i electrònica | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

electrònica

electrónica (es), electronics (en)
substantiu femeníf
Electrònica i informàtica
electrónica (es), electronics (en)
electrònica electròn
Part de la física que estudia els fenòmens i els dispositius basats en el moviment i el control del trànsit de partícules carregades en un gas, en el buit o en materials sòlids, com són els semiconductors i aïllants, sota la influència de forces elèctriques i magnètiques.

Els principis fonamentals d’electrònica són l’emissió termoiònica, l’efecte fotoelèctric i les propietats dels semiconductors i dels cristalls.

El desenvolupament de l’electrònica com a ciència és recent, i gràcies a les seves aplicacions tècniques ha impel·lit considerablement el de la indústria. Crookes obtingué els primers electrons lliures amb el seu tub, i l’any 1886, Hertz, aplicant la teoria de Maxwell, descobrí la manera de produir ones electromagnètiques, bé que fins a la fi del s XIX no tingueren aplicació pràctica. El primer a descobrir i a aconseguir la transmissió d’ones a gran distància fou Marconi. Això oferí la possibilitat de desenvolupar els mitjans de comunicació sense fils. Però el fet inicial que donà l’impuls definitiu a l’electrònica fou el descobriment de la vàlvula electrònica o díode. Ja l’any 1884 Edison havia observat l’emissió d’electrons d’un filament incandescent dins una bombeta de buit; introduint-hi una placa metàl·lica positiva trobà que el corrent electrònic passava del filament a la placa, però no al revés, bé que de moment no hi veié cap aplicació pràctica. El 1904, descoberta ja la llei que regula l’emissió d’electrons per incandescència, John Fleming, deixeble d’Edison, utilitzant aquests coneixements, inventà el díode, que pel seu caràcter rectificador fou emprat en radiotelegrafia i constitueix l’origen de tots els tubs ideats posteriorment. Lee de Forest modificà el díode afegint-li un tercer elèctrode, en forma de reixa, entre el filament i la placa, i creà, així, el tríode, que permeté l’amplificació i la generació d’ones electromagnètiques i féu possible la radiotelegrafia i la radiodifusió i que constituí el fonament de les tècniques d’alta freqüència. El tríode fou successivament modificat i millorat mitjançant la introducció de més elèctrodes reguladors, i així foren obtinguts els tubs multielectròdics (tètrode, pèntode, òctode, etc). Més tard foren elaborats els tubs de gas (tiratró, ignitró, excitró, etc). Les ones curtes i ultracurtes poden ésser orientades cap a direccions ben definides; aquest avantatge conduí a la invenció del radar i del magnetró i també d’aparells per a estudis astronòmics (radioastronomia). El tub de raigs catòdics permet d’aconseguir una representació visual d’una tensió elèctrica i és la base de la televisió i de l’oscil·loscopi. El tub de Coolidge fa possible la generació de raigs X. Un altre dels descobriments més importants fou el de l'efecte fotoelèctric, interpretat per Einstein l’any 1905 en termes de mecànica quàntica, el qual constitueix el fonament de les cèl·lules fotoelèctriques. El desenvolupament de la mecànica ondulatòria per De Broglie el conduí, l’any 1924, a formular la hipòtesi de la natura corpusculoondulatòria de l’electró, confirmada el 1927 per la descoberta de la difracció dels electrons a través de cristalls. La utilització de camps magnètics i elèctrics per a concentrar els electrons facilità el desenvolupament de l’òptica electrònica i la construcció, el 1937, del primer microscopi electrònic. Paral·lelament, es desenvolupà una altra part de la física, la física de l’estat sòlid, que estudia i relaciona les propietats dels cristalls amb els efectes elèctrics i magnètics. Dins d’aquest camp, cal esmentar el desenvolupament de la teoria de les bandes d’energia (banda d’energia), en els sòlids, que permet d’explicar les característiques i propietats dels materials semiconductors i aïllants. Però el descobriment més important per la seva repercussió ha estat el dels materials semiconductors com el germani i el silici. La millora de les tècniques de creixement de cristalls per l’anomenat mètode de Czochralski permeté d’obtenir els esmentats semiconductors, els quals presenten diferents propietats, segons que siguin de tipus n o p. El descobriment per J.H. Schaff i H.C. Theurer del paper que fan les impureses dels grups III i V, així com el seu control, permeté d’obtenir els primers díodes de junció amb germani (1943) i silici (1944). Durant la dècada dels cinquanta es produí un gran avenç en el camp de la tecnologia que afavorí la generalització de l’ús de l’electrònica d’estat sòlid. Així, l’any 1947, els físics Brattain i Bardeen dels laboratoris Bell, tot estudiant certes propietats dels semiconductors obtingueren el primer transistor de contacte, en pressionar dues sondes de fil d’or pròximes entre si sobre la superfície d’un cristall de germani. Aquest primer transistor era molt deficient, ja que tenia molt poc guany, poca amplada de banda i molt soroll. Shockley deduí que les dificultats provenien dels punts de contacte metàl·lic, proposà el transistor de junció i establí la teoria del seu funcionament. El primer transistor de junció fou obtingut per Shockley i Sparks l’any 1951, però no fou fins el 1954 que als laboratoris de la Texas Instruments s’aconseguí el primer transistor de silici, que havia de revolucionar les tècniques de la indústria electrònica. El transistor efectua una funció semblant a la d’un tríode, però amb l’avantatge que té unes petites dimensions, un baix consum d’energia i una gran robustesa mecànica, així com també una rapidesa de resposta i una fiabilitat elevades. La utilització de les tècniques de difusió posades a punt per G. Moore i el desenvolupament del fotogravat per R.N. Noyce i J. Lest permeteren l’inici de la tecnologia plana (1959). Aquestes millores, juntament amb la posada a punt del creixement epitaxial per part dels laboratoris Bell el 1960, establiren les bases per a la integració de diferents components en una mateixa plaqueta de semiconductor. En aquesta època anaren apareixent una llarga llista d’altres dispositius semiconductors, com el tiristor el 1956, el díode túnel descobert per I. Esaki el 1958 o els díodes electroluminescents (LED) per Allen i Gibbon el 1959 que han fet desenvolupar extraordinàriament l’electrònica industrial. Aquests darrers dispositius estimularen el desenvolupament de noves tècniques de creixement de cristalls, com l’epitàxia en fase líquida, el 1962, que permeté l’obtenció de semiconductors com l’arsenur de gal·li i del primer làser semiconductor fabricat amb aquest material (1962). També són dels anys seixanta la majoria de dispositius semiconductors amb aplicacions en el camp de les microones: J.B. Gunn presentà el díode que porta el seu nom el 1963, i fou seguit per Loach i Johnson el 1964, amb el díode IMPATT per Prager el 1967 amb el TRAPATT i per Wright el 1968 amb el díode BARRIT. Tot i la gran importància d’aquests dispositius discrets, la principal innovació fou introduïda per Kilby, quan el 1958 construí el primer circuit integrat (un oscil·lador) en els laboratoris de la Texas Instruments. El mètode fou millorat per R.N. Noyce de la Fairchild, el qual realitzà una bàscula biestable (flip-flop) tot utilitzant les tècniques de fotogravat i els mètodes de la tecnologia planar. Paral·lelament, fou patentat el primer transistor IGFET, o transistor MOS, el 1962, per Hofstein i Heinnan, que hom aconseguí d’integrar immediatament. El gran avantatge de l’autoalineació imposada per l’òxid i la mínima potència consumida portà al naixement de la tecnologia MOS, que inicià un gran desenvolupament de la microelectrònica. Però la millora de la tècnica MOS no fou possible fins que hom aconseguí de controlar la contaminació del SiO 2 , causada principalment pel sodi; aquestes millores es traduïren en la tècnica NMOS i les memòries EPROM'S. La introducció de la tècnica d’implantació iònica el 1970, constituí un gran avenç que permeté d’obtenir una major densitat d’integració i el desenvolupament de noves tecnologies, tant bipolars com unipolars, derivades de les anteriors (VMOS, CMOS, etc). El desenvolupament de la litografia per projecció òptica, (1973), o per projecció d’ions (1974) permeté de reduir les dimensions de resolució del procés d’integració a menys de 2 μm. El procés LOCMOS desenvolupat per Philips el 1975 féu que l’electrònica pogués orientar-se cada cop més vers la miniaturització, que el circuit integrat a l’últim fos un component electrònic bàsic i que, per tant, prenguessin una enorme importància la microelectrònica i les tècniques d'integració. En aquest sentit, l’aparició de la litografia per raigs X, posada a punt el 1978 al Japó, ha obert el camí cap a la VLSI (Very Large Scale Integration). Un altre camp en evolució és el de l’optoelectrònica, que ha vist l’aparició de diferents tipus de fotoacobladors (fotodíodes, fototransistors i fototiristors) i de cèl·lules fotovoltaiques (de gran aplicació com a cèl·lules solars, cosa que pot representar un gran progrés per a l’aprofitament de l’energia solar); cal esmentar també les noves aportacions degudes a les fibres òptiques, els díodes electroluminescents (LED) i els cristalls líquids (LCD). Tot això ha anat acompanyat del progrés en el camp dels semiconductors (noves tècniques d’obtenció i explicació de nous tipus) i en algunes aplicacions especials s’han començat a utilitzar els superconductors. De totes maneres cal dir que l’aportació més destacable de l’electrònica ha estat, sens dubte, l’aparició del microprocessador i dels microordinadors que poden arribar a representar una altra etapa de la microelectrònica i de la informàtica. Tots aquests avenços de l’electrònica han repercutit, evidentment, en els diferents camps d’aplicació industrial i domèstica. Entre el primer cal esmentar l’automatització, el control i regulació de processos, les comunicacions, els transports, la metrologia i la instrumentació de laboratori. Entre el segon, un dels més coneguts ha estat el de l’electroacústica i les radiocomunicacions, amb l’aparició de grans novetats pel que fa a tocadiscs, magnetòfons, magnetoscopis, altaveus, amplificadors, etc, que han donat un nou impuls a l’alta fidelitat i al vídeo.

Aplicacions tècniques de l'electrònica

L’aplicació de l’electrònica a la indústria i a la tècnica ha esdevingut molt àmplia. Hom ha aconseguit importants progressos en el més bon funcionament de les màquines i en la regularitat de la fabricació, i ha construït aparells que augmenten les possibilitats industrials, com l’escalfament per corrents d’alta freqüència, la transformació de l’energia elèctrica en la forma i en la freqüència convenients, la rectificació, l’amplificació, l’oscil·lació i la multiplicació de tensió, el comandament de motors, els reguladors de velocitat, els commutadors d’avanç, els servomecanismes, el comandament de màquines eines, les mesures electròniques en la investigació industrial (voltímetres electrònics, oscil·loscopis, microscopis electrònics, estroboscopis, tacòmetres, cronòmetres, etc), el control de materials per raigs X i per ultrasons, els comparadors electrònics, els calculadors i altres aparells per al tractament de la informació, el control a distància, etc. Els dispositius electrònics tenen avantatges decisius respecte als dispositius elèctrics ordinaris: amplifiquen un senyal elèctric milions de vegades, funcionen a velocitats molt més elevades, rectifiquen el corrent altern amb més facilitat i rendiment, etc. Es presten, doncs, molt millor a l’automatisme, i amb ells poden ésser construïts servosistemes que actuen com a veritables robots. Darrerament, el desenvolupament de l'electrònica digital ha donat un gran impuls a la informàtica i a les comunicacions.

Col·laboració: 
LlMF / ACCa / JRMLl
Llegir més...