تاريخ هندسة الإلكترونيات

تتناول هذه المقالة تاريخ هندسة الإلكترونيات بالتفصيل . يُعرّف قاموس تشامبرز للقرن العشرين (1972) الإلكترونيات بأنها "علم وتكنولوجيا توصيل الكهرباء في الفراغ أو الغاز أو أشباه الموصلات، والأجهزة القائمة على ذلك". ^{[ 1 ]}

نشأت هندسة الإلكترونيات كمهنة من التطورات التكنولوجية في صناعة التلغراف خلال أواخر القرن التاسع عشر، وفي صناعتي الراديو والهاتف خلال أوائل القرن العشرين. انجذب الناس إلى الراديو، مفتونين بالسحر التقني الذي أثاره، أولًا في الاستقبال ثم في الإرسال. ^{[ 2 ]} كان العديد ممن دخلوا مجال البث الإذاعي في عشرينيات القرن الماضي قد أصبحوا "هواة" في الفترة التي سبقت الحرب العالمية الأولى . ^{[ 3 ]} نشأ تخصص هندسة الإلكترونيات الحديث إلى حد كبير من تطوير معدات الهاتف والراديو والتلفزيون، والكم الهائل من تطوير الأنظمة الإلكترونية خلال الحرب العالمية الثانية ، بما في ذلك الرادار والسونار وأنظمة الاتصالات والذخائر وأنظمة الأسلحة المتقدمة. في فترة ما بين الحربين، كان يُعرف هذا المجال باسم هندسة الراديو . بدأ استخدام مصطلح " الإلكترونيات" في أربعينيات القرن الماضي. ^{[ 4 ]} وفي أواخر خمسينيات القرن الماضي، بدأ مصطلح " هندسة الإلكترونيات" بالظهور.

بدأت المختبرات الإلكترونية ( مثل مختبرات بيل ) التي أنشأتها ودعمتها الشركات الكبرى في صناعات أجهزة الراديو والتلفزيون والهاتف، في إنتاج سلسلة من التطورات الإلكترونية. وقد أحدث اختراع الترانزستور الأول ثورة في صناعة الإلكترونيات ، حيث ظهر عام 1948، ثم شريحة الدائرة المتكاملة عام 1959، ^{[ 5 ] [ 6 ]} ثم ترانزستور MOSFET المصنوع من السيليكون (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) عام 1959. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وفي المملكة المتحدة، أصبح تخصص هندسة الإلكترونيات منفصلاً عن الهندسة الكهربائية كتخصص جامعي في حوالي عام 1960. (قبل ذلك، كان على طلاب الإلكترونيات والتخصصات ذات الصلة، مثل الراديو والاتصالات، الالتحاق بقسم الهندسة الكهربائية في الجامعة، لعدم وجود أقسام متخصصة في الإلكترونيات في أي جامعة. وكانت الهندسة الكهربائية أقرب تخصص يمكن ربط هندسة الإلكترونيات به، على الرغم من أن أوجه التشابه في المواد الدراسية (باستثناء الرياضيات والكهرومغناطيسية) كانت تقتصر على السنة الأولى من الدورات الدراسية التي تستغرق ثلاث سنوات).

لقد سهّلت هندسة الإلكترونيات (حتى قبل أن تكتسب هذا الاسم) تطوير العديد من التقنيات بما في ذلك التلغراف اللاسلكي والراديو والتلفزيون والرادار وأجهزة الكمبيوتر والمعالجات الدقيقة .

اختُرعت بعض الأجهزة التي مكّنت من التلغراف اللاسلكي قبل عام 1900. وتشمل هذه الأجهزة جهاز إرسال الشرارة الكهربائية وجهاز التماسك ، مع عروض توضيحية مبكرة ونتائج منشورة لديفيد إدوارد هيوز (1880) ^{[ 9 ]} وهينريش رودولف هيرتز (1887-1890) ^{[ 10 ]} ، وإضافات أخرى في هذا المجال من إدوارد برانلي ، ونيكولا تيسلا ، وأوليفر لودج ، وجاجاديش تشاندرا بوس ، وفرديناند براون . وفي عام 1896، طوّر غولييلمو ماركوني أول نظام اتصالات عملي واسع الانتشار يعتمد على الموجات الراديوية. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

بدأ جاغاديش تشاندرا بوس أبحاثه في مجال الاتصالات بالموجات المليمترية خلال الفترة من 1894 إلى 1896، حيث حقق ترددًا عاليًا للغاية يصل إلى 60 جيجاهرتز في تجاربه. ^{[ 13 ]} كما أدخل استخدام وصلات أشباه الموصلات للكشف عن الموجات الراديوية، ^{[ 14 ]} عندما حصل على براءة اختراع كاشف البلورات الراديوية عام 1901. ^{[ 15 ] [ 16 ]} 

في عام ١٩٠٤، اخترع جون أمبروز فليمنج ، أول أستاذ للهندسة الكهربائية في جامعة لندن، أول صمام راديوي ، وهو الصمام الثنائي . ثم في عام ١٩٠٦، طور روبرت فون ليبن ولي دي فورست بشكل مستقل صمام التضخيم، المعروف باسم الصمام الثلاثي . ويُعتقد أن الإلكترونيات بدأت باختراع الصمام الثنائي. وفي غضون عشر سنوات، استُخدم هذا الجهاز في أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية ، بالإضافة إلى أنظمة المكالمات الهاتفية بعيدة المدى .

أدى اختراع مضخم التريود والمولد والكاشف إلى جعل الاتصالات الصوتية عبر الراديو عمليةً عملية. ( استخدم ريجينالد فيسيندين في عمليات إرساله عام 1906 مولدًا كهروميكانيكيًا ). وفي عام 1912، اخترع إدوين إتش. أرمسترونغ مضخم التغذية الراجعة التجديدية والمذبذب ؛ كما اخترع جهاز استقبال الراديو فائق التغاير ، ويمكن اعتباره أبو الراديو الحديث. ^{[ 17 ]}

بُثّ أول برنامج إخباري إذاعي معروف في 31 أغسطس 1920 من قِبل المحطة 8MK، وهي المحطة السابقة غير المرخصة لمحطة WWJ (AM) في ديترويت، ميشيغان. وبدأ البث الإذاعي المنتظم لأغراض الترفيه في عام 1922 من مركز ماركوني للأبحاث في ريتل بالقرب من تشيلمسفورد ، إنجلترا . عُرفت المحطة آنذاك باسم 2MT ، وتلتها المحطة 2LO التي كانت تبث من ستراند، لندن .

بينما استخدمت بعض أجهزة الراديو المبكرة نوعًا من التضخيم عبر التيار الكهربائي أو البطارية، كان جهاز الاستقبال البلوري هو النوع الأكثر شيوعًا حتى منتصف عشرينيات القرن الماضي . وفي عشرينيات القرن الماضي، أحدثت أنابيب التفريغ المُضخِّمة ثورة في كلٍّ من أجهزة استقبال وإرسال الراديو.

ظلت الصمامات المفرغة هي جهاز التضخيم المفضل لمدة أربعين عامًا، إلى أن اخترع باحثون يعملون مع ويليام شوكلي في مختبرات بيل الترانزستور عام 1947. وفي السنوات اللاحقة، مكّنت الترانزستورات من إنتاج أجهزة راديو صغيرة محمولة ، أو ما يُعرف بأجهزة راديو الترانزستور ، كما سمحت ببناء حواسيب مركزية أكثر قوة . كانت الترانزستورات أصغر حجمًا وتتطلب جهدًا كهربائيًا أقل من الصمامات المفرغة للعمل.

قبل اختراع الدائرة المتكاملة عام 1959، كانت الدوائر الإلكترونية تُصنع من مكونات منفصلة يمكن التعامل معها يدويًا. هذه الدوائر غير المتكاملة كانت تستهلك مساحة وطاقة كبيرتين ، وكانت عرضة للأعطال، ومحدودة السرعة، على الرغم من أنها لا تزال شائعة في التطبيقات البسيطة. في المقابل، جمعت الدوائر المتكاملة عددًا كبيرًا - غالبًا بالملايين - من المكونات الكهربائية الصغيرة، وخاصة الترانزستورات ، في شريحة صغيرة بحجم العملة المعدنية تقريبًا . ^{[ 18 ]}

في عام 1927، قدّم فيلو فارنسورث أول عرضٍ علنيٍّ لجهاز تلفزيون إلكتروني بالكامل . ^{[ 19 ]} خلال ثلاثينيات القرن العشرين، بدأت عدة دول البثّ التلفزيوني، وبعد الحرب العالمية الثانية انتشر إلى ملايين أجهزة الاستقبال، ثمّ إلى جميع أنحاء العالم. ومنذ ذلك الحين، أصبحت الإلكترونيات جزءًا لا يتجزأ من أجهزة التلفزيون.

تطورت أجهزة التلفاز وشاشات العرض الحديثة من تقنية أنابيب الإلكترون الضخمة إلى استخدام أجهزة أكثر إحكامًا، مثل شاشات البلازما وشاشات الكريستال السائل . ويتجه التطور نحو استخدام أجهزة ذات استهلاك طاقة أقل، مثل شاشات الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء ، والتي من المرجح أن تحل محل تقنيات شاشات الكريستال السائل والبلازما. ^{[ 20 ]}

خلال الحرب العالمية الثانية ، بُذلت جهودٌ كبيرة في تحديد مواقع أهداف العدو وطائراته إلكترونياً. وشملت هذه الجهود توجيه القاذفات عبر شعاع الراديو، والتدابير الإلكترونية المضادة، وأنظمة الرادار المبكرة ، وغيرها. وفي هذه الفترة، لم يُبذل سوى القليل من الجهد، إن وُجد، في تطوير الإلكترونيات الاستهلاكية . ^{[ 21 ]}

كان أول ترانزستور عامل هو ترانزستور ذو نقطة تلامس، اخترعه جون باردين ووالتر هاوزر براتين في مختبرات بيل للهواتف (BTL) عام 1947. ^{[ 22 ]} ثم اخترع ويليام شوكلي ترانزستور الوصلة ثنائية القطب في مختبرات بيل للهواتف عام 1948. ^{[ 23 ]} ورغم أن ترانزستورات الوصلة المبكرة كانت أجهزة ضخمة نسبياً ويصعب تصنيعها بكميات كبيرة ، ^{[ 24 ]} إلا أنها مهدت الطريق لأجهزة أكثر إحكاماً. ^{[ 25 ]}

كانت الدوائر المتكاملة الأولى هي الدائرة المتكاملة الهجينة التي اخترعها جاك كيلبي في شركة تكساس إنسترومنتس عام 1958، وشريحة الدائرة المتكاملة المتجانسة التي اخترعها روبرت نويس في شركة فيرتشايلد سيميكوندكتور عام 1959. ^{[ 26 ]}

في عام 1957، تمكن فروتش وديريك من تصنيع أول ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من ثاني أكسيد السيليكون المستوية في مختبرات بيل، وهي أول ترانزستورات يكون فيها المصرف والمصدر متجاورين على نفس السطح. ^{[ 27 ]} وفي وقت لاحق، عرض فريق في مختبرات بيل نموذجًا أوليًا لترانزستور MOSFET يعمل بكفاءة في عام 1960. وتصف مذكرة من مختبرات بيل كتبها داوون كانغ الفريق، وإي إي لابيت وإي آي بوفيلونيس، الذين قاموا بتصنيع الجهاز؛ وإم أو ثورستون، وإل إيه داسارو، وجيه آر ليجينزا، الذين طوروا عمليات الانتشار؛ وإتش كيه جوميل وآر ليندنر، الذين قاموا بتوصيف الجهاز. ^{[ 28 ] [ 29 ]} وكان ترانزستور MOSFET أول ترانزستور صغير الحجم حقًا يمكن تصغيره وإنتاجه بكميات كبيرة لمجموعة واسعة من الاستخدامات. ^{[ 24 ]} وقد أحدث ثورة في صناعة الإلكترونيات ، ^{[ 7 ] [ 8 ]} ليصبح الجهاز الإلكتروني الأكثر استخدامًا في العالم. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} يُعدّ ترانزستور MOSFET العنصر الأساسي في معظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

أتاح ترانزستور MOSFET إمكانية تصنيع رقائق الدوائر المتكاملة عالية الكثافة . ^{[ 30 ]} وقد صُنعت أول رقاقة تجريبية من نوع MOS IC على يد فريد هايمان وستيفن هوفستين في مختبرات RCA عام 1962. ^{[ 35 ]} وقد مكّنت تقنية MOS من تطبيق قانون مور ، الذي ينص على مضاعفة عدد الترانزستورات على رقاقة الدائرة المتكاملة كل عامين، وهو ما تنبأ به جوردون مور عام 1965. ^{[ 36 ]} وطوّر فيديريكو فاجين تقنية MOS ذات البوابة السيليكونية في شركة فيرتشايلد عام 1968. ^{[ 37 ]} ومنذ ذلك الحين، أدى الإنتاج الضخم لترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون ورقائق الدوائر المتكاملة MOS، إلى جانب التصغير المستمر لترانزستورات MOSFET بوتيرة متسارعة (كما تنبأ به قانون مور )، إلى تغييرات جذرية في التكنولوجيا والاقتصاد والثقافة والفكر. ^{[ 38 ]}

الحاسوب هو آلة قابلة للبرمجة تستقبل المدخلات، وتخزن البيانات وتعالجها، وتوفر المخرجات بتنسيق مفيد.

على الرغم من وجود نماذج ميكانيكية للحواسيب عبر معظم تاريخ البشرية المسجل، إلا أن أولى الحواسيب الإلكترونية طُوّرت في منتصف القرن العشرين (1940-1945). كانت هذه الحواسيب بحجم غرفة كبيرة، وتستهلك طاقة تعادل استهلاك مئات الحواسيب الشخصية الحديثة. أما الحواسيب الحديثة القائمة على الدوائر المتكاملة، فهي تفوق الحواسيب القديمة بملايين إلى مليارات المرات، وتشغل حيزًا ضئيلاً. الحواسيب البسيطة صغيرة بما يكفي لوضعها في جيوب صغيرة، ويمكن تشغيلها ببطارية صغيرة. تُعدّ الحواسيب الشخصية بأشكالها المختلفة رمزًا لعصر المعلومات ، وهي ما يتبادر إلى ذهن معظم الناس عند ذكر كلمة "حواسيب". مع ذلك، فإن الحواسيب المدمجة الموجودة في العديد من الأجهزة، من مشغلات MP3 إلى الطائرات المقاتلة، ومن الألعاب إلى الروبوتات الصناعية، هي الأكثر انتشارًا.

إن قدرة الحواسيب على تخزين وتنفيذ قوائم التعليمات التي تُسمى البرامج تجعلها متعددة الاستخدامات بشكلٍ كبير، مما يميزها عن الآلات الحاسبة. تُعدّ نظرية تشرش-تورينغ بيانًا رياضيًا لهذه المرونة: أي حاسوب يتمتع بقدرة دنيا معينة، قادر من حيث المبدأ على أداء نفس المهام التي يؤديها أي حاسوب آخر. لذلك، فإن جميع الحواسيب، بدءًا من الحواسيب الصغيرة وصولًا إلى الحواسيب العملاقة، قادرة على أداء نفس المهام الحسابية، إذا توفر لها الوقت الكافي وسعة التخزين اللازمة.

بحلول عام 1964، وصلت رقائق MOS إلى كثافة ترانزستورات أعلى وتكاليف تصنيع أقل من رقائق ثنائية القطب . وازدادت رقائق MOS تعقيدًا بمعدل تنبأ به قانون مور ، مما أدى إلى التكامل واسع النطاق (LSI) الذي يضم مئات الترانزستورات على رقاقة MOS واحدة بحلول أواخر الستينيات. وكان تطبيق رقائق MOS LSI في الحوسبة أساسًا لأولى المعالجات الدقيقة، حيث بدأ المهندسون يدركون إمكانية احتواء معالج حاسوب كامل على رقاقة MOS LSI واحدة. ^{[ 39 ]}

طُوِّرت أولى المعالجات الدقيقة متعددة الرقاقات، وهما Four-Phase Systems AL1 عام 1969 و Garrett AiResearch MP944 عام 1970، باستخدام رقاقات MOS LSI متعددة. أما أول معالج دقيق أحادي الرقاقة فكان Intel 4004 ، الذي طُرح على رقاقة MOS LSI واحدة عام 1971. ^{[ 40 ]} وقد ابتكر مارسيان هوف فكرة المعالج الدقيق أحادي الرقاقة عام 1969. وكانت فكرته جزءًا من طلبية لشركة Busicom اليابانية لآلة حاسبة إلكترونية قابلة للبرمجة، أراد هوف تصنيعها بأقل تكلفة ممكنة. كان أول تطبيق عملي للمعالج الدقيق أحادي الشريحة هو معالج إنتل 4004 ، وهو معالج رباعي البتات صدر على شريحة MOS LSI واحدة عام 1971. وقد طوّره فيديريكو فاجين ، باستخدام تقنية MOS ذات البوابة السيليكونية ، بالتعاون مع مهندسي إنتل هوف وستان مازور ، ومهندس بوسيكوم ماساتوشي شيما . ^{[ 40 ]} وقد أشعل هذا شرارة تطوير الحاسوب الشخصي . في عام 1973، مكّن معالج إنتل 8080 ، وهو معالج ثماني البتات ، من بناء أول حاسوب شخصي، وهو MITS Altair 8800. أُعلن عن أول حاسوب شخصي للجمهور على غلاف عدد يناير 1975 من مجلة Popular Electronics .

يتخصص العديد من مهندسي الإلكترونيات اليوم في تطوير وبرمجة الأنظمة الإلكترونية القائمة على المعالجات الدقيقة، والمعروفة بالأنظمة المدمجة . وقد ظهرت تخصصات هجينة، مثل هندسة الحاسوب، نتيجةً للمعرفة التفصيلية بالأجهزة اللازمة للعمل على هذه الأنظمة. ^{[ 41 ]} لا يدرس مهندسو البرمجيات عادةً المعالجات الدقيقة، على عكس مهندسي الحاسوب والإلكترونيات. ويُطلق على المهندسين الذين يقتصر دورهم على برمجة الأنظمة المدمجة أو المعالجات الدقيقة اسم " مهندسي الأنظمة المدمجة " أو " مهندسي البرامج الثابتة ".

• الهندسة الكهربائية
• هندسة الإلكترونيات
• الإلكترونيات
• صناعة الإلكترونيات
• تاريخ الهندسة الكهربائية
• الجدول الزمني للهندسة الكهربائية والإلكترونية