エレクトロニクス

エレクトロニクスは、物理学の原理を研究し、応用して、^電子やその他の電荷を帯びた粒子を操作するデバイスを設計、作成、操作する科学および工学の分野です。エレクトロニクスは、トランジスタ、^{ダイオード}、集積回路などの能動デバイスを使用して電流の流れを制御および増幅し、交流(AC)から直流(DC) へ、またはアナログ信号からデジタル信号へなど、ある形式から別の形式に変換する物理学 [ 1] [2]および電気工学のサブフィールドです。

電子機器は、通信、娯楽、教育、医療、産業、セキュリティなど、現代社会の多くの側面の発展に大きな影響を与えてきました。電子機器の進歩の主な原動力は半導体産業であり、世界的な需要に応えて、ますます高度な電子機器や回路を継続的に生産しています。半導体産業は、世界経済で最大かつ最も収益性の高いセクターの1つであり、2018年の年間収益は4,810億ドルを超えています。電子機器産業には、電子商取引など、電子機器やシステムに依存する他のセクターも含まれており、2017年にはオンライン売上高が29兆ドルを超えました。

歴史と発展

1897年にジョセフ・ジョン・トムソン卿が電子を特定し、それに続いて小さな電気信号を増幅・整流できる真空管が発明されたことで、電子工学の分野と電子時代が幕を開けました。^[3]実用的な応用は、 1900年代初頭にアンブローズ・フレミングがダイオードを、リー・ド・フォレストが三極管を発明したことで始まり、これにより無線アンテナからの無線信号などの小さな電圧の検出が可能になりました。

真空管（熱電子管）は、個々の電子の流れに影響を与えることで電流の流れを制御した最初の能動電子部品であり、電流増幅と整流を使用してラジオ、テレビ、レーダー、長距離電話などを実現する機器の構築を可能にしました。電子機器の初期の成長は急速で、1920年代までには商用ラジオ放送と電気通信が普及し、電子増幅器は長距離電話や音楽録音業界などのさまざまな用途で使用されていました。^[4]

次の大きな技術的進歩が現れるまでには数十年かかり、1947年にベル研究所のジョン・バーディーン氏とウォルター・ハウザー・ブラッテン氏によって最初の実用的な点接触トランジスタが発明されました。 ^[5]しかし、真空管は1980年代半ばまで、マイクロ波および高出力伝送、テレビ受信機の分野で主導的な役割を果たしていました。 ^[6] それ以来、固体デバイスがほぼ完全に取って代わりました。真空管は、高出力RFアンプ、ブラウン管、専門的なオーディオ機器、ギターアンプ、一部のマイクロ波デバイスなど、一部の特殊な用途で今でも使用されています。

1955年4月、IBM 608は真空管を使わずにトランジスタ回路を採用した最初のIBM製品であり、商用市場向けに製造された最初のトランジスタ式計算機であると考えられている。 ^[7]^[8] 608には3,000個以上のゲルマニウムトランジスタが搭載されていた。トーマス・J・ワトソン・ジュニアは、将来のすべてのIBM製品の設計にトランジスタを使用するよう命じた。その頃から、トランジスタはコンピュータの論理回路と周辺機器にほぼ独占的に使用されるようになった。しかし、初期の接合型トランジスタは比較的かさばるデバイスであり、大量生産が困難であったため、いくつかの特殊な用途に限定されていた。^[9]

MOSFETは1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]これは、幅広い用途向けに小型化および大量生産が可能になった最初の真にコンパクトなトランジスタでした。[ ^9]その利点には、高いスケーラビリティ、^[16]手頃な価格、^[17]低消費電力、高密度などがあります。^[18]これはエレクトロニクス業界に革命をもたらし、^[19]^[20]世界で最も広く使用されている電子デバイスになりました。^[21]^[22] MOSFETは、ほとんどの現代の電子機器の基本要素です。^[23]^[24]

回路の複雑さが増すにつれ、問題が生じた。^[25]問題の1つは回路のサイズであった。コンピュータのような複雑な回路は速度に依存していた。部品が大きいと、それらを相互接続する配線が長くならざるを得なかった。電気信号が回路を通過するのに時間がかかり、コンピュータの速度が遅くなった。^[25]ジャック・キルビーとロバート・ノイスによる集積回路の発明は、すべての部品とチップを半導体材料の同じブロック（モノリス）から作ることによってこの問題を解決した。回路を小さくすることができ、製造プロセスを自動化することができた。これにより、すべての部品を単結晶シリコンウェーハに統合するというアイデアが生まれ、1960年代初頭には小規模集積回路（SSI）、1960年代後半には中規模集積回路（MSI）、そしてVLSIが続いた。2008年には、10億トランジスタのプロセッサが市販された。^[26]

サブフィールド

デバイスとコンポーネント

電子部品とは、電子システム内の能動部品または受動部品のことである。部品は通常、プリント基板（PCB）にはんだ付けされて接続され、特定の機能を備えた電子回路を形成する。部品は単独でパッケージ化される場合もあれば、集積回路としてより複雑なグループにパッケージ化される場合もある。受動電子部品にはコンデンサ、インダクタ、抵抗器などがあり、能動部品には半導体デバイス、トランジスタ、サイリスタなどがあり、電子レベルで電流の流れを制御する。^[27]

回路の種類

電子回路の機能は、アナログとデジタルの 2 つの機能グループに分けられます。特定のデバイスは、どちらか一方の回路、または 2 つのタイプが混在する回路で構成されている場合があります。アナログ回路は、その機能の多くがデジタル化されているため、あまり一般的ではなくなってきています。

アナログ回路

アナログ回路は、デジタル回路で使用される離散レベルとは対照的に、信号処理に連続した範囲の電圧または電流を使用します。アナログ回路は、ラジオ受信機や送信機などの電子機器の初期の頃には一般的に使用されていました。アナログ電子コンピュータは、デジタル処理が進歩するまで、連続変数の問題を解決するのに役立ちました。

半導体技術の発展に伴い、アナログ回路の機能の多くはデジタル回路に引き継がれ、完全にアナログな現代の回路は一般的ではなくなり、その機能は、例えばアナログ信号を受信するデバイスのフロントエンドでアナログ回路を使用し、その後マイクロプロセッサ技術を使用してデジタル処理を使用するハイブリッドアプローチに置き換えられています。

線形動作と非線形動作の両方の要素を持つ回路は、分類が難しい場合があります。例としては、連続した範囲の電圧を受け取りますが、デジタル回路のように 2 つのレベルのうちの 1 つだけを出力する電圧コンパレータがあります。同様に、オーバードライブされたトランジスタアンプは、基本的に 2 つの出力レベルを持つ制御スイッチの特性を持つことができます。

アナログ回路は、エンターテインメント業界などでの信号増幅や、産業計測および制御などのアナログセンサーからの信号の調整に今でも広く使用されています。

デジタル回路

デジタル回路は、離散的な電圧レベルに基づく電気回路です。デジタル回路はブール代数を使用し、すべてのデジタルコンピュータとマイクロプロセッサデバイスの基礎となります。デジタル回路は、単純な論理ゲートから、数百万のゲートを使用する大規模な集積回路まで多岐にわたります。

デジタル回路は、論理状態を示すために「0」と「1」のラベルが付いた2つの電圧レベルを持つバイナリシステムを使用します。多くの場合、論理「0」は低い電圧で「Low」と呼ばれ、論理「1」は「High」と呼ばれます。ただし、一部のシステムでは逆の定義（「0」は「High」）を使用するか、電流ベースです。ロジック設計者は、設計を容易にするために、これらの定義を回路ごとに逆にすることがよくあります。レベルの「0」または「1」の定義は任意です。^[28]

三値（3つの状態）論理は研究され、いくつかのプロトタイプコンピュータが作られましたが、実用的にはそれほど受け入れられませんでした。^[29]一般的に、コンピュータとデジタル信号プロセッサは、電子論理ゲートにMOSFETなどのトランジスタを使用してバイナリ状態を生成するデジタル回路で構成されています。

高度に統合されたデバイス:

デザイン

電子システム設計は、携帯電話やコンピュータなどの複雑な電子機器やシステムの多分野にわたる設計問題を扱います。この主題は、電子システムの設計と開発（新製品開発）から、その適切な機能、耐用年数、廃棄の保証まで、広範囲にわたります。^{[30]したがって、電子システム設計は、ユーザーの特定の}要件を満たす複雑な電子機器を定義および開発するプロセスです。

電子工学の理論は複雑なため、実験室での実験は電子機器の開発において重要な部分を占めています。これらの実験は、エンジニアの設計をテストまたは検証し、エラーを検出するために使用されます。歴史的に、電子工学実験室は物理的な空間に配置された電子機器と装置で構成されていましたが、近年ではCircuitLogix、Multisim、PSpiceなどの電子工学実験室シミュレーションソフトウェアが主流になっています。

コンピュータ支援設計

今日の電子技術者は、電源、半導体（トランジスタなどの半導体デバイス）、集積回路などの既成の構成要素を使用して回路を設計することができます。電子設計自動化ソフトウェアプログラムには、回路図キャプチャプログラムとプリント回路基板設計プログラムが含まれます。EDAソフトウェアの世界で人気のある名前は、NI Multisim、Cadence（ORCAD）、EAGLE PCB ^[31]およびSchematic、Mentor（PADS PCBおよびLOGIC Schematic）、Altium（Protel）、LabCentre Electronics（Proteus）、gEDA、KiCadなどです。

否定的な性質

熱管理

電子回路によって発生する熱は、即時の故障を防ぎ、長期的な信頼性を向上させるために放散されなければなりません。熱放散は主に受動的な伝導/対流によって行われます。放散を高める手段には、空冷用のヒートシンクやファン、水冷などの他のコンピュータ冷却方法があります。これらの技術は、熱エネルギーの対流、伝導、および放射を利用します。

ノイズ

電子ノイズは、有用な信号に重畳され、その情報内容を不明瞭にする傾向のある不要な妨害として定義されます^{[32] 。ノイズは、回路によって引き起こされる信号歪みとは異なります。ノイズはすべての電子回路に関連しています。ノイズは電磁気的または熱的に生成される可能性があり、回路の}動作温度を下げることで減少させることができます。ショットノイズなどの他の種類のノイズは、物理的特性の制限によるものであるため、除去することはできません。

包装方法

長年にわたり、さまざまな方法でコンポーネントを接続してきました。たとえば、初期の電子機器では、回路を構築するために、コンポーネントを木製のブレッドボードに取り付けてポイントツーポイント配線を使用することがよくありました。コードウッド構造やワイヤーラップも使用された方法でした。現代の電子機器のほとんどは、FR4や、より安価で耐久性の低い合成樹脂結合紙 ( SRBP、別名 Paxoline/Paxolin (商標) および FR2) (茶色が特徴) などの材料で作られたプリント基板を使用しています。電子機器の組み立てに関連する健康と環境への懸念は、近年、特に欧州市場向けの製品で注目を集めています。

電気部品は一般的に次の方法で取り付けられます。

スルーホール（「ピンスルーホール」と呼ばれることもあります）
表面実装
シャーシマウント^{[説明が必要]}
ラックマウント
LGA / BGA / PGAソケット

業界

エレクトロニクス産業は様々な分野から成り立っています。エレクトロニクス産業全体を牽引しているのは半導体産業です。^[33] 2018年の時点で年間売上高は4,810億ドルを超えています^。[34]最大の産業分野は電子商取引で、2017年には29兆ドル以上の売上を上げました。 ^[35]最も広く製造されている電子機器は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）で、1960年から2018年の間に推定1360兆個のMOSFETが製造されました。^{[36] 1960年代、米国の製造業者は、高品質の製品を低価格で生産できる}ソニーや日立などの日本企業と競争することができませんでした。しかし、1980年代までに、米国の製造業者は半導体の開発と組み立てで世界をリードするようになりました。^[37]

しかし、1990年代以降、豊富で安価な労働力とますます高度化する技術が広く利用できるようになったため、産業は圧倒的に東アジアに移行しました（ 1970年代にマイクロチップの大量生産が東アジアで最初に開始されたことからこのプロセスが始まりました）。^[38]^[39]

30年間で、米国の半導体製造能力の世界シェアは、1990年の37%から2022年には12%に低下しました。^[39]アメリカの代表的な半導体メーカーであるインテル社は、製造技術において下請けの台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング・カンパニー（TSMC）に大きく遅れをとりました。 ^[38]

当時、台湾は世界有数の先進半導体の供給国となっていた^[39]^{[38] 。次いで}韓国、アメリカ、日本、シンガポール、中国が続いていた^[39]^[38]。

重要な半導体産業施設（多くの場合、他の場所に拠点を置く大手メーカーの子会社）は、ヨーロッパ（特にオランダ）、東南アジア、南米、イスラエルにも存在します。^[38]

参照

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

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