Wykład: Od lampy do układu scalonego.

Transkrypt

1 DOLNOŚLĄSKI FESTIWAL NAUKI 2008 Franciszek Gołek Wydział Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Wrocławski. Wykład: Od lampy do układu scalonego.

2 Od lampy do układu scalonego Festiwal nauki 2008 Franciszek Gołek Uniwersytet Wrocławski

3 Zanim wynaleziono lampę 1) W 1799 roku A.G.A. Volta buduje ogniwo elektryczne (baterię). 2) Telegraf zaczyna działać od 1844 r. 3) W 1876 r. A.G. Bell wynajduje telefon. 4) Do oświetlania stosowane są żarówki T.A. Edisona od 1879 r. 5) W latach J.C. Maxwell opisuje równaniami poznane zjawiska elektryczne.

4 Komentarze 1) Bateria Volty zamienia energię chemiczną na energię elektryczną. Proces zamiany odbywa się w czasie odbierania energii elektrycznej - zatem jest to magazyn gotowej do wykorzystania energii. Bateria, podobnie jak inne źródła napięcia mają dwa zaciski. Bateria w swym wnętrzu tłoczy (przepompowuje) do jednego zacisku elektrony, a z drugiego je wysysa aż do uzyskania określonego napięcia. Gdy tylko między zaciskami pojawi się jakieś przewodzące połączenie mamy prąd elektryczny, polegający na przetłaczaniu elektronów od zacisku ujemnego do zacisku dodatniego na zewnątrz baterii. Zwykle jednak mówimy, że prąd to przepływ ładunku od wyższego potencjału dodatniego zacisku do niższego potencjału - ujemnego bieguna. Takie odwrócenie kota ogonem w zasadzie nie sprawia problemów bo ruch elektronów od bieguna - do bieguna + oznacza ubytek ładunku dodatniego w biegunie +, tak jakby to ładunek dodatni płynął od + do - ). 2) W 1819 r. H.Ch. Oersted obserwuje oddziaływanie prądu elektrycznego na igłę magnetyczną wykazując związek między elektrycznością i magnetyzmem.

5 W 1753 r. Charles Morrison w Szkockiej Gazecie proponuje budowę telegrafu złożonego z 26 linii elektrycznych - każda dla jednej litery alfabetu. Ładując elektrycznie wybraną linię można przyciągnąć lekki skrawek papieru wskazujący wybraną literę. W 1821 r. Andre-Marie Ampere proponuje budowę podobnego systemu, przy czym tu każdej literze odpowiada jeden drut z prądem i galwanometrem. Niestety oba sposoby działały tylko na małej odległości. W 1828 r. w USA został zbudowany pierwszy telegraf. Harison Dyar zdołał przepuścić iskry elektryczne przez taśmę papierową zaznaczając w niej kreski i kropki. W 1825 r. William Sturgeon wynajduje elektromagnes, a w 1830 r. Joseph Henry przesyła prąd drutem na odległość 1 mili, który aktywuje elektromagnes aby uruchomić uderzenie dzwonka. W 1844 r. zbudowano pierwszą linię telegraficzną między Waszyngtonem i Baltimore. Dokładnie r. Samuel Morse przesyła pierwszą wiadomość. W 1862 r. Pacinotti i Gramme budują prądnicę jako źródło energii elektrycznej. W 1875 r. Edison spostrzega iskrę generowaną wibracjami magnesu w cewce. W 1876 r. Aleksander Graham Bell przełamuje supremację telegrafu gdy jako pierwszy przesyła przewodami elektrycznymi swój głos ( Mr. Watson, come here, I want you ).

6 Komunikacja przewodowa Zasada działania telegrafu Zamknięcie obwodu umożliwia baterii przetłaczanie elektronów co stanowi prąd. Prąd włącza przekaźnik. Dużo drutu!

7 Uproszczony obwód telefoniczny. (Sproszkowany węgiel zmienia oporność przy zmianie nacisku membraną. Zmiana tej oporności wywołuje zmiany natężenia prądu w elektromagnesie i przez to zmiany siły z jaką przyciągana jest membrana słuchawki) Dużo drutu!

8 Gdyby nie postęp nasze miasta zostałyby całkowicie zadrutowane! Dobrze przewodzącymi drutami można przesyłać energię i komunikować się na bardzo duże odległości. Pierwszy działający kabel transatlantycki położono w 1866r. Problemem są niezliczone centrale i przekaźniki, prez które sygnał musi przejść, aby dotrzeć do właściwego adresata. Często linia jest zajęta albo sygnał jest słaby i zakłócony. Dopiero w mikrofale i światłowody rozpoczęły skuteczne wypieranie poprzedniego system. Manhattan około 1900 r. (

9 Komunikacja bezprzewodowa Z równań Maxwella wynikało, że istnieją fale elektromagnetyczne (o prędkości światła). Tę sensację potwierdza w roku 1888 H.R. Hertz. Nikola Tesla od 1892 r. pracuje nad m.in. bezprzewodową transmisją energii i informacji. W 1899 r. G. Marconi realizuje bezprzewodowy telegraf dla komunikacji poprzez kanał La Manche.

10 Komentarze. Nikola Tesla obok Maxwella i Edisona był jednym z trzech największych geniuszy 19-go wieku. Tesla był człowiekiem o wyjątkowej wyobraźni, samotnie przygotował w najdrobniejszych szczegółach wiele niezawodnych projektów. Jednym z nich jest energetyka zmiennoprądowa dzięki niemu w każdym domu w gniazdkach mamy napięcie zmienne (60Hz w USA i 50Hz w Europie). Jemu zawdzięczamy prądnice i silniki na prąd zmienny. To Tesla w 1895 r. skierował energię wodospadów Niagary do generatorów prądu zmiennego, by następnie dzięki transformatorom własnego pomysłu przesyłać ekonomicznie (czyli z małymi stratami) energię elektryczną do Buffalo miasta odległego o 40 km. Straty energii elektrycznej na linii przesyłowej związane są z wydzielaniem się ciepła przy przepływie prądu. Straty są proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu I zgodnie z wyrażeniem Es=I2RLt (gdzie: Es energia stracona, I prąd w linii przesyłowej, RL oporność linii przesyłowej, t czas trwania przesyłu). Ponieważ ilość wysyłanej energii E jest proporcjonalna do napięcia U, prądu I oraz czasu t z godnie z wyrażeniem: E = IUt lepiej użyć dużego napięcia U niż dużego prądu I aby przesyłać tę samą energię I U t. To dlatego w obecnej energetyce mamy do czynienia z liniami wysokiego napięcia. Tesla wykonał pierwsze urządzenie sterowane zdalnie za pośrednictwem fal radiowych. Wykonał zdjęcie rentgenowskie wcześniej niż sam Roentgen. Generowane przez Teslę iskry elektryczne miały długość nawet kilkadziesiąt metrów.

11 Nadajnik iskrowy i odbiornik

12 Zanik sygnału i szum elektryczny

13 Nadajniki iskrowe i odbiorniki

14 Zmodulowany amplitudowo sygnał ciągły i jego detekcja

15 Demonstracja: Wizualizacja sygnału zmodulowanego amplitudowo. U1 przed detekcją (bezpośrednio z generatora), U2 po detekcji (bez użycia kondensatora usprawniającego), U3 po detekcji (z kondensatorem).

16 Problemy z detektorami Koherer Detektor kryształkowy Bardzo czuły odbiornik z detektorem elektrolitycznym (Chytrze zastosowano wstępną polaryzację tak, aby przy najmniejszych sygnałach detektor dawał efekt prostowania)

17 Komentarze: W Anglii Markoni, jego współpracownicy i wielu innych w okresie sądziło, że iskra (wyładowanie elektryczne) jest istotnym elementem w bezprzewodowym przekazie energii i komunikacji. Złote lata iskry trwały od 1900 do Początkowo detektorem był tzw. koherer (naczynie z dwiema elektrodami, między którymi znajdował się pył metaliczny lub kropla rtęci) wykazujący normalnie dużą oporność, która pod impulsem napięcia znacznie malała. Przed detekcją następnego impulsu koherer należało wstrząsnąć co spowalniało przebieg transmisji. W 1899r. Niemiecki uczony K.F. Braun patentuje detektor krystaliczny. Odbiorniki radiowe z detektorem krystalicznym zaczęto stosować około 1900r. a G.W. Pickard patentuje udoskonalony, krzemowy detektor krystaliczny w1906r. Reginald Fessenden w Kanadzie w latach samotnie proponował zastosowanie fali ciągłej (bez iskry!) dla komunikacji bezprzewodowej. W 1902 i 1903 opatentował elektrolityczny detektor (bardzo czuły prostownik, złożony z roztworu H2SO4, 2 elektrod metalowych i polaryzatora), mogący zmieniać zmodulowany amplitudowo sygnał wysokiej częstotliwości na sygnał samej modulacji czyli informacji. Pod koniec 1906 r. udało mu się uzyskać alternator mogący generować napięcie 500 V o częstotliwości 75kHz fali nośnej (modulowanej). Około 1915 r. wiadomo było, że lampy mogą wzmacniać (regenerować) sygnały elektryczne oraz generować napięcia wysokiej częstotliwości, czyli mogą zastępować alternatory dla nadajników.

18 Przy bardzo słabych sygnałach nie radzą sobie nawet najlepsze detektory. Dlaczego sygnał szybko słabnie z odległością od nadajnika?

19 Sygnał słabnie proporcjonalnie do 1/R2 z odległością R bo obszar, w który się rozprzestrzenia zwiększa się jak R2 W przestrzeni ma miejsce efekt rozrzedzania energii i wymagany jest jakiś sposób na wzmacnianie sygnału.

20 Co to jest wzmacnianie sygnału? Wzmocnienie oznacza zwiększenie energii sygnału. Aby zwiększyć energię sygnału (wzmocnić sygnał) należy dysponować zapasem energii. Proces wzmocnienia zwykle polega na sterowanym przez sygnał wzmacniany wypływie energii z posiadanych jej zapasów.

21 Idea wzmacniania sygnału elektrycznego na zasadzie dzielnika napięcia złożonego z odbiornika energii Ro i rezystora sterowanego Rs (Rs może być lampą lub tranzystorem). Wkładamy mało energii E1 aby zmieniać Rs a uzyskujemy dużą energię E2 w Ro.

22 Wzmacnianie sygnałów elektrycznych na zasadzie dzielnika napięcia zawierającego jeden sterowalny, zmienny rezystor. Rozważmy układ szeregowo połączonych: sterowanego rezystora zmiennego Rz i rezystora stałego odbiornika Ro połączonych z zasilaczem tak jak dzielnik napięcia. Mamy tu URo = Ro U/(Ro + Rz) napięcie na Ro URz = Rz U/(Ro + Rz) napięcie na Rz. Przy zmianie Rz od wartości Rz>>Ro do Rz <<Ro moc wydzielana w Ro zmieni się w przybliżeniu od Pmin = 0 do Pmax = U2/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość Pwy Pmax = U2/Ro. Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który pokręcił rezystorem Rz była mniejsza od Pmax to otrzymaliśmy wzmocnienie sygnału KP = Pwy /Ps. Taki trick można wykonać zarówno przy pomocy lampy jak i tranzystora. Zdolność wpływania sygnału elektrycznego na inny sygnał elektryczny to podstawowa cecha tzw. elementów aktywnych. Układy elektroniczne to są te układy, które zawierają elementy aktywne.

23 Wynalezienie lampy to tylko modyfikacja żarówki Edisona W latach T. A. Edison i jego asystent W. J. Hammer pracują nad ulepszaniem opatentowanych w 1879r. próżniowych żarówek, które w czasie pracy ulegały poczernieniu. Zauważyli przepływ prądu między grzaną i ujemnie spolaryzowaną elektrodą a zimną dodatnio spolaryzowaną elektrodą. W 1911 r. O. W. Richardson zinterpretował efekt Edisona jako wyparowywanie elektronów z gorącego drucika i nazwał go emisją termiczną. W 1904 r. J. A. Fleming zauważył, że efekt Edisona można zastosować do prostowania prądu zmiennego i wykonał diodę próżniową (prostownik lampowy).

24 Dioda próżniowa J.A. Fleming 1904 Gdy w obwodzie elektrycznym zasilanym przez źródło symetrycznie przemiennego napięcia znajdzie się dioda to prąd nie będzie symetrycznie przemienny. Tylko katoda (rozgrzany metal) emituje elektrony. Zatem w obwodzie będzie prąd tylko wtedy gdy przykładane napięcie pozwoli emitowanym z katody elektronom docierać do anody.

25 Demonstracja diody próżniowej.

26 Trioda próżniowa Lee De Forest 1906 pierwsza trioda próżniowa o nazwie audion przeznaczona była do czulszej detekcji sygnałów. Langmiur wysoko-próżniowe lampy radiowe. Poczynając od lampy triody złożonej z katody, anody oraz umieszczonej między nimi siatki, stało się możliwe sterowanie prądem anoda - katoda przy pomocy pola elektrycznego siatki i małego prądu siatka-katoda. Ten swoisty zawór, w którym potencjał siatki przymyka prąd anodowy zapewnił efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych.

27 Pokaz video: budowa triody

28 Demonstracja efektu wzmocnienia 1) Brak dźwięku (sygnał z generatora zbyt słaby) 2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy) Lampa trioda może wzmacniać!

29 Co mogą lampy elektronowe? 1) Diody najprostsze dwuelektrodowe lampy mogą prostować prąd. 2) Triody trzyelektrodowe lampy a) mogą być wyłącznikami, b) mogą wzmacniać sygnały elektryczne, c) mogą generować periodyczne przebiegi napięcia dla nadajników, pieców indukcyjnych itp. 3) Bardziej złożone lampy stosowano w wielu dziedzinach: telewizja, radio, radar itp. Ale lampy są nieekonomiczne, duże i nietrwałe!

30 Julius Lilienfeld w 1926 r. opatentował ideę, że słabo przewodzący materiał umieszczany w polu elektrycznym będzie zmieniał swoje przewodnictwo pozwalając na uzyskanie efektu wzmocnienia. Realizacja dopiero w latach JFET i MOSFET.

31 Przemysł telekomunikacyjny stosował przez wiele lat niedogodne lampy próżniowe i psujące się mechaniczne przełączniki. Istniała silna potrzeba zastąpić te przełączniki czymś lepszym.

32 Przewodność (a zatem i oporność) półprzewodników można łatwo i w dużym zakresie zmieniać poprzez domieszkowanie lub polaryzowanie. Dlatego z tych materiałów usiłowano stworzyć triodę półprzewodnikową nazwaną potem tranzystorem.

33 Pierwszy tranzystor W budowie tego tranzystora trudnym było umieścić dwa ostrza (emiter i kolektor) w odległości około 0,1 mm od siebie na czystej powierzchni kryształu Ge.

34 Tranzystory ostrzowe to lipa!!! Kontaky ostrzowe są bardzo niestabilnymi kontaktami! Tranzystory złączowe OK!

35 Krzem typu p i tpu n.

36 Złącze pn Gdy uformujemy złącze pn, dla równowagi energetycznej (bo elektron swobodny ma wyższą energię niż elektron zajmujący dziurę związany) nieco elektronów z obszaru n i nieco dziur z obszaru p przedyfunduje płaszczyznę styku obszarów p i n. W rezultacie rekombinacji dziur z elektronami tuż przy płaszczyźnie styku, z obu jej stron, nie będzie ani mobilnych dziur ani mobilnych elektronów. Taki pas bez mobilnych elektronów jest pasem złego przewodzenia (dużej oporności). Ten pas będzie za to zawierał niemobilne jony ujemne po stronie p i niemobilne jony dodatnie po stronie n. Ładunek tych jonów tworzy barierę potencjału uniemożliwiającą dalszą dyfuzję elektronów z obszaru n jak i dziur z obszaru p. Przykładając napięcie do złącza (polaryzując złącze pn) możemy albo poszerzyć pas złego przewodzenia albo go likwidować i uzyskiwać dobre przewodnictwo całości. Przykładając napięcie plusem do obszaru n a minusem do obszaru p poszerzamy obszar złego przewodzenia i prąd w takim obwodzie jest malutki (bo w obwodzie mamy duży opór złącza pn). Przykładając napięcie plusem do obszaru p, a minusem do obszaru n, zmniejszamy obszar złego przewodzenia i zmniejszamy oporność złącza. Prąd przy takiej polaryzacji gwałtownie rośnie przy przekroczeniu pewnej wartości napięcia polaryzacji (0,6 V dla diody krzemowej).

37 Dioda.

38 Dioda spolaryzowana zaporowo

39 Dioda przewodzi.

40 Tranzystor npn Gdy uformujemy układ npn (lub pnp) z bardzo wąskim środkowym sektorem uzyskamy tranzystor - najważniejsze odkrycie XX wieku. Najprostszy model intuicyjny mówi, że sygnałem o małej amplitudzie mocy, za pomocą bazy (zaworu), dokonuje się zamykanie i otwieranie przepływu dużego ładunku (o dużej amplitudzie mocy) między

41 Demonstracja efektu wzmocnienia 1) Brak dźwięku (sygnał z generatora zbyt słaby) 2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy)

42 Demonstracja tranzystor polowego z izolowaną bramką Dla otwarcia lub zamknięcia kanału wystarcza zmiana małego ładunku elektrycznego na bramce.

43 Co mogą tranzystory i diody? W zasadzie robią to co lampy bez potrzeby rozgrzewania czegokolwiek. Tranzystory są bardzo małe i pozwalają na ich nieprawdopodobne upakowanie (setki milionów na 1cm2!). Tranzystor zastępuje i wypiera duże, gorące, szklane i tłukące się lampy. Tylko w niektórych układach dużej mocy lampy są jeszcze obecne. Np. wzmacniacze akustyczne lampowe dając nieco inny skład wyższych harmonicznych niż wzmacniacze tranzystorowe zapewniają, że odtwarzana muzyka daje lepsze (psychoakustyczne) wrażenie i złudzenie większej dynamiki.

44 Po wynalezieniu tranzystora nieustannie trwa proces miniaturyzacji samych tranzystorów jak i innych elementów elektronicznych. W latach tranzystory, diody, rezystory i kondensatory były produkowane głównie jako indywidualne (dyskretne) elementy. Jednak od 1960 r. pojawia się coraz więcej układów scalonych, a od 1971 również mikroprocesory (w 2008 r. z prawie miliardem tranzystorów). Obecnie tylko tranzystory wielkiej mocy są jeszcze produkowane jako indywidualne elementy.

45 Miniaturyzacja poprzez wytwarzanie układów scalonych. Po wynalezieniu tranzystora technolodzy wiedzieli o potencjalnych możliwościach elektroniki cyfrowej ale ogromnym problemem był wykładniczy wzrost liczby elementów przy każdej rozbudowie i ulepszaniu układów elektronicznych. Rozwiązaniem problemu stały się monolityczne układy scalone. Znaleziono sposoby budowy poszczególnych elementów na jednym monokrysztale (chipie) półprzewodnika. Kilby zastosował german a Noyce krzem.

46 Układ scalony i układ scalony o bardzo wysokiej skali integracji

47 Czy elektronika może pamiętać? Przykłady: przerzutniki, rejestry...

48 Czy elektronika może liczyć? Przykłady: bramki logiczne...

49 Oszczędne energetycznie układy CMOS. Przykład: negator bramka logiczna zmieniająca wartość 0 na 1 oraz 1 na 0.

50 Źródła: A) Filmy: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) Artykuły w internecie 1) 2) CHAP-4A.html 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) CHAP-4A.html 13) 14) 15) Wikipedia. Literatura 1). F. Collins, The Radio Amatour s Hand Book, ) M. Riordan, Rev. Modern Phys. 71 (1999) S336.