Skocz do zawartości

Trendy współczesnych badaniach naukowych, czyli od elektroniki lamp poprzez spintronikę do dolinotroniki.


Pomocna odpowiedź

Trendy współczesnych badaniach naukowych,
czyli od elektroniki lamp poprzez spintronikę do dolinotroniki.

Mówiąc i pisząc o projektowanych, konstruowanych i testowanych jakichkolwiek układach lub urządzeniach elektronicznych wskazane jest ogólne poszperanie w powstaniu i historii elektroniki. Zgłębiając zasoby literatury przedmiotu można w uporządkowany sposób opisać fakty od odkrycia elektronu, powstania i rozwoju elektroniki, aż do nowych trendów w dociekaniach fizyków jakim jest spintronika oraz coraz intensywniej wkraczająca w naukowe pracownie dolitronika.

Kończąc technikum elektroniczne mieliśmy za zadanie wykonanie i obronienie pracy dyplomowej. Był to czas zaniku stosowania lam elektronicznych,  przy jednoczesnym zwiększaniu zastosowania elementów półprzewodnikowych w elektronice - tranzystorów i układów scalonych. W ramach tematu obrony wykonaliśmy urządzenie nauczające – testujące, którego działanie było właśnie oparte o te elementy. Na profilu teletransmisja poznaliśmy podstawy elektroniki opartej na układach lampowych, uzupełniając wiedzą o budowie i funkcjonowaniu tranzystorów i tyrystorów. Natomiast szczegóły katalogowe budowy i funkcjonowania układów cyfrowych (scalonych) uzupełnialiśmy już sami, w ramach własnych dociekań, poszukiwań praktycznych i budowaniu prototypów. Wykonana, wspomniana powyżej, praca dyplomowa zawierała elektroniczne lampy wyświetlające czołowo oraz układy scalone- bramki logiczne, realizowane w układzie UCY 7400 (SN 7400) CEMI.

Wiadomo, że Lampa elektronowa – element elektroniczny czynny[1] składający się z elektrod umieszczonych w bańce z wypompowanym powietrzem (lampa próżniowa, ang. vacuum tube) lub gazem pod niewielkim ciśnieniem (lampa gazowana, ang. gas-filled tube), w którym wykorzystuje się wiązki elektronów lub jonów poruszające się między elektrodami lampy i sterowane elektrycznie elektrodami. [2] Tak przeczytamy w dostępnych ujęciach medialnych encyklopedycznych. A jak przedstawia rys historyczny odkrycia tych elementów, tak powszechnie królujących w połowie lat XX wieku.

Kilka chwil z Historii odkryć fizycznych i technicznych

 

Z praw elektrolizy odkrytych przez Michaela Faradaya (1791-1867)  wynika, że ładunek, który przepływa przez elektrolit, zawsze daje się podzielić na pewną ilość równych porcji. Ale sam Faraday nie dostrzegł tego, że właśnie na mocy jego praw, ładunki wszystkich jonów złożone są z całkowitej liczby ładunków elementarnych. Gdy przez z oznaczyć wartościowość jonu, ładunek q, jaki przepłynie przez elektrolit, będzie równy iloczynowi
- z ·e, przy czym e jest owym ładunkiem elementarnym (jednostkowym) q = z · e W roku 1874 irlandzki fizyk George Johnstone Stoney badając procesy elektrochemiczne nazywa jednostkowy ładunek, towarzyszący przemianie atomu w jon - elektronem, co więcej, zdołał nawet wyznaczyć, choć niedokładnie, wartość takiego ładunku. Mimo to, że była ona blisko 20 razy mniejsza niż obecnie przyjmowana, widać już grunt dla późniejszych dokonań Thomsona.

 

 

Fotografia 1. Joseph John Thomson, znany także jako J.J. Thomson (1856-1940) –fizyk angielski związany z Laboratorium Cavendisha w University of Cambridge. W 1906 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „w uznaniu zasług za teoretyczne i eksperymentalne badania nad przewodnictwem elektrycznym gazów”, które doprowadziły do odkrycia elektronu. Schemat doświadczenia Thomsona A-anoda, K- katoda, P- przegroda ze szczeliną, C-kondensator, E-ekran pokryty siarczkiem sodu

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/Jj-thomson2.jpg

https://fizyka.umk.pl/~marta_985/prezentacja1/odkrycie_elektronu.html

 

  

Fotografia 2. Sir John Ambrose Fleming (1849-1945) – fizyk, elektrotechnik i radiotechnik angielski. W 1904 r. skonstruował diodę próżniową – schemat po prawej stronie. Była to  pierwsza lampa elektronowa – diodę.

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/John_Ambrose_Fleming https://pl.wikipedia.org/wiki/Dioda_próżniowa#/media/Plik:Vacuum_tubes_pl.svg

 

   

Fotografia 3. Lee De Forest (1873-1961) amerykański radiotechnik i wynalazca. W 1906 roku zbudował triodę, co umożliwiło rozwój radia, telewizji, radaru oraz komputera. Prawdziwy potencjał tego wynalazku został wykorzystany dopiero w roku 1912, poprzez włączenie go do obwodu wzmacniającego sygnały zarówno radiowe jak i audio. Lampa ta zwana także zaworem triodowym była stosowana przez 50 lat w elektronice, do czasu aż została zastąpiona przez tranzystor, i później przez układy scalone. Jest autorem opracowania metody optycznego zapisywania dźwięku na taśmie filmowej (metoda Photion). W ciągu swego długiego życia uzyskał ponad 300 patentów, ale niestety niewiele z nich odniosło sukces.

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Lee_De_Forest.jpg

Patent konstrukcje i zastosowanie na stronie https://www.freepatentsonline.com/0879532.pdf

 

Schematy umieszczone w dokumentacji patent na stronie do zapoznania na stronie o adresie https://www.freepatentsonline.com/0879532.pdf

 

Fotografia 4. Irving Langmuir (1881- 1957) – amerykański fizykochemik, pionier badań nad wyładowaniami elektrostatycznymi w gazach i zjawiskami powierzchniowymi. Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1932 roku za osiągnięcia w chemii powierzchni. Zatrudnił się w nowo powstałym General Electric Research Laboratory w Schenectady, by pracować nad przepływem prądu przez zjonizowane gazy, konstruując nowe przyrządy do badań.               Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Irving_Langmuir

Pracując dla General Electric w latach 1909–1916 udoskonalił znacznie technikę próżniową i wynalazł pompę dyfuzyjną, co umożliwiło osiąganie wysokiej próżni i poprawiło znacznie parametry produkowanych lamp elektronowych. Opracował podstawy teorii lamp elektronowych, co miało duży wpływ na późniejszy rozwój ich konstrukcji i produkcji.

 

 

Fotografia 5. Walter Schottky (1886–1976) – niemiecki fizyk

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Walter_Schottky

W trakcie I wojny światowej Walter Schottky zbudował w zakładach Siemens & Halske lampę z dwiema siatkami – tetrodę. Tetroda – rodzaj lampy elektronowej posiadającej cztery elektrody: anodę, katodę i dwie siatki umieszczone pomiędzy anodą i katodą. Więcej informacji na stronie internetowej o adresie https://pl.wikipedia.org/wiki/Tetroda

 

     

Widok: lampa tetroda, symbol elektroniczny tej lampy i elementy konstrukcji

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/B442.JPG

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Tetrode-Symbol_de.svg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/RE20_int.jpg

Studiował fizykę na Uniwersytecie Fryderyka Wilhelma w Berlinie. W roku 1912 obronił

pracę doktorską na temat szczególnej teorii względności, ogłoszonej zaledwie siedem lat wcześniej. Do najważniejszych osiągnięć Schottky’ego należą: wynalezienie (wspólnie w 1924 roku z Erwinem Gerlachem) mikrofonu wstęgowego – używanego do dziś w profesjonalnej rejestracji dźwięku, udoskonalenie lamp elektronowych (w latach 1915–1919, podczas pracy dla Siemensa). Jego wynalazki obejmują lampę próżniową z siatką ekranową (1915), tetrodę (system z dwiema siatkami zapobiegający niepożądanym oscylacjom, 1919). Przeprowadzał rewolucyjne badania teoretyczne na temat szumów termicznych i śrutowych w urządzeniach elektronowych, odkrycie dziur w paśmie walencyjnym półprzewodnika,

zaproponowanie dyfuzyjnej teorii przepływu prądu przez złącze metal–półprzewodnik oraz wyjaśnił zmianę elektrostatyki na granicy metal / półprzewodnik (efekt Schottky'ego) i odkrył barierę komórkową na granicy między metalem, a półprzewodnikiem (bariera Schottky'ego), która doprowadziła do powstania diody półprzewodnikowej z gorącym nośnikiem (dioda Schottky'ego). Element ten wykazuje nieliniową zależność napięcie / prąd. Jest także imiennikiem wady Schottky'ego, szczególnego rodzaju defektu punktowego w sieci krystalicznej. Przeszedł na emeryturę w 1958 roku i resztę życia spędził w Pretzfeld. Zmarł w dwa lata po wprowadzeniu na rynek przez koncern Siemens diod opartych na złączu metal–półprzewodnik do zastosowań mikrofalowych.

 

Fotografia 6. Przekrój przez 9-milimetrową diodę Schottky’ego

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/Schottky_Diode_Section.JPG

 

W tym miejscu kilka informacji o Diodzie Schottky’ego (wym. szotkiego). Jest to dioda półprzewodnikowa, w której w miejsce złącza p-n zastosowano złącze metal-półprzewodnik. Charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas przełączania wynosi tylko około 100 ps. Diody Schotky'ego o małych wymiarach mogą działać przy częstotliwości dochodzącej do kilkudziesięciu GHz. Odmianą są diody na duże prądy znajdujące zastosowanie w impulsowych urządzeniach energoelektronicznych. Pozwala to na znaczną miniaturyzację tych urządzeń, jak również osiągnięcie dużej sprawności dochodzącej do 90%. Należy podkreślić, że diody Schottky’ego mają dwukrotnie mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia (UF = 0,3 V) niż diody krzemowe (UF = 0,6-0,7 V). Należy pamiętać, że maksymalne napięcie wsteczne jest niewielkie, do około 100 V.

Następny krok w historii elektroniki to czas dominacji technologii TTL, czyli na przełomie lat 70 i 80. Był to jeden z podstawowych elementów tworzących cyfrowe układy elektroniczne – masowa produkcja rozpoczęta w 1964 roku. Pierwsze patenty na tranzystor zostały udzielone w latach 1925–1930 w Kanadzie, USA i Niemczech Juliusowi Edgarowi Lilienfeldowi. Jego projekty były zbliżone do tranzystora MOSFET, jednak ze względów technologicznych, szczególnie ze względu na czystości materiałów, tranzystora nie udało się skonstruować. Nastąpiło to dopiero w drugiej połowie XX wieku.

    

Fotografia 7. Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963)  polski fizyk pochodzenia żydowskiego, twórca tranzystora polowego (podstawowego elementu współczesnych układów cyfrowych). Jednak w 1925 wniosek o patent kanadyjski układu będącego protoplastą tranzystora polowego złożył jako obywatel Polski

Rysunek obok, to uproszczona budowa tranzystora JFET. S – źródło, G – bramka, D – dren, 1 – obszar zubożony, 2 – kanał. Jest to tranzystor polowy, tranzystor unipolarny (ang. Field Effect Transistor, FET) – tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.               Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Tranzystor_polowy

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/Julius_Edgar_Lilienfeld_(1881-1963).jpg

 

Pierwszy raz opatentowany  w 1926 roku przez Juliusa Edgara Lilienfelda.  

http://skfiz.wdfiles.com/local--files/archiwum-2007-08/Spotkanie SKFiz 14I2008 - Tomasz Dietl.pdf

Pierwszy działający tranzystor ostrzowy został skonstruowany 16 grudnia 1947 r.

John Bardeen, Walter Houser Brattain oraz William Bradford Shockley, otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1956 roku za wynalazek tranzystora.

 

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bf/Replica-of-first-transistor.jpg

       

Fotografia 8. John Bardeen (1908-1991) jest jedyną osobą, która dwukrotnie otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki: w roku 1956 wspólnie z Williamem Shockleyem i Walterem Brattainem za badania półprzewodników i wynalezienie tranzystora

William Bradford Shockley (1910-1989) odkrywca w roku 1950 opisującego diody prawa nazwanego jego imieniem i konstruktor, rok później, tranzystora bipolarnego.

Walter Houser Brattain (1902-1987)

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Bardeen.jpg https://pl.wikipedia.org/wiki/William_Shockley https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/William_Shockley%2C_Stanford_University.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Brattain.jpg

 

Spintronika to elektronika przyszłości

 

"Wyobraźmy sobie „kanapkę”, w skład której wchodzi materiał ferromagnetyczny, taki jak żelazo, między którym umieszczamy materiał „normalny”, jak miedź. Okazuje się, że opór elektryczny takiej „kanapki” jest bardzo silnie uzależniony od pola magnetycznego" - tłumaczy fizyk, prof. Tomasz Dietl, pracujący w Instytucie Fizyki PAN. Badania dotyczące półprzewodników ferromagnetycznych stały się podstawą nowej dziedziny wiedzy – spintroniki, której początki sięgają lat 80. XX wieku i jednocześnie wykrytego tzw. gigantycznego zjawiska magnetooporu. Spintronika półprzewodnikowa, nowa dziedzina elektroniki, to szczególnie badania nad materiałami, które łączą zalety materiałów magnetycznych, takich jak żelazo i półprzewodnikowych oraz takich jak krzem. Unikatowe własności półprzewodników wykorzystują np. tranzystory w mikroprocesorach oraz lasery półprzewodnikowe w odtwarzaczach płyt kompaktowych, DVD, a także w komunikacji światłowodowej. Cała idea opiera się na fakcie, że elektron ma nie tylko ładunek elektryczny, o odkryciu którego napisano wcześniej, dotychczas widoczny w "klasycznej" elektronice, ale także spin.  To kierunek, w którym elektron obraca się wokół własnej osi. Właściwości spinu wykorzystywane są m.in. w pamięciach magnetycznych komputerów, a od tysięcy lat w igle magnetycznej, która jest zbudowana ze spinów elektronowych, ustawionych w jednym kierunku. Tranzystor spinowy działający według nowych zasad został skonstruowany przez zespół fizyków z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Uniwersytetu w Ratyzbonie. Doświadczalna demonstracja tranzystora jest kolejnym krokiem ku upowszechnieniu spintroniki, dziedziny nauki i techniki, która w przyszłości w istotnej części zastąpi elektronikę. „Tranzystor spinowy wykorzystuje nie ładunek elektryczny, a inną cechę kwantową elektronu: spin, czyli jego wewnętrzny momentu pędu", wyjaśnia w literaturze przedmiotu prof. Tomasz Wojtowicz z IF PAN.

 

Elektronika i spintronika to nie koniec. Czas na dolinotronikę!

 

Elektrony w grafenie niosą nie tylko ładunek elektryczny i informację o spinie, ale również informację o tzw. pseudospinie. Intensywne badania ostatniej z tych cech umożliwić mogą rozwój zupełnie nowego działu technologii – dolinotroniki. Analogicznie do elektroniki i spintroniki. Teorię, która może pomóc w rozwoju dolinotroniki tworzy prof. Adam Rycerz z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. "Moje badania dotyczyły teoretycznych podstaw działania części składowych grafenowego komputera kwantowego" - mówi profesor. Badacz na warsztat wziął to, co dzieje się w gazie elektronów uwięzionych w grafenie. Grafen to atomowej grubości struktura złożona z węgla. Ma bardzo interesujące właściwości, wśród których wymienia się: świetne przewodzenie prądu i ciepła oraz rozciągliwość i wytrzymały. Wyjątkowe cechy grafenu związane są m.in. z dziwaczną naturą kwantową elektronów z atomów węgla, które poruszają się w tej strukturze. Otóż elektrony - cząstki przecież obdarzone masą, w grafenie zachowują się - przynajmniej z punktu widzenia obserwatora - jakby nie miały masy - opowiada naukowiec i dodaje: "Elektrony nie są takie jak ludzie - one są identyczne, nierozróżnialne". Wyjaśnia jednak, że cząstki takie w grafenie daje się opisać za pomocą liczb kwantowych - stopni swobody. "Najprostszą liczbą kwantową jest ładunek. Bo elektron ma swój ładunek elektryczny. Drugą liczbą kwantową jest spin. Można powiedzieć, że elektron ma mały magnesik, który może być obrócony w górę lub w dół" - opowiada. Dodatkowo jednak, kiedy elektron znajduje się np. w grafenie, cząstka zyskuje kolejny stopień swobody - tzw. sztuczny spin, czy też pseudospin. To cecha niezależna od zwykłego spinu. Może się więc okazać, że elektron w grafenie znajduje się w dolinie K albo K\'. "Matematycznie jest to tak, jakby istniał fikcyjny magnesik w innej przestrzeni" - opowiada fizyk. Operowanie ładunkami umożliwiło rozwój elektroniki (prąd - elektron z ładunkiem albo jest, albo go nie ma). Manipulowanie kolejnym stopniem swobody elektronów - spinem - umożliwiło powstanie spintroniki. A umiejętność operowania pseudospinem otwiera przed nami nową dziedzinę technologii - dolinotronikę (valleytronics).

 

Przeprowadzono i opisano w literaturze przedmiotu mnóstwo doświadczeń i eksperymentów oraz zastosowań, że śmiało można wskazać, iż o spintronice i dolinotronice można napisać oddzielne artykuły i opracowania.

Teks ten na wstępie ukazał rys historyczny powstania elektroniki, zarówno lam jak i przejścia do elektroniki półprzewodników, ale ma zachęcić czytelnika do dociekań o nowych trendach w badaniach naukowców, których efekty wkrótce odczujemy.

 

[1] Element elektroniczny czynny (aktywny) – element elektroniczny, który jest w stanie wzmocnić prąd elektryczny w odpowiednim układzie elektronicznym. Taki układ można określić jako przetwornik energii elektrycznej na siłę elektromotoryczną. Najważniejsze elementy elektroniczne czynne to: tranzystor, lampa elektronowa. Układy elektroniczne zawierające elementy czynne zwane są układami aktywnymi. https://pl.wikipedia.org/wiki/Element_elektroniczny_czynny

[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Lampa_elektronowa

Artykuł_2.pdf

Link to post
Share on other sites

Artykuł został właśnie opublikowany, ale w związku z brakiem poprawek formatowania (autor był o nich informowany) oraz (co najważniejsze) w związku z brakiem formalnego zgłoszenia konkursowego, tekst ten nie bierze udziału w naszym konkursie.

Link to post
Share on other sites

Ubolewam, że zawiłości umieszczania tekstu zgłaszanego na konkurs i brak wskazówek jak przesyłać teks by uczestniczyć w konkursie oraz na czym miałoby polegać formalne zgłoszenie eliminuje teks z komkursu. No cóż widać że nie nadążam za tymi nowymi trendami medialnymi lub nie odczytuję zawiłości mające dyskwalifikowac mój teks. Po prostu ubolewam ...

Link to post
Share on other sites

Dołącz do dyskusji, napisz odpowiedź!

Jeśli masz już konto to zaloguj się teraz, aby opublikować wiadomość jako Ty. Możesz też napisać teraz i zarejestrować się później.
Uwaga: wgrywanie zdjęć i załączników dostępne jest po zalogowaniu!

Anonim
Dołącz do dyskusji! Kliknij i zacznij pisać...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Przywróć formatowanie

  Dozwolonych jest tylko 75 emoji.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.