ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

Transkrypt

1 ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA wykład 1 WSTĘP DO ELEKTRONIKI luty Lublin

2 KONTAKT Z PROWADZĄCYM dr inż. Andrzej Kociubiński pokój 308 GE akociub@semiconductor.pl Konsultacje: poniedziałek wtorek strona przedmiotu: użytkownik: student hasło: NADBYSTRZYCKA38A

3 SPOSÓB ZALICZENIA PRZEDMIOTU Egzamin w formie testu za 100 punktów. 3 terminy egzaminów: 1 w sesji w czerwcu, 2 poprawkowe we wrześniu PUNKTY : OCENA 0-50 : : 3, : 3, : 4, : 4, : 5,0

4 dodatkowe terminy egzaminów, 'dopytywanie', prośby i płacze

5 TEMATY WYKŁADÓW 1. Wstęp do elektroniki i energoelektroniki ( ) 2. Półprzewodniki ( ) 3. Złącze p-n, kontakt m-s ( ) 4. Tranzystor bipolarny cz.i ( ) 5. Tranzystor bipolarny cz.ii ( ) 6. Tranzystor polowy ( ) Pozostałe tematy zostaną uzupełnione na stronie przedmiotu w późniejszym terminie

6 LITERATURA pod redakcją J. Baranowskiego 'Układy elektroniczne' tom I-III Guziński A. 'Liniowe elektroniczne układy analogowe' Filipkowski 'Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe' P. Horowitz, W. Hill, 'Sztuka elektroniki' B. Pióro, M. Pióro, 'Podstawy elektroniki' cz. 2 P. E. Gray, C. L. Searle, 'Podstawy elektroniki' W. Marciniak 'Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone' U.Tietze, Ch.Schenk, 'Układy półprzewodnikowe'

7 krzem u ej n o z r o w t rze i p o ytk d u pł m rze k Od m ik ro pr oc es or ET F S MO p rzy rząd Od p iasku do Ten wykład O CZYM BĘDZIEMY MÓWIĆ?

8 Wszechobecna Telekomunikacja i Informacja Stara Wizja (1882)

9 Wszechobecna Telekomunikacja i Informacja Stara Wizja (1895)

10 PRZEWIDYWANIE NIE JEST ŁATWE... Jaki pożytek miałaby mieć moja firma z tej elektrycznej zabawki? Prezydent Western Union, WILLIAM ORTON, odrzucając propozycję kupna upadającej firmy telefonicznej Alexandra Grahama Bella za USD. Radio nie ma przyszłości. LORD KELVIN, szkocki matematyk i fizyk, 1897

11 WZROST OBJĘTOŚCI INFORMACJI do 2000 roku Tworzenie informacji do roku ,000 BCE rysunki jaskiniowe narzędzia z kości pismo papier M druk ½M elektryczność, telefon Internet (DARPA) Źródło: UC Berkeley School of Information Management and Systems web 2000 multimedia GIGABAJTY tranzystor komputer

12 ... i po następnych 2 latach M Światowe zasoby informacji podwajają się co rok 40,000 BCE rysunki jaskiniowe narzędzia z kości pismo papier M druk M elektryczność, telefon 93% nowej informacji tworzone jest w postaci cyfrowej tranzystor komputer Internet (DARPA) web 2000 multimedia GIGABAJTY M

13 DOSTĘP DO INFORMACJI ROŚNIE WYKŁADNICZO 1.5 miliarda użytkowników urządzeń bezprzewodowych [Miliony] milionów użytkowników Internetu 155 milionów komputerów osobistych ,000 komputerów

14 O TEMPIE ROZWOJU TECHNIK INFORMACYJNYCH DECYDUJĄ (4 x P) Technologia Dziedzina przesyłania fotonika, radio przetwarzania mikroelektronika przechowywania pamięci masowe prezentacji techn. wyświetlania

15 KAMIENIE MILOWE W ELEKTRONICE 1907 Lee de Forest Trioda 1947 Shockley, Brattain, Bardeen Tranzystor bipolarny 1954 Townes, Prochorow, Basow Maser, Laser

16 1947 PIERWSZY TRANZYSTOR OSTRZOWY Wynalazcy tranzystora: John Bardeen Walter Brattain William Shockley Pierwszy, germanowy tranzystor ostrzowy (Bell Laboratories)

17 1958 PIERWSZY UKŁAD SCALONY Jack S. Kilby, Texas Instruments Robert N. Noyce, Fairchild Pierwszy, germanowy układ scalony. Zawierał pięć elementów: tranzystory, rezystory i kondensatory Pierwszy, krzemowy, planarny układ scalony. Zawierał 4 tranzystory i pięć rezystorów

18 claude SHANNON A Mathematical Theory of Communication (1948) Tezeusz, mądra mysz elektromechaniczna, Claude'a Shannona. Jeden z pierwszych eksperymentów w dziedzinie sztucznej inteligencji. Jako jeden z pierwszych Shannon twierdził, że ciągami zer i jedynek (bitów) da się opisać tekst, obraz i dźwięk.

19 ŹRÓDŁO SZUMÓW PRZEZNACZENIE WIADOMOŚĆ DEKODER SYGNAŁ ODEBRANY SYGNAŁ ENKODER WIADOMOŚĆ ŹRÓDŁÓ INFORMACJI SYSTEM KOMUNIKACYJNY SHANNONA

20 FILARY WZROSTU INFRASTRUKTURY INFORAMCYJNEJ I KOMUNIKACYJNEJ Technologia Układy scalone Fotonika Pamięć masowa Wyświetlacze Komunikacja bezprzewodowa Oprogramowanie Tendencje wzrostu szybkość/gęstość - 2 razy co miesiące przepustowość transmisji - 2 razy co rok pojemność pamięci - 2 razy co 9 miesięcy liczba pikseli - 2 razy co 2 lata pojemność kanału razy co 5 lat wielkość systemu operacyjnego - 2 razy co 2 lata Dla rozwoju wszystkich technologii, z wyjątkiem oprogramowania, potrzebne są nowe materiały i przyrządy

21 prawo moore'a Montecito 107 Itanium Pentium PentiumPro Liczba tranzystorów na chipie 108

22 UKŁAD SCALONY: WIELE TRANZYSTORÓW POŁĄCZONYCH ZE SOBĄ W JEDNYM CHIPIE Fairchild Tranzystory HP 1981 ~ ½ Miliona Prawo Moore'a Liczba tranzystorów w IC rośnie wykładniczo INTEL 2002 ~400 Milionów

23 CO TAK NAPRAWDĘ OZNACZA prawa moore'a? 1985 Cray X-MP 2000 Sony PS2 $8,000,000 $ W 5W Bez wbudowanej grafiki Interaktywna grafika 3D Łącze Internetowe 56 Kbps Szerokie pasmo w domu 2009 Komputer do noszenia na (przy) sobie < $100 0,2 W Wzbogacona rzeczywistość Szerokie pasmo bezprzewodowe

24 KONSEKWENCJE prawa moore'a?????? Petaflops/1000 $ Moc obliczeniowa [operacje/sek/1000$] 1.E+15 Mózg na biurku 1.E+12 Internet 3D Osobiste multimedia 1.E+09 podwajanie co 1.4 roku Op/sek/1000$ 1.E+06 Osobisty Internet Osobisty komputer 1.E+03 1.E+00 1.E-03 1.E podwajanie co 3.2 roku podwajanie co 10 lat ~2028

25 ENIAC Zajmował pomieszczenie 10m x 17m 30 ton 174,000 Wat koszt: $486,000 w 1946 ENIAC From Vacuum Tubes to Microchip History, Operation and Reconstruction in VLSI Jan Van der Spiegel University of Pennsylvania

26 ENIAC Wymiar charakterystyczny 0.5 µm Rozmiary chipu: 7.44mm x 5.29 mm Liczba tranzystorów: 174,569 Obudowa: 132 pin PGA ENIAC From Vacuum Tubes to Microchip History, Operation and Reconstruction in VLSI Jan Van der Spiegel University of Pennsylvania

27 PAMIĘĆ 1 GB DRAM

28 SKALOWANIE płytka krzemowa 28 struktur 120 struktur 540 struktur

29 PAMIĘĆ MASOWA CD 0.65 GB λ = 780 nm NA = GB Podłoże 1.2 mm DVD (2x)4.7 GB Niebieski (2x)22.5 GB λ = 650 nm NA = GB Podłoże 0.6 mm λ = 405 nm NA = GB Podłoże 0.1 mm Źródło: B. De Ruyter, Human factors in Sensor Networks, PHILIPS, 2004 Mała plamka odczytowa osiągnięta przez: Niebieski laser Bardzo silne soczewki (NA = 0.85) Cienką warstwę kryjącą 22.5 GB na jednej stronie dysku RW

30 BUDOWA UKŁADÓW SCALONYCH WYMAGA ULTRA CZYSTYCH, BARDZO PRECYZYJNYCH FABRYK

31 PRODUKCJA ELEMENTÓW CMOS

32 CYKL ŻYCIOWY TECHNOLOGII ANALOGOWA BIPOLARNA CMOS BiCMOS GaAs S/LS TTL ECL Diament SiC GaN Wprowadzenie SiGe SOI Wzrost HMOS NMOS TTL PMOS Dojrzałość Nasycenie Zmierzch Zapomnienie

33 kryzys energetyczny

34 NIEOGRANICZONE ŹRÓDŁO ENERGII WYDAJNOŚĆ ENERGETYCZNA TECHNOLOGIA GĘSTOŚĆ ENERGII (miliwatogodzin/miligram) Jony litu w baterii chemicznej Metanol w ogniwie paliwowym* Tryt w baterii nuklearnej** Polon-210 w baterii nuklearnej** *Zakładając sprawność 50% **Zakładając sprawność 8% i 4 lata pracy A. Lal, J. Blanchard, The Daintiest Dynamos, IEEE Spectrum, Sept. 2004

35 UŻYCIE KOMPUTERÓW: WYRAŹNA TENDENCJA Wielkość, cena Liczba Jeden komputer (PC) dla każdego Jeden komputer (mainframe) dla wielu ludzi Wiele komputerów dla każdego F.Mattern, Ubiquitous Computing, ETH Zurich

36 WYRAŹNA TENDENCJA... I CO DALEJ? Liczba Wiele komputerów dla każdego Komputery wtopione w tło Gabaryty, cena

37 od Inteligentnych Urządzeń... Moduł Bluetooth W ostatnich latach urządzenia elektroniczne takie jak: telefony komórkowe, kamery, czy odtwarzacze CD, stają się inteligentne. Oferują użytkownikowi nowe funkcje nieosiągalne do niedawna. port IrDA LCD B/W 320x240 Głośnik piezo Panel dotykowy Zaciski baterii Akcelerometr wewnętrzny Mikrofon 3 przyciski Wyłącznik Wibrator czujnik odcisków palca

38 ... po przedmioty codziennego użytku Pić! Czas na obiad! Przytul mnie Bateria rozładowana Minął termin zwrotu Kawa stygnie! Ważna wiadomość Wiadomość dla Lidki F.Mattern, Ubiquitous Computing, ETH Zurich

39 integracja POTRZEBY POTRZEBY MATERIAŁY PRZYRZĄDY MOŻLIWOŚCI UKŁADY MOŻLIWOŚCI SKALA INTEGRACJI POTRZEBY SYSTEMY MOŻLIWOŚCI INTEGRACJA WIEDZY SOC System On Chip Mikrosystemy

40 CO TO JEST 'system-on-chip'?

41 CO TO JEST MIKROSYSTEM Druga rewolucja krzemowa: Systemy, które wiedzą gdzie są i co się wokół nich dzieje. Myślą Czują mikroprocesory, pamięci, ukł. ASIC Działają czujniki, radary, GPS Mikrosystem Komunikują się Aktuatory MEMS optycznie bezprzewodowo Ta wizja wymaga: Nowych materiałów Nowych technik produkcji Nowych technik integracji Zasilają się Na podstawie: Sandia National Laboratories

42 KRZEMOWY FARMACEUTA Opracowywane w MicroChips Inc. urządzenie do dostarczania leków jest krzemowym chipem o 100 lub więcej nanometrowych zbiorniczkach zawierających lekarstwo lub sensory biochemiczne.

43 Z MĄDREJ GŁOWY... Informacja nie jest wiedzą. Albert Einstein