تاریخچه الکترونیک

در قرن بیست و یکم، هر روز با مدارها و دستگاه‌های الکترونیکی در اشکال مختلف سر و کار داریم، زیرا گجت‌ها، لوازم‌خانگی، کامپیوترها، سیستم‌های حمل‌ونقل، تلفن‌های همراه، دوربین‌ها، تلویزیون و غیره همگی دارای قطعات و دستگاه‌های الکترونیکی هستند. دنیای الکترونیک امروزی در حوزه‌های مختلفی مانند مراقبت‌های بهداشتی، تشخیص پزشکی، خودرو، صنایع، پروژه‌های الکترونیک و غیره نفوذ عمیقی کرده است و همه را متقاعد کرده است که بدون الکترونیک، کارکردن واقعاً غیرممکن است. در این مطلب، با تاریخچه الکترونیک را به‌صورت مختصر مرور می‌کنیم.

تاریخچه الکترونیک سه جزء کلیدی دارد: لوله خلاء، ترانزیستور و مدار مجتمع. در ادامه، این سه بخش کلیدی در تاریخچه الکترونیک را معرفی می‌کنیم.

تاریخچه الکترونیک؛ لوله خلاء

در سال ۱۸۸۳، توماس آلوا ادیسون (Thomas Alva Edison) کشف کرد که الکترون‌ها از یک هادی فلزی به هادی دیگر از طریق خلاء جریان می‌یابند. این کشف هدایت الکتریکی به عنوان اثر ادیسون شناخته شد. در سال ۱۹۰۴، جان فلمینگ (John Ambrose Fleming) اثر ادیسون را در اختراع یک لوله الکترونی دو عنصری به نام دیود به کار برد، و لی دی فارست در سال ۱۹۰۶ با لوله سه عنصری، تریود، از آن استفاده کرد. این لوله‌های خلاء دستگاه‌هایی بودند که دستکاری انرژی الکتریکی را ممکن می‌کردند تا بتوان آن را تقویت کرد و انتقال داد.

اولین کاربرد لوله‌های الکترونی در ارتباطات رادیویی بود. گوگلیلمو مارکونی (Guglielmo Marconi) پیش‌گام توسعه تلگراف بی‌سیم در سال ۱۸۹۶ و ارتباطات رادیویی از راه دور در سال ۱۹۰۱ بود. رادیو اولیه شامل تلگراف رادیویی (انتقال سیگنال‌های کد مورس) یا تلفن رادیویی (پیام‌های صوتی) بود. هر دوی آن‌ها به تریود متکی بودند و به لطف ارتباطات نیروهای مسلح در طول جنگ جهانی اول به‌سرعت پیشرفت کردند. فرستنده‌های رادیویی اولیه، تلفن‌ها و تلگراف از جرقه‌های ولتاژ بالا برای ایجاد امواج و صدا استفاده می‌کردند. لوله‌های خلاء سیگنال‌های صوتی ضعیف را تقویت می‌کردند و اجازه می‌دادند این سیگنال‌ها روی امواج رادیویی قرار بگیرند. در سال ۱۹۱۸، ادوین آرمسترانگ (Edwin Howard Armstrong) “گیرنده سوپرهترودین ” را اختراع کرد که می‌توانست از بین سیگنال‌ها یا ایستگاه‌های رادیویی انتخاب کند و سیگنال‌های دور را دریافت کند. در نتیجه، پخش رادیویی در دهه ۱۹۲۰ رشد نجومی داشت. آرمسترانگ همچنین مدولاسیون فرکانس پهن باند (FM) را در سال ۱۹۳۵ اختراع کرد. پیش از آن، فقط مدولاسیون AM یا دامنه از سال ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۵ استفاده شده بود.

فناوری ارتباطات قبل از جنگ جهانی دوم توانست پیشرفت‌های عظیمی داشته باشد، زیرا لوله‌های تخصصی‌تری برای کاربردهای مختلف ساخته شد. رادیو، به‌عنوان شکل اولیه آموزش و سرگرمی، توسط تلویزیون به چالش کشیده شد. تلویزیون در دهه ۱۹۲۰ اختراع شد، اما تا سال ۱۹۴۷ به طور گسترده در دسترس قرار نگرفت. آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۲۷ تلویزیون را به طور عمومی رونمایی کردند و اولین شکل‌های آن الکترومکانیکی بودند. زمانی که برتری یک سیستم الکترونیکی ثابت شد، مهندسان آزمایشگاه بل (Bell Labs) لوله تصویر پرتو کاتدی و تلویزیون رنگی را معرفی کردند. اما ولادیمیر زورکین (Vladimir K. Zworykin)، مهندس شرکت رادیویی آمریکا (RCA)، به دلیل اختراع لوله تصویر و لوله دوربین نمادین به عنوان “پدر تلویزیون” شناخته می‌شود.

همچنان در تاریخ الکترونیک فرد مشخصی را بعنوان مخترع برق شناخته نشده است.

توسعه تلویزیون به‌عنوان یک دستگاه الکترونیکی از پیشرفت‌های زیادی که در رادار در طول جنگ جهانی دوم ایجاد شده بود، بهره‌مند گشت. رادار محصول مطالعات تعدادی از دانشمندان در بریتانیا در مورد بازتاب امواج رادیویی بود. رادار (RADAR) که مخفف عبارت RAdio Detection And Ranging است، فاصله و جهت یک جسم را با استفاده از پژواک امواج رادیویی اندازه‌گیری می‌کند و از آن برای شناسایی هواپیما و کشتی، کنترل شلیک سلاح، ناوبری و سایر اشکال نظارت استفاده می‌شود. مدار، ویدئو، فناوری پالس و انتقال مایکروویو در زمان جنگ بهبود یافت و بلافاصله توسط صنعت تلویزیون پذیرفته شد. در اواسط دهه ۱۹۵۰، تلویزیون برای استفاده خانگی و سرگرمی از رادیو پیشی گرفت.

تاریخچه الکترونیک؛ ترانزیستور

پس از لوله خلاء، عصر ترانزیستور با اختراع ترانزیستور پیوندی آغاز شد. استفاده از مواد نیمه‌هادی ژرمانیوم و سیلیکون باعث شد تا این ترانزیستورها محبوبیت و استفاده گسترده‌ای در مدارهای الکترونیکی مختلف پیدا کنند.

در واقع، پس از جنگ، از لوله‌های الکترونی برای توسعه اولین کامپیوترها استفاده شد، اما به دلیل اندازه قطعات الکترونیکی، غیرعملی بود. در سال ۱۹۴۷، ترانزیستور توسط تیمی از مهندسان آزمایشگاه بل اختراع شد. جان باردین (John Bardeen)، والتر براتین (Walter Houser Brattain) و ویلیام شاکلی (William Shockley) جایزه نوبل را برای این اختراع بزرگ خود دریافت کردند، اما کمتر کسی می‌توانست تصور کند که ترانزیستور چقدر سریع و چشمگیر جهان را تغییر می‌دهد. ترانزیستور مانند لوله خلاء عمل می‌کند، اما در مقایسه با آن کوچک است، وزن کمتری دارد، انرژی کمتری مصرف می‌کند، بسیار قابل اعتمادتر است و با ترکیبی از اتصالات فلزی و مواد نیمه‌هادی‌ای که دارد، ارزان‌تر است.

تاریخچه الکترونیک؛ مدار مجتمع

سال‌های بعد مدارهای مجتمع (IC) معرفی شد که ماهیت مدارهای الکترونیکی را به‌شدت تغییر داد، زیرا کل مدار الکترونیکی روی یک تراشه یکپارچه شد و کاهش هزینه، اندازه و وزن دستگاه‌های الکترونیکی را به همراه داشت. در سال‌های ۱۹۵۸ تا ۱۹۷۵ آی‌سی‌هایی با چندین هزار المان در یک تراشه واحد معرفی شد. این روند با JFET و MOSFETهایی که از سال ۱۹۵۱ تا ۱۹۵۸ با بهبود فرایند طراحی و با ساخت ترانزیستورهای قابل‌اعتمادتر و قدرتمندتر توسعه یافتند، ادامه یافت.

مفهوم مدار مجتمع در سال ۱۹۵۲ توسط جفری دبلیو دامر (Geoffrey W. A. Dummer)، کارشناس الکترونیک بریتانیایی ارائه شد. در طول دهه ۱۹۵۰، ترانزیستورها به صورت انبوه بر روی ویفرهای تک تولید و از هم جدا می‌شدند. در این ویفرها، ترانزیستورها و دیودها (قطعات اکتیو) و خازن‌ها و مقاومت‌ها (قطعات پسیو) روی یک واحد یا تراشه مسطح ترکیب می‌شد. صنعت نیمه‌هادی و مدار مجتمع سیلیکونی (SIC) به طور همزمان در تگزاس اینسترومنتس (Texas Instruments) و فرچایلد سمیکانداکتر (Fairchild Semiconductor Company) تکامل یافت. در سال ۱۹۶۱، مدارهای مجتمع در تعدادی از شرکت‌ها در حال تولید کامل بود و طراحی تجهیزات به سرعت و در چندین جهت تغییر کرد تا با این فناوری سازگار شود. ترانزیستورهای دوقطبی و مدارهای مجتمع دیجیتال ابتدا ساخته شدند، اما آی‌سی‌های آنالوگ، مدار مجتمع بزرگ (LSI) و مدار مجتمع بسیار بزرگ (VLSI) در اواسط دهه ۱۹۷۰ ساخته شدند. VLSI شامل هزاران مدار با کلیدهای روشن و خاموش یا گیت‌های بین آن‌ها در یک تراشه است. ریزرایانه‌ها، تجهیزات پزشکی، دوربین های ویدئویی و ماهواره‌های ارتباطی تنها نمونه‌هایی از دستگاه‌هایی هستند که توسط مدارهای مجتمع به وجود آمده‌اند.

مدارهای مجتمع دیجیتال یکی از توسعه‌های قوی آی‌سی بود که معماری کلی کامپیوترها را تغییر داد. این آی‌سی‌ها با منطق ترانزیستور – ترانزیستور (TTL)، منطق تزریق یکپارچه (I2L) و منطق امیتر جفت‌شده (ECL) توسعه یافته‌اند. بعدها این آی‌سی‌های دیجیتال از فناوری‌های طراحی ساخت PMOS، NMOS و CMOS استفاده کردند.

همه این تغییرات اساسی در همه این المان‌ها منجر به معرفی ریزپردازنده‌ها در سال ۱۹۶۹ توسط شرکت اینتل (Intel) شد. بلافاصله پس از آن، مدارهای مجتمع آنالوگ توسعه یافتند و یک تقویت‌کننده عملیاتی برای پردازش سیگنال آنالوگ معرفی شد. این مدارهای آنالوگ شامل ضربکننده‌های آنالوگ، مبدل‌های ADC و DAC و فیلترهای آنالوگ است.