27 вересня 2016 року на фізико-математичному факультеті у присутності членів вченої ради факультету та викладачів кафедри фізики та методики її викладання відбулося урочисте відкриття відділу історії елементної бази електроніки Музею Історії техніки, який розмістився аудиторії 508 факультету . Саме в цій аудиторії працює лабораторія спеціального фізичного практикуму, де студенти досліджують фізичні й оптичні властивості діелектриків, напівпровідників та інших матеріалів.

Прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато у чому зумовлений успіхами електроніки, яка за останні двісті років змінила людство, пройшовши шлях від примітивних електростатичних досліджень, до створення унікальних роботів і квантових комп'ютерів. Суттєві досягнення в галузі електроніки розпочалися з кінця XIX ст. і пов'язані з відкриттям електрона та розвитком електровакуумної техніки й електронних вакуумних ламп.

Початком розвитку лампової техніки прийнято вважати винахід О.М. Лодигіним 1873 р. електричної лампи розжарювання. На базі цього винаходу1883 р. Т.А. Едісон відкрив і описав явище термоелектронної емісії та проходження електричного струму через вакуум. Найважливішу роль в розвитку електроніки мало відкриття О.С. Поповим в 1895 р. можливості передачі радіохвиль на відстань. Вважається, що саме це відкриття дало величезний імпульс для розвитку та впровадження різних електронних приладів в практику. З'явився попит на пристрої для генерації, підсилення і детектування електричних сигналів. І тому вже перша половина ХХ ст. характеризується розробкою та вдосконаленням електровакуумних приладів і систематизованим вивченням їх фізичних властивостей.

Перший стенд даного відділу Музею Історії техніки демонструє, що використання електронних приладів у радіотехніці розпочалося з того, що у 1904 р. англійський вчений Дж.А. Флемінг застосував двоелектродну лампу-діод із розжареним катодом для детектування високочастотних коливань у радіоприймачі, а 1906 р. JI.де Форест увів у лампу-діод керуючу сітку, тобто створив перший вакуумний тріод, який ще й зараз у деякій електронній техніці використовується для підсилення електричних сигналів. Важливим винаходом того періоду є ідея Б.Л. Розінга щодо використання електронно-променевої трубки для приймання телевізійних зображень.

1918 р. починає працювати Нижегородська радіолабораторія під керівництвом М.А. Бонч-Бруєвича − перша вітчизняна науково-дослідна установа з питань радіо і електровакуумної техніки. Вже 1919 р. в ній були виготовлені перші зразки вітчизняних приймально-підсилювальних радіоламп, а в 1921 р. розроблені перші потужні електронні лампи з водяним охолодженням. У 1924 р. були винайдені чотирьохелектродні лампи (тетроди), а в 1930 р. − п'ятиелектродні (пентоди) вакуумні лампи.

Від початку 1930-х років з'явилася серія економічних ламп в скляному оформленні (УБ-107, УБ-110, СБ-154 і т.д.). Радіоприймачі, які працювали на таких лампах, були батарейним (РПК, БІ-234). З 1935 р. поширилася так звана «4-вольтова» серія − скляні лампи непрямого розжарення, що застосовувалися в приймачах прямого підсилення з мережевим живленням (ЕЧС, ЕКЛ) і перших радянських супергетеродинах (ЦРЛ).

На першому стенді представлені радіолампи, які з успіхом використовувались в польових радіостанціях до 1950-х років.

Вакуумні термістори типу ТП-2/0,5, які слугували для стабілізації струму. Представлено також унікальну розробку початку 1950-х рр. − подвійний детекторний діод 2Х1Л, − його особливість: загальний катод непрямого розжарення, понижена напруга нитки розжарення (2,2 В замість традиційних 6,3 В), призначений для роботи в частотних і амплітудних детекторах і дискримінаторах польових радіостанцій та іншої апаратури. Поширений у військовій радіоапаратурі в 1950-х рр., а його скляна версія − 6Х6С використовувалася в побутових радіоприймачах «Балтика», «Мир», «Іртиш» і багатьох інших у 1950-60-х рр. та її пальчиковий аналог 6Х2П, який використовувався аж до «заходу» лампової електронної техніки в середині 1970-х.

Серед цікавих історичних ламп 4П1Л – лампа-пентод з досить економічним розжарюванням катода (4,2 В, 325 мА), призначена для генерування і підсилення сигналів частотою до 100 МГц. Використовувалась від початку у військовій радіоелектроніці та радіорелейних ретрансляторах, у 1960-х рр. набула значної популярності в радіоаматорів у підсилювачах низької частоти. Цікаво, що нитка розжарення має «середню точку», а це дозволяє подавати на неї лише половину напруги − 2,1 В.

Кенотрон ВО-188 − двоханодний прямого розжарення, призначений для випрямлення змінної напруги струму промислової частоти. Виготовлялась у 1940-50-х рр.

Тріод з катодом непрямого розжарення 6С8С призначений для генерації коливань високої частоти в імпульсному режимі. Лампа 6С8С виконана в скляному корпусі з октальним (8 вивідних контактів) цоколем і окремими верхніми виводами анода і сітки.

Гептод-перетворювач 6А10С призначений для перетворення частоти, − застосовувався в супергетеродинних побутових приймачах і вимірювальній апаратурі (з 1951 р.). Дана лампа виконувалась в метало-скляному корпусі з октальним цоколем, має оксидний катод непрямого розжарення.

У кінці 40-х та в 50-ті рр. у радіоаматорів були популярними електронні лампи виробництва США, які вилучались з американських польових радіостанцій, а також їхні вітчизняні аналоги. На стенді представлені унікальні екземпляри таких радіоламп: 6SJ7 та вітчизняний аналог 6Ж8 – це лампи-пентоди для високоякісних підсилювачів низької частоти; VT136 та вітчизняний аналог Г-807 − променевий тетрод, призначений для підсилення і генерування коливань високої частоти, − застосовувався в передавальних пристроях, в каскадах рядкової розгортки телевізійних приймачів і в кінцевих каскадах потужності низької частоти.

На стенді представлені також різні неактивні (пасивні) елементи, характерні для лампових електронних пристроїв: конденсатори, резистори, дроселі тощо, а також зразок електронно-променевої трубки статичного відхилення – основний елемент осцилографів і осцилоскопів, призначених для спостереження форми електричних імпульсів. В районі цоколя трубки розташована «електронна гармата», що створює потік електронів. Після модуляції за інтенсивністю та відхилення за допомогою відповідних електродів він потрапляє на флуоресцентний екран, на якому і формується досліджуваний електронний промінь.

Перед початком Другої світової війни в СРСР виникла радіоелектронна промисловість цілком на світовому тодішньому рівні. У той же час авіація та сухопутна бронетехніка, в першу чергу, потребували малогабаритної радіоапаратури, однак елементна база була застарілою і не дозволяла істотно зменшити габарити, вагу, енергоспоживання.

Недоліки електронних ламп: великі розміри, громіздкість, інколи − низька надійність пристроїв, що мали велику кількість ламп (так, у перших комп'ютерах використовувалися тисячі ламп), необхідність у додатковій енергії для нагріву катода, велике виділення тепла.

Наступний стенд ілюструє історію розвитку дискретних напівпровідникових приладів з кінця 40-х до початку ХХІ ст.

Одним із найперших напівпровідникових електронних приладів можна вважати твердотільний фоторезистор із селену, винайдений у США У. Смітом 1873 р., хоча впродовж десятків років напівпровідникова електроніка залишалась в зародковому стані.

Розвитку напівпровідникової електроніки передували роботи в галузі фізики твердого тіла. Величезні заслуги вивчення фізики напівпровідників належать школі вітчизняних фізиків, тривалий час очолюваної академіком А.Ф. Іоффе. Теоретичні та експериментальні дослідження електричних властивостей напівпровідників, виконані А.Ф. Іоффе, І.В. Курчатовим, І.Є. Таммом, В.Є. Лашкарьовим й іншими, дозволили створити струнку теорію напівпровідників і визначити шляхи їх застосування.

Вважається, що революцію в електроніці справив винахід 1947 р. інженерами фірми Bell Laboratories Дж. Бардіним, В. Браттейном і В. Шоклі напівпровідникового трьохелектродного підсилювача − першого точкового біполярного транзистора. За це відкриття всі вони отримали 1956 р. Нобелівську премію з фізики.

Однак, починаючи з 1947 р. в СРСР також інтенсивно велися роботи в галузі напівпровідникових підсилювачів – це відомі лабораторії під керівництвом С.Г. Калашникова та О.В. Красилова. Так, 15.11.1948 р. в журналі «Вісник інформації» О.В. Красилов опублікував статтю «Кристалічний тріод». Це була перша публікація в СРСР про транзистори. Таким чином, перший вітчизняний транзистор був створений незалежно від робіт американських вчених.

Перші точкові транзистори починаючи з 1950 р. розробляються також В.Є. Лашкарьовим в лабораторії при Інституті фізики АН Української РСР, а з 1953 р. − починають випускатись серійно.

З появою транзисторів починається період підкорення електроніки напівпровідниками. Здатність транзисторів працювати при низьких напругах і струмах дозволила значно зменшити розміри всіх елементів у схемах, відкрила можливість мініатюризації радіоелектронної апаратури. Одночасно з розробкою нових типів приладів велися роботи із вдосконалення технологічних методів їх виготовлення.

1956 р. були створені перші кремнієві сплавні низькочастотні транзистори П104-П106, у 1956-57 рр. − германієві П401-П403 (розраховані на частоту 30-120 МГц), в 1957 р. − П418 (500 МГц) ... Транзистори П401 були використані в передавачі першого штучного супутника Землі (1957 р.).

Цей період вважається початком промислового випуску напівпровідникових приладів в СРСР. У 1957 р. вітчизняна промисловість випустила 2,7 млн. транзисторів.

Втім, в цьому ми сильно відставали від США, в яких випуск транзисторів в цьому ж році становив 28 млн. штук, а число різних типів досягло 600.

На другому стенді представлені зразки дискретних напівпровідникових приладів: від селенових випрямлячів, германієвих та кремнієвих точкових і площинних діодів – до тиристорів та біполярних і польових транзисторів різної потужності, робочої частоти, коефіцієнтів підсилення. Також на цьому стенді розміщено приклади найбільш поширених у 1960-70-ті рр. функціональних блоків різної електронної апаратури: збірка місткового випрямляча на діодах; універсальний підсилювач на кремнієвих транзисторах малої потужності; типовий регулятор потужності на тиристорі тощо.

Випуск перших вітчизняних серійних напівпровідників − купроксних і селенових вентилів було розпочато в 1942-43 рр. До речі, одним із напрямків цієї роботи керував В.Є. Лашкарьов. Так, 1940 р. В.Є. Лашкарьов показав, що в міднозакисних і селенових випрямлячах запірний шар розташований не на самій поверхні напівпровідника, а в його об’ємі на невеликій глибині від поверхні, причому поверхневий шар напівпровідника випрямляча характеризується провідністю іншого типу, ніж увесь інший його об’єм, що знаходиться з іншої сторони від запірного шару. Таке уявлення про запірний шар дало можливість пояснити той факт, що в кристалічних діодах ефект випрямлення, не залежить від природи металу контактної пружинки. Упродовж 1941-44 рр. В.Є. Лашкарьов працював в науково-дослiднiй установi Miнiстерства eлектронiки (м. Уфа), де розробив та добився промислового випуску потужних мiднозакисних випрямлячів для живлення польових вiйськових радіостанцій.

Експлуатаційні властивості селенових вентилів відрізняють їх від інших типів вентилів настільки, що в окремих випадках вони виявляються незастосовні, а в інших − стають незамінними. Завдяки цим властивостям селенові прилади прожили надзвичайно довге життя, аж до розпаду СРСР; а окремі типи випускалися до 2000-х років. До переваг селенових випрямлячів в першу чергу відносяться: стійкість до струмових перевантажень і до перевантажень за напругою і їх висока надійність, оскільки короткочасні перевантаження (в 2-5 разів), що повторюються з великими інтервалами, витримуються селеновими вентилями безболісно. Слід звернути увагу, що навіть якщо в результаті перенапруги селеновий елемент буде пробитий, то це не виведе його з ладу, а лише трохи змінить хід його вольт-амперної характеристики. Завдяки цій властивості селенові випрямлячі знайшли широке застосування в такій апаратурі, яка за родом роботи пов'язана з частим перемиканням під напругою, багаторазовим включенням і вимиканням, різкою зміною режимів роботи. Сюди відносяться магнітні підсилювачі, зварювальні апарати, електрообладнання металообробних верстатів, підйомні крани, зарядні пристрої тощо.

Серед найцікавіших експонатів цієї частини експозиції: пакетний селеновий випрямляч АВС 120-270, котрий зібрано за однофазною двотактною схемою. Він укладений у пластмасовий прямокутний корпус з алюмінієвим зовнішнім тепловідводом. Випрямляч повинен щільно кріпитися безпосередньо до шасі, що сприяє доброму охолодженню. Його робочі характеристики: випрямлена напруга 270−296 В, випрямлений струм 120 мА, термін служби не менше 2000 год. У 60-ті роки минулого століття такі випрямлячі широко застосовувалися в побутовій радіомовній апаратурі.

Діод ДГ-Ц24. Серія діодів ДГ-Ц21 − ДГ-Ц24 розроблена 1954 р. і відразу ж знайшли застосування в телевізорах. Справа в тому, що практично одночасно з початком серійного випуску цих діодів був прийнятий нормативний документ, що жорстко обмежує максимальну споживану потужність розроблених нових телевізорів. І розробники вжили низку заходів, що знижують цю потужність. У тому числі замінили кенотронний випрямляч (ККД якого не вище 70%) на випрямляч з германієвими діодами (ККД 98-99%). Оскільки ДГ-Ц24 – низьковольтний діод, їх ставили послідовно кілька штук, шунтуючи резисторами для рівномірного розподілу зворотної напруги.

Тріод германієвий площинний П1А (випущений 1957 р. з Інструкцією щодо його характеристик та використання).

Перші імпульсні транзистори П13 і П14 – дана серія є комплементарними до транзисторів П10, П11, які випускались з 1956 р., т.б. це їх дзеркальні копії зі зворотним типом провідності. У наступні роки з'являлося чимало таких комплементарних пар: наприклад ГТ311 і ГТ313, КТ315 і КТ361, ГТ402 і ГТ404 і ін.

У таких транзисторах була значна потреба для розробки компактних, швидкодіючих та енергоощадних ЕОМ. Якраз транзистори серії П13 − П16 і були застосовані в ЕОМ «Радоні» (1957-1964 рр.). Більш того, незважаючи на відносно невисокі частотні властивості цих транзисторів було зроблено численні спроби побудови на транзисторах П6, П13... П16 нових логічних схем, процесорів й інших пристроїв.

Транзистори П13−П16 і їх модифіковані версії МП13−МП16 і МП39−МП42 − це ціла епоха в розвитку вітчизняної електроніки. Чимала частина апаратури спеціального призначення та побутової техніки 60-х рр. була побудована з використанням цих транзисторів.

Перші вітчизняні германієві потужні транзистори П4 (з різними індексами П4А(Э)-П4Д(Э), П4П, П4У, МП4А, МП4Б). Розробниками їх були, до речі, О.В. Красилов і С.Г. Мадоян − саме ті інженери, які 1949 р. створили перший в СРСР макет транзистора. Транзистори ці масово використовувались з кінця 1950-х аж до 80-х рр. і у військовій апаратурі, і в побутових пристроях як підсилювачі звукової частоти, лінійних стабілізаторах напруги, імпульсних перетворювачах. Варто відзначити, що у якості модернізованих версій П216-П217 ці транзистори використовувались ще 10-15 років. В кінці цього періоду вони, очікувано, отримали статус неперспективних, з рекомендацією заміни на кремнієві КТ816 для цивільного виконання, і на 2Т830 для військового.

Ще один із раритетів цього стенду транзистор П210 − германієві сплавні транзистори p-n-p великої потужності низької частоти. Призначені для застосування в підсилювачах низької частоти, перемикаючих схемах, блоках живлення. Розраховані на потужність до 60 Вт. Як і транзистори П4 зазнали безліч модифікацій, використовувались до 1990-х рр.

Розвиток сучасної промислової електроніки нерозривно пов’язаний із досягненнями мікроелектроніки, яка, у свою чергу, базується на інтегральній технології. Остання дозволила отримувати вузли електронних пристроїв, перш за все інформаційної електроніки, в мікровиконанні − у вигляді інтегральних мікросхем. Саме цьому присвячено третій стенд нашої експозиції.

У кінці 1950-х вже був створений транзистор стрімко розвивалася радіо- і телевізійна схемотехніка, не кажучи вже про комп'ютерну. Все це вимагало пошуку рішень для мініатюризації, споживчий ринок потребував здешевлення апаратури. Ідея викинути зі схеми на напівпровідникових транзисторах і діодах все зайве (монтажні панелі, дроти, корпуси й ізолятори), зібравши в одну «цеглинку» її основу − n-p-переходи, − неминуче повинна була прийти в голову кому-небудь. Так і сталося. «Батьком інтегральної мікросхеми» прийнято вважати Дж. Кілбі, співробітника Texas Instruments, удостоєного у 2000 р. Нобелівської премії з фізики за винахід інтегральної мікросхеми. Справедливості заради слід визнати, що конструкція германієвої мікросхеми Кілбі була практично непридатна для промислового освоєння, чого не можна сказати про розроблену Р. Нойсом кремнієвої планарної мікросхеми. 1961 р. компанія Fairchild Semiconductor, яку очолював Р. Нойс, першою в світі налагодила комерційне виробництво напівпровідникових мікросхем, і з тих пір в електронній техніці замість великої кількості транзисторів стали застосовуватися мікросхеми. Розміри електронних пристроїв різко зменшилися, з'явилися нові функціональні можливості. З допомогою інтегральних схем почали створювати високонадійні та швидкодіючі системи, які відразу знайшли застосування в космічній і військовій галузях. Всі сучасні телефони, смартфони, планшетні та настільні комп'ютери, ноутбуки та інші гаджети − це результат впровадження інтегральних схем.

1962 р. на Ризькому заводі напівпровідникових приладів було отримано перші в СРСР дослідні зразки германієвої мікросхеми 2НІ-АБО, що отримала заводське позначення Р12-2. Вона містила два германієвих p-n-p-транзистора із загальним навантаженням у вигляді розподіленого германієвого резистора р-типу. А до кінця року завод випустив перші п'ять тисяч таких мікросхем.

На третьому стенді представлені деякі унікальні мікросхеми вітчизняного виробництва. За завданням Міністерства електронної промисловості 1970 р. був створений перший в СРСР і Європі мікрокалькулятор на 4-х великих інтегральних схемах (ВІС) МОП-БІС зі ступенем інтеграції до 500 транзисторів на кристалі. ВІС калькулятора включали два числових регістра пам'яті, три кільцеві лічильники синхронізації, регістр введення даних, шифратор, дешифратор і мікропрограмний автомат. Усі ВІС виготовлялися на дослідному заводі НДІ «Мікроприлад» (м. Київ), збірка мікрокалькуляторів проводилася в м.  Світловодську, де знаходилася філія дослідного заводу, пізніше – завод «Калькулятор». Одна з таких мікросхем К1ЖГ453 (або К145ХК3П –за сучасним маркуванням) − регістр введення даних, − виготовлялась спочатку в металевому корпусі, пізніше – в пластмасовому. Її розміри 1,8х5 см, маса 5,5 г, а еквівалентна схема не помістилась би на одному аркуші А4!

Ця мікросхема використовувалась в калькуляторах ЕПОС-73 тип Б3-11, а також у калькуляторах Б3-02, Б3-05, Б3-12, ІСКРА-210, Електроніка 4−71Б. Довгий час такі ВІС вироблялись на підприємствах «Електронприлад» (м. Фрязіно), «Квазар» (м. Київ), «Родон» (м. Івано-Франківськ) та «Гравітон» (м. Чернівці).

На увагу заслуговує й цифрова інтегральна мікросхема транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ-логіки) К155ЛА3, виробництва радянських часів. Вона містить 4 логічних елемента (вентиля) 2 І-НІ, Усередині міститься 56 таких елементів, її маса не більше 1 г. Широко застосовувалася в побутовій апаратурі, часто використовувалася радіоаматорами при створенні різних пристроїв на основі цифрових мікросхем.

 

Мікросхема К176ЛП1 є логічним універсальним елементом, містить 9 інтегральних елементів − 6 польових (МОН – метал-окисел-напівпровідник) транзисторів і 3 діода. К176ЛП1 займає особливе місце серед інших мікросхем КМОН-серій. Її так умовно називають бо у неї входять три комплементарних (К) МОН-транзистори з каналом р-типу і три транзистора з каналом n-типу, частково з'єднаних між собою. Шляхом зовнішніх з'єднань з цієї мікросхеми можна отримати три окремих інвертора: інвертор з потужним виходом, тривходовий елемент АБО-НІ, тривходовий елемент І-НІ, елемент АБО-І-НІ, мультиплексор на два входи.

На стенді також представлена мікросхема К140УД1, яка розроблялась як операційний підсилювач загального призначення. Термін «операційний підсилювач» спочатку позначав конкретний тип підсилювача, що застосовується в аналогових обчислювальних машинах для виконання чисто математичних операцій, таких як підсумовування, віднімання, інтегрування і диференціювання. Однак багатосторонні можливості операційного підсилювача зробили його основним уніфікованим вузлом практично в будь-якій області електроніки. Їх використовуються у якості перетворювачів, стабілізаторів напруги, активних фільтрів, генераторів функцій, аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, а також багатьох інших пристроїв.

На третьому стенді також показані деякі функціональні елементи пристроїв електроніки на різних структурних елементах: блок транзисторно-діодної логіки від фотолітографічної машини 1970-х рр., зібраний на дискретних елементах транзистор-діод-резистор; сучасні блоки логіки і накопичення інформації на мікросхемах.

Для порівняння приведено реальні блоки живлення транзисторної електроніки 1970-80-х на дискретних елементах без понижувального трансформатора, який за розмірами та вагою значно поступається сучасному імпульсному блоку живлення. Аналогічно подано два дистанційних пульти керування вітчизняними телевізорами 1990-х рр. (збирались на мікросхемі КС1566, мали інші дискретні елементи (транзистори, конденсатори тощо) і живлення 9 В та аналогічний блок сучасних телевізорів на одній мікросхемі із живленням 3 В.

На даному стенді є й інші цікаві експонати: перший вітчизняний автоприймач «Гродно» з використанням мікросхеми у підсилювачі низької частоти та сучасний багатодіапазонний FM-приймач на одній мікросхемі; плата переносного телевізора чорно-білого зображення «Юність-401» повністю на дискретних елементах та багато інших.

Останній стенд присвячено вітчизняним основоположникам вчення про напівпровідники та розвитку технології напівпровідників. Зрозуміло, що ця частина експозиції може бути доповнена ще багатьма вченими, науковцями та практиками, які в останні десятиліття зробили величезний внесок в науку про напівпровідники та в технологію напівпровідників.