istnienie wzmacniaczy lampowych przy okazji załatwiło także sprawę generacji sygnałów wysokiej częstotliwości. Wykorzystano zjawisko dodatniego sprzężenia zwrotnego, powstającego przy połączeniu wyjścia z wejściem wzmacniacza. Regulując opóźnienie fazy w pętli sprzężenia można precyzyjnie wpływać na częstotliwość, generowaną przez układ.
Proste generatory tego typu, zwane heterodynami, były wystarczające dla popularnych odbiorników z przemianą częstotliwości. Heterodyny występowały w układach Hartleya, Meissnera i Colpittsa.
Stabilność heterodyn była za mała dla stacji nadawczych i precyzyjnych odbiorników komunikacyjnych. Rozwiązaniem okazało się znane od XIX wieku zjawisko piezoelektryczne, a właściwie jego "druga strona". Odpowiednio wycięty kawałek kryształu, pobudzany zmiennym polem elektrycznym, drga z bardzo stabilną częstotliwością, zależną od swych wymiarów i kształtu.
 | Drgający kryształ (ten półprzezroczysty krążek z jasnymi elektrodami) sam wytwarza zmienny potencjał elektryczny. Można powiedzieć, że taki element, zwany rezonatorem kwarcowym, "poprawia" napięcie pobudzające, i to do milionowej części procenta. |
Lampy prózniowe nie były jedynymi lampami elektronowymi. Istniała też spora rodzina lamp gazowanych, mało znanych ze względu na fakt że jedne były zbyt pospolite żeby je kojarzyć z elektroniką, inne zaś miały ściśle profesjonalne zastosowania.
Najpospolitszymi lampami gazowanymi są neonówki, dawniej pospolicie stosowane jako lampki kontrolne. Miały dwie wielkie zalety: minimalny pobór mocy (neonówka świeci, gdy ją zbliżyć do kabla wysokiego napięcia w telewizorze) i stałe napięcie zapłonu. Pokrewne im sa lampy wyładowcze do elektronicznych lamp błyskowych. Ich krótki czas zapłonu i jasne światło wyładowania wykorzystano we wszelkiego rodzaju stroboskopach i światłach ostrzegawczych.
Z gazowanych lamp elektronowych na pierwszym miejscu należałoby wymienić gazotrony i tyratrony, lampy używane w urządzeniach dużej mocy.
Gazotron jest właściwie rodzajem diody, z tym, że w wypełniającym ją gazie szlachetnym zachodzi jonizacja lawinowa, co zmniejsza spadek napięcia. Gazotrony stosowano dawniej w prostownikach na prądy powyżej 25 amperów.
Tyratrony, czyli triody gazowane, charakteryzowały się niezwykle krótkim czasem przełączania, dzięki czemu były powszechnie stosowane do wyzwalania układów impulsowych.
Najpotężniejszymi lampami gazowanymi były prostowniki rtęciowe. Pracowały przy prądach roboczych do 500 amperów przy napięciu 600 V (albo 30 A przy 15000 V). Stosowano je w układach elektroenergetycznych, głównie przemysłowych i trakcyjnych.
Prostowniki te zawierały ciekłą rtęć, którą w celu włączenia prostownika należało odparować przy pomocy łuku elektrycznego. W tym celu trzeba było przechylić lampę do momentu zapłonu łuku miedzy lustrem rtęci a elektrodą zaplonową. W tzw. excitronach był nawet specjalny mechanizm wtrysku rtęci. Odmianą prostowników rteciowych były ignitrony, w których zapłon był wywoływany drogą czysto elektryczną w każdym półokresie roboczym, do 50 razy na sekundę.
Tam gdzie w grę wchodziły wysokie napięcia i prądy prostowniki rtęciowe panowały jeszcze długie lata pomimo postępów w technologii półprzewodników.
Na zakończenie rozdziału o lampach wypadałoby wspomnieć o paru ciekawostkach, czyli lampach specjalnych - znanych i nieznanych.
Lampy mikrofalowe są jednymi z nielicznych, które są nadal szeroko stosowane (napisałem o nich "małe co nieco" przy okazji nadajników stacji radarowych).
| Szeroko do niedawna stosowanymi mikrofalowymi lampami nadawczymi dużej mocy są magnetrony. Służą one głównie jako generatory mikrofal w radarach. |  |
Konstruktorzy dzisiejszych stacji radiolokacyjnych chętniej konstruują nadajniki na klistronach. Klistrony są mikrofalowymi lampami wzmacniającymi, działającymi na zasadzie grupowania elektronów we wnęce rezonatora, zamkniętej siatką z potencjałem dodatnim. Elektrony są przyspieszane do momentu, gdy ich predkość będzie wystarczająca do pokonania siatki.
Klistrony występują w dwóch odmianach konstrukcyjnych; jako klistrony liniowe i refleksyjne.
Wybitnym dziwadłem, nawet jak na dziwny świat mikrofal, są lampy z falą bieżącą (LFB, albo TWT - Travelling Wave Tube). Używa się ich jako mikrofalowych lamp nadawczych niewielkiej mocy (średnio 20 kW w impulsie), głównie w radarach specjalnego przeznaczenia i nadajnikach radioliniowych.
 | LFB jest długą hermetyczną rurą, z katodą i anodą na przeciwległych końcach. Trzecia elektroda oplata śrubowo tor elektronów wzdłuż całej jego długości. Fala elektromagnetyczna w przewodzie pokonuje dystans między katodą a anodą po linii śrubowej - wolniej niż strumień elektronów, wyemitowanych z katody. Strumień ten jest niejako "cięty na kawałki" polem elektrycznym, wytworzonym przez falę sterującą. |
Mało kto pamięta że jeszcze do niedawna w dziedzinie optoelektroniki lampy królowały niepodzielnie. W lampach fotoelektronowych wykorzystano zjawisko wybijania elektronów z anody przez strumień światła. Największą czułość miały powielacze fotoelektronowe, zawierające kaskadę anod. Pojedyńcze fotony wybijały kilka cząstek z pierwszej anody. Te z kolei wybijały sporo więcej z drugiej, i tak dalej - jak lawina. Dość bogata jest rodzina lamp wyświetlających. Należą do niej wszelkie "oka magiczne", skale elektroniczne i lampy obrazowe.
Telewizyjne lampy do analizy obrazu (widikony, ortikony i inne) mają między katodą a anodą mały ekran projekcyjny, wykonany z materiału dielektrycznego. Obraz, rzutowany przez obiektyw tworzy na ekranie mozaikę ładunków. Strumień elektronów z katody, w postaci cienkiego promienia wodzącego, jest poruszany tak by przemiatał obszar ekranu według stałego wzoru. Ekran działa wtedy jak siatka, powodując zmiany prądu anodowego w miarę przeszukiwania pola widzenia.
| Do odczytu wartości w postaci cyfrowej powszecnie stosowano lampy cyfrowe (dekatrony, zwane też lampkami NIXI), Lampka zawiera jedną anodę i dziesięć katod, wykonanych w kształcie cyfr od 0 do 9. Po przyłożeniu napięcia do wyprowadzenia odpowiadającego jakiejś cyfrze zaczyna ona świecić charakterystyczną różową poświatą. |  |
Lampa wskaźnikowa typu oko magiczne ma anodę pokrytą luminoforem (substancją świecącą pod wpływem pobudzenia strumieniem elektronów), widoczną przez szklaną obudowę. Kształt lub położenie śladu wiązki elektronów zależy od napięcia na trzeciej elektrodzie lampy. Niegdyś każdy lepszy radioodbiornik lub magnetofon lampowy miał takie "oczko" w charakterze wskaźnika dostrojenia.
"Oko magiczne" jest właściwie uproszczoną lampą obrazową (albo katodową - Cathode Ray Tube - CRT), w której obraz na anodzie z luminoforem jest wytwarzany przez cienki promień katodowy, modulowany i odchylany zgodnie z elektrycznym sygnałem wizyjnym. Lampy obrazowe znają wszyscy - przed jedną z nich, kineskopem, wielu spędza większą część życia.
Strumień katodowy jest wytwarzany przez tzw. działo elektronowe, na które składa się katoda, siatka modulująca (jak w triodzie), elektrody ogniskujące i przyspieszające. Anodą jest metalizowaną od wewnątrz powierzchnią ekranu. Ze względu na sporą odległość między działem elektronowym a anodą napięcie anodowe jest dość wysokie; od kilkunastu do kilkudziesięciu kilowoltów.
Luminofor może mieć różny kolor świecenia - w kolorowych CRT stosuje się trzy luminofory: czerwony, niebieski i zielony, pobudzane przez trzy odrębne działa elektronowe. W lampach obrazowych używa się luminoforów o różnym czasie świecenia; w radaroskopach pożądany jest długi czas poświaty, w telewizyjnych i komputerowych - krótki.
Promień katodowy jest odchylany elektrostatycznie lub elektromagnetycznie, przez zewnętrzne cewki odchylające. Tor odchylania nazywa się podstawą czasu. W oscyloskopach, służących do zobrazowania sygnałów elektrycznych, podstawa czasu jest poziomą linią. Badany sygnał jest doprowadzany do toru odchylania pionowego.
Kineskopy telewizyjne i komputerowe wymagają bardziej skomplikowanej podstawy czasu: szybki przebieg odchylania poziomego formuje linie obrazu; pionowy, wolniejszy, formuje z nich pełny obraz czyli ramkę. Ilość linii na jedną ramkę obrazu jest różna: sygnał telewizyjny NTSC (amerykański) ma 520 linii, europejskie SECAM i PAL mają 625 linii, a komputerowy standard VGA od 640 do 2500 linii.
Dość ciekawy był sposób formowania obrotowej podstawy czasu lamp radaroskopowych. Z początku była to tylko jedna cewka odchylająca do której doprowadzano przebieg liniowej podstawy czasu - tak jak w oscyloskopie. Kreślenie podstawy czasu rozpoczynało się z nadaniem impulsu sondującego. Cewkę po prostu mechanicznie obracano zgodnie z ruchem anteny radaru. Zawodne to było i niedokładne, a na dodatek hałaśliwe.
 | W rozwiązaniu elektronicznym sygnał podstawy czasu był taki sam, z tym że kierowano go do cewek odchylania poziomego i pionowego. Amplituda podstawy czasu w odchylaniu poziomym była zależna od sinusa, a w odchylaniu pionowym - od cosinusa kąta obrotu anteny. |
Przy odchylaniu wektorowym promień katodowy był prowadzony jak ołówek - szybciutko przerysowywał zadane wzory. Taką metodę stosowano dawniej w lotniczych układach zobrazowania i do kreślenia wizji syntetycznej na klasycznych ekranach radaroskopowych. Na ekranie wskaźnika radarowego powyżej cele są wyświetlane przez obrotową podstawę czasu, mapa dróg lotniczych jest rysowana wektorowo.
Nie można mowić o lampowych ciekawostkach i wyświetlaniu, nie wspominąc o lampach pamięciowych (i jak tu skończyć z tymi lampami...). Są to jedyne w swoim rodzaju lampy kombinowane, w których ekran lampy obrazowej jest jednocześnie ekranem lampy analizującej. Przy zapisie pobudzony promieniem lampy obrazowej ekran utrzymuje przez pewien czas ładunki elektryczne, odczytywane odrębnym promieniem analizującym. Półprzewodniki. Półprzewodniki są kryształami pierwiastków z IV grupy układu okresowego Mendelejewa. Dawniej był to german (Ge), obecnie dominującym materiałem jest krzem (Si). Oprócz tego wykorzystuje się związki pierwiastków grupy III z pierwiastkami grupy V, np arsenek galu (GaAs) lub fosforek galu (GaP). Diody złączowe, przeznaczone do pracy z większymi mocami, przez dziesięciolecia były reprezentowane przez nieefektywne prostowniki metaliczne: kuprytowe i selenowe. Diody metaliczne wykonywano w postaci podwójnych płytek - warstwa półprzewodnika była naniesiona pomiędzy nimi w celu uzyskania dużej powierzchni złącza. Z powodu małej odporności na przebicie pojedyńczego ogniwa prostowniki konstruowano w postaci tzw. stosów prostowniczych. Technologia półprzewodnikowa, nazywana też technologią ciała stałego (dlaczego przy lampach nie mówiono o "technologii chmurki elektronów"?) pozwala wytworzyć przyrządy o dość niezwykłych właściwościach. Do dziś powstało ich dość wiele - nie będę nawet próbował wyliczyć wszystkich. Pomijając już specjalistyczne diody dla techniki mikrofalowej, takie jak tunelowe, diody p-i-n, IMPATT, czy diody Gunna (co to za dioda bez złącza p-n...), należałoby wspomnieć o przyrządach optoelektronicznych. Diodę elektroluminescencyjną (LED - light emittng diode) znają zapewne wszyscy. Światło jej jest "zimne" - świeceniu nie towarzyszy ciepło. LED są niezastąpione jako elementy sygnalizacyjne - są małe, oszczędne, trwałe, nie grzeją się, a ponadto są odporne na złe traktowanie. Diody LED emitujące promieniowanie podczerwone nazywa się IRED (infra-red emitting diode). Nieco dalszym krewnym LED jest laser półprzewodnikowy. Ot, chociażby taki jak w głowicy napędu CD-ROM.
Obie części, analizująca i projekcyjna, są połączone w pętlę sprzężenia zwrotnego; odczytany ładunek pędzi przewodem do wyrzutni elektronowej lampy obrazowej i jest odświeżany, czyli po prostu zapisywany z powrotem. Informacja w lampie pamięciowej może być zarówno obrazem jak i mozaiką znaków binarnych.
Lampy pamięciowe były drogie, ale trwałe i dość niezawodne. Spotykało się dwie odmiany konstrukcyjne. Rzadsze były te z częścią projekcyjną i analizującą w jednej linii, naprzeciw siebie. Częściej spotykano rozwiązanie w którym osie obydwu części tworzyły kąt ostry; oba promienie trafiały w jedną powierzchnię ekranu, od przodu pokrytego luminoforem. Zawartość pamięci można było obejrzeć na ekranie.
Nawet najprostszy odbiornik radiowy musi zawierać detektor, czyli diodę która "obetnie" ujemną połowę odebranego sygnału wysokiej częstotliwości. Z początku diody lampowe były drogie i wymagały rozbudowanych układów zasilania (napięcie anodowe wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset woltów). W tanich odbiornikach radiofonicznych stosowano do detekcji tzw. detektor kryształkowy - prymitywną diodę półprzewodnikową. Był to umocowany w zacisku kryształ galeny (siarczku ołowiu PbS) do którego przylegało stalowe ostrze. Obszar styku był właśnie diodą. Ponieważ to miejsce styku szybko traciło właściwości, a na dodatek kryształ był niejednorodny, słuchaniu radia towarzyszyło ciągłe majdrowanie przy detektorze w poszukiwaniu najlepiej działającego kawałka.
W stanie czystym słabo przewodzą one prąd elektryczny. Po dodaniu domieszek pierwiastków z grupy V, posiadających nadmiar wolnych elektronów, półprzewodnik staje się materiałem typu n. Przy dodaniu domieszek pierwiastków z grupy III, z niedoborem elektronów, powstaje typ p. Materiał domieszkowany ma znacznie lepszą przewodniość elektryczną. Jeżeli w jednym kawałku kryształu wykonamy obszary typu p i n, na ich styku powstanie właśnie dioda.
W wielkim uproszczeniu można powiedzieć, że w miejscu połączenia obszarów p i n powstaje bariera potencjałów, którą elektrony mogą pokonać tylko z obszaru n (z ich nadmiarem) do p. Jeżeli do takiego złącza przyłożymy potencjały odwrotnie, prąd nie popłynie - powstaje tam warstwa zaporowa.
Tak właśnie było z naszym kryształkiem radiowym. Ostrze metalowe tworzyło w krysztale typu p (galenie) mały obszar typu n. Taką diodę półprzewodnikową zaliczamu do typu diod ostrzowych.
Pomimo że do wyjaśnienia zasady działania diody półprzewodnikowej używa się pojęcia złącza p-n, diody ostrzowe królowały niepodzielnie przez wiele lat. Produkuje się je do dziś. Nadal mają zatosowanie w technice wielkich częstotliwości jako diody detekcyjne. Oczywiście są one wykonane z precyzyjnie obrobionego kryształu półprzewodnika i hermetyzowane.
Znacznie mniejsze i sprawniejsze były germanowe diody złączowe, produkowane metodą dyfuzji domieszek do kryształu. Od opanowania technologii produkcji masowej diody półprzewodnikowe całkowicie wyparły prostowniki metaliczne.
Diody Zenera (stabilistory) służą do stabilizacji napięcia. W kierunku przewodzenia zachowują się jak zwykłe diody, natomiast w kierunku zaporowym zaczynają przewodzić po przekroczeniu określonego napięcia. Napięcie to, nazywane napięciem stabilizacji, jest ustalane w procesie produkcji.
Diody Schottky'ego dzięki bardzo krótkiemu przejściu od stanu przewodzenia do zatkania są używane w układach cyfrowych o bardzo dużej szybkości pracy. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo gwałtowny wzrost prądu przewodzenia w początkowym zakresie napięcia roboczego.
Ciekawym przyrządem jest dioda pojemnościowa (tzw. waraktor), czyli dioda która nie przewodzi. Za to zachowuje się jak kondensator którego pojemność jest zależna od przyłożonego napięcia. Waraktory powszechnie stosuje w obwodach dostrajania praktycznie wszystkich nowszych odbiorników radiowych i telewizyjnych.
Oddzielnym typem diod są diody sterowane. Zwykła dioda sterowana, zwana tyrystorem, ma trzy elektrody: katodę, anodę i bramkę. Tyrystor zaczyna przewodzić dopiero po podaniu impulsu napięcia na bramkę. Stan włączenia utrzymuje się dopóki tyrystor jest spolaryzowany w kierunku przewodzenia. Analogiczny element dla prądu zmiennego nazywa się triakiem (właściwie TRIAC - triode AC switch). Tyrystory i triaki stosuje się w układach elektroenergetycznych i przełączających.
Fotodioda natomiast pod wpływem promieniowania przewodzi w kierunku zaporowym. Piszę "promieniowania", ponieważ istnieją fotodiody czułe na różne zakresy: od promieni gamma po daleką podczerwień.
Powstanie półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych dało początek technice światłowodowej. Transmisja światłowodowa jest bardzo szybka i odporna na zakłócenia.
Poza tym, we współczesnej elektronice profesjonalnej niezastąpione są elementy optoizolacyjne, czyli transoptory. Transoptor jest diodą elektroluminescencyjną i fotodiodą w jednej obudowie, dzięki czemu chroni urządzenie przed impulsami wysokiego napięcia na wejściu (np. przy uderzeniu pioruna).
| Najbardziej znanym przyrządem półprzewodnikowym jest tranzystor. Opracowanie tranzystora bipolarnego w 1947 roku zapoczątkowało rewolucję w elektronice, która, na dobrą sprawę trwa do dziś. Ten "Hasior" na fotce obok to właśnie pierwszy tranzystor. |  |
Tranzystor bipolarny jest zbudowany z trzech przemiennie domieszkowanych warstw germanu lub krzemu. Jeżeli obszary kolektora i emitera są typu n, to rozdzielająca je baza będzie typu p. Mówimy, że jest to tranzystor typu npn. Odwrotny układ domieszkowania tworzy typ pnp. Są to tak zwane typy komplementarne.
Działanie tranzystora bipolarnego opiera się na istnieniu znanej z diod bariery potencjału na złączu p-n. Jeżeli tranzystor jest spolaryzowany, tzn. między kolektor i emiter podano napięcie, tranzystor nie przewodzi dopóki nie poda się napięcia między bazę a emiter. Podstawowa różnica między typami komplementarnymi polega na polaryzacji napięcia bazy. W układzie npn tranzystor "odtyka" dodatnia polaryzacja bazy, a pnp - ujemna.
Odmienną konstrukcję ma tranzystor unipolarny, nazywany także polowym (FET - field effect transistor). Przejście między dwoma elektrodami, źródłem i drenem, jest wykonane z półprzewodnika jednego typu - n lub p. Do tego kanału przylega obszar elektrody sterującej, zwanej bramką.
Działanie tranzyztora polowego jest podobne do pracy lampy elektronowej. Przewodzenie prądu między źródłem i drenem jest sterowane przez potencjał bramki. Bramka pobiera znikomo mały prąd, dzięki czemu wzmacniacze na tranzystorach polowych można stosować do wzmacniania bardzo słabych sygnałów. Elektronicy mówią że taki wzmacniacz ma wielką impedancję wejściową. Układy na tranzystorach FET pracują z małymi prądami, przez co są energooszczędne i wytwarzają mało ciepła.
 | Pierwsze handlowe modele tranzystorów bipolarnych były wykonywane technologią ostrzową z germanu. Podkład był bazą, a kolektor i emiter ostrzami, przytkniętymi do kryształu jak najbliżej siebie, ale nie tak, żeby wytwarzane przez nie obszary domieszkowane nie zetknęły się. Wytwarzanie było powolne i kosztowne, a powstałe tranzystory były delikatne - na wstrząsy były wrażliwsze od lamp. |
Zastanowiwszy się nad konstrukcją tranzystora bipolarnego, można by spytać, czemu wynaleziono go tak późno. I po co tyle cyrklowania z produkcją. Przecież to po prostu dwie diody, połączone przeciwsobnie. Otóz, rzeczywiście tak to wygląda na pierwszy rzut oka. Owo bystre spostrzeżenie potwierdza nawet sprawdzenie tranzystora omomierzem - dwie diody jak byk, z wyprowadzeniem ze środka. Tyle, że żeby tranzystor wzmacniał, to znaczy żeby niewielkie nawet zmiany napięcia bazy powodowały duże zmiany prądu płynącego między kolektorem a emiterem, obszar bazy musi być niezwykle cienki. Nawet swego czasu stosowano w produkcji odmianę technologii ostrzowej polegającą na trawieniu płytki germanowej strumieniem kwasu do uzyskamia grubości rzędu mikrometrów. Tak powstawała baza. z obu jej stron przymocowywano druciki z materiału domieszkującego - emiter i kolektor. Takie tranzystory miały dobre właściwości w zakresie wysokich częstotliwości ale w seryjnej produkcji były wystarczająco upierdliwe aby wydać pieniądze na poszukanie lepszych metod.
Tą lepszą metodą okazał się proces epitaksjalny. Warto coś o nim rzec albowiem w postaci wielokrotnie udoskonalanej jest stosowany do dziś.
Tranzystor warstwowy wykonany w technologii epitaksjalnej jest wykonany całkowicie wewnątrz płytki półprzewodnika (zazwyczaj krzemu lub arsenku galu). W dużym obszarze kolektora typu n (mowa o tranzystorze npn) "pływa" obszar p (baza), a w nim mała wysepka n, czyli emiter. Metalizowane powierzchnie zewnętrzne obszarów są połączone z wyprowadzeniami obudowy cienkimi złotymi drucikami. Druciki są nazywane whiskers, czyli kocie wąsy (słówko to oznacza także ość z kłosa jęczmienia lub żyta, stąd pewnie nazwa whisky).
Proces epitaksjalny polega na dyfuzji domieszek do kryształu poprzez fotograficznie naniesioną maskę. Maska pozwala domieszkować ściśle określone miejsca ktyształu. Potem maskę usuwa się i nakłada następną, słżącą do wykonania kolejnych obszarów struktury. Proces powtarza się tyle razy, ile warstw wymaga dany przyrząd. Na zakończenie napyla się warstwę izolacyjną i pola kontaktowe (też przy pomocy masek).
| Tranzystory warstwowe są tanie i odporne na urazy mechaniczne. Produkuje się wiele typów ; dla małych i wielkich częstotliwości (rzędu gigaherców), małej i dużej mocy, tranzystory przełączające, impulsowe, sterowane światłem (optotranzystory) i inne. |  |
 | Na zdjęciu po lewej widać montaż typowy dla techniki tranzystorowej. Obwody drukowane są sztywno przymocowane do wyjmowalnych ram chassis, kryjących większe elementy regulacyjne. Półprzewodniki i większe elementy bierne są lutowane do posrebrzonych kołków kontaktowych. |
W epoce elementów dyskretnych (co oznacza że każdy element elektroniczny jest oddzielną całością) lotnicze urządzenia radiotechnicze zawierały jeszcze sporo mechaniki, takiej jak układy zmiany kanałów, mechanizmy nadążne, itp. Przyczyna była prosta: realizujące takie funkcje układy elektroniczne wymagałyby wielkiej liczby pojedyńczych tranzystorów, przez co byłyby znacznie droższe i niezwykle zawodne. |  |
| Pierwsze układy scalone budowano ze zwykłych, dyskretnych, elementów elektronicznych (). Później opracowano technikę montażu zminiaturyzowanych elementów na szklanych płytkach drukowanych. Stosuje się ją do dziś w produkcji układów hybrydowych łączących struktury monolitycznych obwodów scalonych z elementami dyskretnymi. W ten sposób można wykorzystywać elmenty bierne, trudne do zrobienia w płytce krzemu, lub elementy dużej mocy. |  |
 | Stopień upakowania elementów w układach scalonych zwiększał się wraz z obszarem zastosowań. Stosunkowo proste układy analogowe, na przykład wzmacniacz typu 741 (po lewej, u góry), zawierały od kilku do kilkunastu tranzystorów. Określano je jako układy o małej skali integracji (SSI - small scale of integration). |
Układy scalone dla techniki cyfrowej szybko osiągnęły próg stu i więcej tranzystorów w jednej strukturze. Wówczas robiło to takie wrażenie, że stworzono pojęcie średniej skali integracji (MSI - medium scale of integration).
Najstarsze układy SSI były projektowane jako scalone powtórzenie modułów budowanych z elementów dyskretnych. Były to obwody diodowo - tranzystorowe (DTL - diode - transistor logic) i układy o sprzężeniu emiterowym (ECL - emitter coupled logic). Z czasem zostały one wyparte przez szybsze, łatwiejsze w produkcji masowej i ekonomiczniejsze układy tranzystorowo - tranzystorowe (TTL - transistor - transistor logic). Ponieważ w technologii obwodów monolitycznych elementy bierne są dość kłopotliwe - zabierają dużo miejsca, trudno je wykonać od razu z właściwymi parametrami a ponadto bez potrzeby produkują ciepło, w technice TTL większość elementów była tranzystorami.
Pomimo wszelkich zabiegów dalsze zmniejszanie układów scalonych i miniaturyzacja całych urządzeń natrafiała na trudności natury zasadniczej. Cały czas budowano je z tranzystorów bipolarnych, przez co charakteryzowały się dużym poborem prądu, a co za tym idzie sporą ilością wydzielanego ciepła. Budowę układów wielkiej skali integracji (LSI - large scale of integration) umożliwiło zastosowanie technologii tranzystorów polowych MOSFET (metal on semiconductor field effect transistor).
Z początku układy MOSFET były wolniejsze od TTL i podatne na uszkodzenie przez ładunki statyczne (panie pracujące przy komputerach miały kategoryczny zakaz noszenia nylonowej bielizny), ale możliwość gęstszego upakowania i zysk na zasilaniu rekompensowały to z nawiązką. Zresztą dość szybko MOSFETY prześcignęły konkurencję w szybkości. Pewna wrażliwość na wyładowania statyczne jednak im została.
Układy równoważne układom scalonym bardzo wielkiej skali integracji (VLSI - very large scale of integration), zawierające powyżej dziesięciu tysięcy elementów, są już praktycznie niemożliwe do wyprodukowania metodami tradycyjnymi - z elementów dyskretnych. Nawet gdyby ktoś się uparł i to zrobił, zawodność pojedyńczych tranzystorów i połączeń odebrałaby temu przedsięwzięciu sens. Już nie wspominając o kosztach.
 | Na zdjęciu po lewej widać strukturę mikroprocesora Motorola 6800. Właściwy mikroprocesor, czyli szara kostka krzemu w centrum, jest przyklejona do metalizowanego dna obudowy, co ma na celu odprowadzenie ciepła i ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Wejścia i wyjścia układu są połączone ze ścieżkami do wyprowadzeń obudowy złotymi drucikami (tzw. whiskers). |
Nawet stosunkowo nieskomplikowane układy analogowe, chociażby te do domowego sprzętu grającego, są budowane jako układy scalone. Są zdecydowanie tańsze i mają lepsze parametry (chociażby dzięki wyeliminowaniu długich połączeń między elementami dyskretnymi.
Zresztą coraz więcej układów analogowych jest właściwie układami analogowo - cyfrowymi. Sygnały analogowe, takie jak dźwięk, po przetworzeniu na postać cyfrową są zdecydowanie bardziej odporne na zniekształcenia i szumy. Poza tym, układy cyfrowe umożliwiają zastosowanie wygodnych i efektownych funkcji sterowania, do niedawna spotykanych tylko w sprzęcie profesjonalnym najwyższej klasy. Albo migającego wystroju w stylu knajpianych automatów do gier, ostatnio podejrzanie modnego...
| W technologii VLSI wykonuje się większość nowoczesnych układów scalonych. Zdjęcie po prawej przedstawia mikroprocesor domowego komputera (bodajże jest to AMD 486). Zawiera około 1.2 miliona tranzystorów. Rozdzielczość masek użytych do produkcji układu wynosi 1 mikrometr. Takie upakowanie pozwala na zastosowanie wewnętrznej częstotliwości pracy rzędu 100 MHz. Nowsze układy scalone są wytwarzene z rozdzielczością 0.3 mikrometra lub mniej, i pracują z częstotliwością do 1500 MHz. |  |
Tak przy okazji światła, to w jest ono poważnym konkurentem elektryczności. Optoelektronika umożliwia znacznie większe prędkości przetwarzania sygnałów. Światło jest szybsze i odporniejsze na zakłócenia. Już teraz technika światłowodowa dominuje w teletransmisji. Wszystkie liczące się w mikroelektronice firmy i ośrodki naukowe pracują nad układami scalonymi, posługującymi się wyłącznie światłem, bez jego zamiany na prąd elektryczny.
Jednymi z ciekawszych urządzeń, realizowanych wyłącznie w postaci układów scalonych są pamięci pólprzewodnikowe. Spotyka się je w większości współczesnych urządzeń elektronicznych. Wchodzą w skład komputerów, sterowników, odbiorników radiowych i telewizyjnych, urządzeń nawigacyjnych oraz pomiarowych. Nawet elektroniczny zegarek na rękę z reguły zawiera pamięć.
Pamięci półprzewodnikowe stałe służą tylko do odczytu. Pamięci typu ROM (Read Only Memory) i PROM (Programmable Read Only Memory) mogą być jednorazowo zapisane. ROM są zapisywane w procesie produkcji, PROM natomiast mogą być zapisane przez użytkownika w specjalnym programatorze. Pamięci stałe typu EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) mogą być wielokrotnie kasowane i zapisywane od nowa.
Typowe EPROM są kasowane promienowaniem ultrafioletowym, przez kwarcowe okienko w obudowie (patrz fotka z trzema scalakami - to ten po lewej). Pamięci EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) są kasowane elektrycznie. Ich odmianą są szybkie pamięci typu flash, stosowane między innymi w cyfrowych aparatach fotograficznych. Można zapisywać na nowo dowolny fragment zawartości.
Pamięci o dostępie swobodnym RAM (Random Access Memory) pozwalają na zapisywanie i odczytywanie fragmentów swej zawartości w dowolnym czasie. Ponadto są znacznie szybsze w działaniu od pamięci stałych. Za to zapominają wszystko po wyłączeniu zasilania.
Statyczne RAM są matrycami przerzutników dwustanowych. Przy zapisie ustawia przerzutniki w stan odpowiadający wartościom bitów. I tak już zostają - do zmiany albo wyłączenia.
Pamięć dynamiczna DRAM (Dynamic Random Access Memory) działa na zasadzie utrzymywania ładunku elektrycznego przez kondensator - jeden kondensator pamięta wartość jednego bitu. Każdy kondensator ma swoją upływność, czyli powoli traci ładunek. Przez to pamięci dynamiczne wymagają cyklicznego odświeżania zawartości, także przy odczycie lub zapisie. Dzięki niezwykle krótkiemu czasowi zapisu i odczytu DRAM prawie zupełnie wyparły pamięci statyczne.
Wraz z inwazją układów scalonych przeobrażeniu uległy także konstrukcja mechaniczna i wygląd urządzeń elektronicznych. Mimo coraz większego skomplikowania elektroniki, obudowy robiły się coraz mniejsze. Aparatura traciła wój "profesjonalny" wygląd; coraz więcej funkcji można było zautomatyzować lub "ucyfrowić".
 | Na zdjęciu obok jest symulator lotu - co prawda bez ruchomej platformy i systemu do projekcji widoku z kabiny, ale za to zbudowany z dwóch komputerów osobistych MacIntosh (drugi komputer stanowi konsolę instruktora). Taki symulator, zwany symulatorem IFR, służy do treningu nawigacji według przyrządów. Przyrządy są wyświetlane na ekranie. Po lewej są panele urządzeń radionawigacyjnych, a na dole widać sterownicę. |
Proces rosnącej komplikacji urządzeń spowodował lawinowy wzrost ilości połączeń wewnętrznych. Pomimo opracowania nowych metod montażu, takich jak wielowarstwowe obwody drukowane i montaż powierzchniowy, konstruktor musi zatrudnić komputer z wymyślnym oprogramowaniem do poukładania i połączenia tego wszystkiego. Wyczytałem gdzieś, że jeden z modułów mojego "Onyxa", płyta ca. 40 x 40 cm, ma około 8000 punktów lutowniczych i ponad 500 kontaktów do łączenia z resztą komputera. Na dodatek, przy częstotliwości pracy 450 MHz (250 MHz na magistrali wejścia - wyjścia) czas propagacji sygnałów w przewodach potrafi być krytyczny. A jeszcze trzeba pamiętać o zakłóceniach elektromagnetycznych i odprowadzeniu ciepła. Raczej niemożliwe do zrobienia piechotką na papierze.
| W świecie elektroniki profesjonalnej nadal rządzi konstrukcja modułowa. Na zdjęciu widać jeden z obwodów drukowanych z układami scalonymi i elementami dyskretnymi. Moduł jest zaopatrzony w płytkę czołową z uchwytem. Na płytce czołowej umieszcza się elementy regulacyjne i światełka sygnalizacyjne. W razie awarii wymiana modułu na sprawny trwa kilkanaście sekund. |  |
 | Moduły są montowane w standardowych kasetach, zaopatrzonych w prowadnice i płytę tylną ze złączami i systemem połączeń elektrycznych między modułami. |
| Kasety umieszcza się w stojakach (szafach), wyposażonych w struktury do zamocowania kabli łączących kasety, przewody zasilające i wentylatory do chłodzenia - tutaj też w postaci 19-calowych paneli ( to te jaśniejsze). |  |
Zresztą to wszystko może w niedługim czasie wylądować na regale obok lamp i prostowników selenowych. Mianowicie coraz więcej słychać o układach łączących elektronikę z żywymi strukturami białkowymi. Naukowcy mają nadzieję że uda się stworzyć układy potrafiące się uczyć niejako na poziomie sprzętu. Chodzi o to, że elementy będą modyfikować swoje działanie na podstawie zdobytego doświadczenia. Może nawet nauczą się prawidłowo wnioskować na podstawie niepełnych danych, a co za tym idzie właściwie reagować na sytuacje nieprzewidziane przez konstruktorów.
I nie chodzi tu wcale o hodowlę cyborgów; znacznie więcej pożytku może być ze sztucznej mrówki, która z milionem sobie podobnych będzie robić co jej każą. No, można w drodze wyjątku udoskonalić Schwarzeneggera żeby przestał wreszcie w każdym filmie grać Terminatora.
Zmieniła się także technika napraw. Dawniej elektronik cierpliwie lokalizował uszkodzenie do wadliwego elementu, po czym go wymieniał na sprawny. Dziś przeważnie wymienia się cały moduł, a uszkodzony wysyła się do serwisu. Serwis, dysponujący specjalistycznymi testerami (przeważnie skomputeryzowanymi), naprawia moduł. Albo, jeśli jest to tania produkcja wielkoseryjna, wyrzuca do kosza i przysyła nowy.
Do diagnostyki sprzętu używa się systemu testów. Testy często podają wprost miejsce awarii, co zaoszczędza wiele czasu. Pomimo, że urządzenia profesjonalne, zwłaszcza lotnicze, przeważnie dysponują tzw. gorącą rezerwą, czas przywrócenia pełnej sprawności ma zasadnicze znaczenie. Nikt przecież nie wypuści na trasę samolotu komunikacyjnego z niesprawnym jednym z trzech kanałów sterowania. A samolot musi zarabiać.
Dlatego też coraz więcej systemów ma wbudowane układy diagnostyczne (tzw BITE - built-in test equipment). Mają one podwójne zadanie. Po pierwsze - zabezpieczają przed błędnym działaniem lub przeoczeniem awarii przez obsługę. Po drugie - skracają i ułatwiają przeglądy i naprawy, pozwalając szybko odnaleźć niesprawną lub niepewną część.
Jedno z praw Murphy'ego mówi że jeśli coś działa to może się zepsuć. Nie jest żadną tajemnicą że o niezawodności systemu decyduje jego najsłabsze ogniwo. Zatem, im bardziej skomplikowany jest system, tym większe prawdopodobieństwo awarii.
Nowoczesne systemy, oparte na technologii układów wielkiej skali integracji, są znacznie mniej awaryjne od dawnych. W roku 1970 średni czas między awariami (MTBF - mean time between failures) rzędu 800 godzin budził szacunek. Dla porównania: średnia żywotność żarówki 100 W wynosi 1000 godzin. Od współczesnych urządzeń lotniczych wymaga się MTBF rzędu 6000 godzin. I to przy nieporównanie większej ilości elementów.