Современный мир трудно представить без устройств, с помощью которых мы храним, обрабатываем и передаем информацию. Их изобретение стало возможным в результате изучения свойств электричества и способов его практического применения — именно этим занимается электроника, одна из наиболее широких и динамично развивающихся областей научного знания. Электронные разработки определяют будущее самых разных направлений современной науки — от экспериментальной физики до вычислительных технологий.

Электроника — это довольно широкая область науки и техники, основанная на изучении и создании устройств и приборов, работа которых осуществляется за счет движения электронов. Само слово происходит от греческого, что означает «электрон».

Теоретическая и технологическая база электронных исследований формировалась постепенно: человечество проделало долгий путь от случайных наблюдений эффектов статического электричества до использования квантовых эффектов в компьютерах. Попытаемся его восстановить.

Первая ласточка от Чарльза Бэббиджа

Прежде чем научное открытие или гениальное изобретение становятся основой для производства новых товаров и обогащают рынок свежими продуктами, часто проходит много лет.

Когда Чарльз Бэббидж в 1833 году создал механический вычислитель, предшественник современных компьютеров, он наверное не думал, что спустя полвека маленькие цифровые вычислители будут проникать во все сферы рынка — от часов на запястье, мультиповарок и стиралок, до смартфонов и ПК.

Прошло много времени и было сделано множество научных открытий и изобретений, которые, дополняя друг друга, подготовили почву для революционного прорыва рынка. Одним из таких изобретений было появление транзистора.

Изобретение транзистора

В первой половине 20 века в электронике широко использовались вакуумные лампы, которые имели много серьезных недостатков: большое тепловыделение, низкая надежность, огромные размеры. В 1947 году три ученых из фирмы Bell Telephone Laboratories изобрели первый биполярный транзистор. За это изобретение У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен в 1956 году были удостоены нобелевской премии по физике.

Это изобретение не сразу получило признание и вытеснить вакуумные лампы в электронных устройствах транзисторами не удалось сразу. Все изменило изобретение в 1960 году МОП-транзистора, который стал основой современной электроники. Аббревиатура МОП означает «металл-оксид-полупроводник», а также его называют транзистором с изолированным затвором.

Следующая за этим миниатюризация электронных компонентов перевернула рынок. Громоздкие устройства были заменены маленькими и экономичными. Радиоприемники размером с пачку сигарет, электронные наручные часы и карманные калькуляторы в 1970-х годах стали обычными вещами.

Но главное назначение транзистора заключалось в возможности создания компактных и быстрых ЭВМ, электронно-вычислительных машин, которые начали стремительное развитие в 1960-х годах. В 1970-х годах произошла их минитюаризация за счет применения интегральных микросхем и, как следствие, нарастающий выход на потребительский рынок.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов произошел взрывной рост количества разных домашних компьютеров: Apple II, Commodore 64, ZX Spectrum, Atari 400, Amiga 1000. Возможность играть в компьютерные игры, писать электронную музыку и программировать стала доступна каждому. Рынок электронных развлечений, зародившийся тогда, сейчас превратился в многомиллиардную отрасль, которая двигает прогресс в электронной сфере.

Литий-ионные батареи и мобильная техника

Уже в начале 1980-х годов была возможность создавать очень компактные электронные устройства. Например, домашний компьютер ZX Spectrum можно было сделать мобильным, похожим на современные игровые консоли Nintendo Switch, но все проблема была в отсутствии компактных и емких аккумуляторов. Положение дел на рынке мобильной техники тех лет очень хорошо характеризует популярный анекдот про «суперчасы» и чемодан батареек к ним.

Все изменилось в начале 1990-х годов, когда на рынке появились литий-ионные (li-Ion) батареи. Главный вклад в их развитие внесли ученые из разных стран: Джон Гуденоу, Стэнли Уиттингемиз и Акира Ёсино. Разработка велась с конца 1970-х годов, а в 2019 году интернациональный коллектив получил за изобретение литий-ионных батарей нобелевскую премию по химии.

Устройство литий-ионных батарей довольно простое, а эффективность дает подбор уникальных материалов. Грубо говоря, у li-Ion батареи один электрод сделан из графита, а второй — из оксида кобальта. Разделенные полупроницаемой мембраной, электроды взаимодействуют с электролитом, богатым ионами лития.

Литий-ионные батареи оказались нужны везде — в только-только появившихся мобильных телефонах, ноутбуках, часах, калькуляторах и множестве других электронных устройств. Рынок таких девайсов начал бурно развиваться и если сейчас вы оглядитесь по сторонам, то обязательно увидите маленькое электронное устройство с Li-Ion батареей: смартфон, планшет, смарт-часы, калькулятор, ноутбук или беспроводную мышь.

Литий-ионные батареи сейчас переживают апогей своего развития, их все уменьшающийся вес и увеличивающаяся емкость позволяют строить на их основе даже средства передвижения: электро-самокаты, электро-велосипеды, моноколеса и гироскутеры.

Изобретение светодиодных экранов

Яркий свет огромных рекламных панелей, который окружает нас в городах, бегущие цифры на табло рейсов в аэропортах и железнодорожных вокзалов, огромные информационные экраны в биржах и на стадионах — это все светодиодные экраны. Уже мало кто помнит времена, когда все эти экраны и вывески создавались на базе громоздких и прожорливых ламп накаливания. Экономичные и недорогие светодиоды заняли рынок быстро и незаметно.

Первые упоминания о светодиодном эффекте были получены в 1907 году от британского экспериментатора Генри Раунда из компании Маркони Лабс. Он описал электролюминесценцию, которая происходит при прохождении тока в соединении металла и карбида кремния, выражающуюся в желтом, оранжевом и зеленом свечении.

И опять прошло почти полвека между изобретением и его первой практической реализацией. Только в 1962 году был выпущен светодиод красного цвета, который можно было использовать в производстве информационных табло. Разработал его ученый Ник Холоньяк для компании General Electric.

Но светодиоды оставались очень дорогими до 1970-х годов, когда их удешевление совпало с радикальным увеличением их яркости и появлением новых цветов свечения.

А в начале 1990-х годов исследователи из компании Nichia Chemical Industries изобретают недорогие диоды синего и белого цветов, за что впоследствии получили нобелевскую премию по физике.

Выводы

Анализируя ключевые научные прорывы, которые перевернули рынок электронных устройств, сразу обращаешь внимание на два фактора, которые заметно влияют на итоговый результат:

• Во-первых, это заметный временной интервал между изобретением и практическим внедрением технологии. Иногда проходит полвека, прежде чем гениальное изобретение начинает приносить плоды. Но, в последние годы этот интервал становится все короче, ведь научно-технический прогресс ускоряется.
• А во-вторых, очень заметно такое влияние прорывов в разных областях науки и техники, что потом, спустя несколько десятилетий они, дополняя друг друга, позволяют создать совершенно новое устройство.

И смартфон, с которого, скорее всего, вы читаете этот текст — это и миниатюрные транзисторы в интегральных микросхемах, и мощная li-Ion батарея, и ЖК-дисплей, подсвеченный светодиодами, и Wi-Fi связь, позволяющая получать быстрый интернет без проводов.