Od diody do układu scalonego

Od diody do układu scalonego Franciszek Gołek (golek@ifd.uni.wroc.pl) www.pe.ifd.uni.wroc.pl Dioda kryształkowa Magiczne oko

Plan wykładu 1. Początki nauki o elektryczności. 2. Krótkie przypomnienie praw elektryczności. 3. Początki komunikacji. 4. Wynalezienie diody. 5. Wynalezienie tranzystora. 6. Pierwsze układy scalone.

Krótkie przypomnienie poprzednich wykładów (nieco historii). 1) W 1799 roku A.G.A. Volta buduje ogniwo elektryczne 1,1 V (pojawiają się baterie ogniw). 2) Telegraf zaczyna działać od 1844 r. 3) W 1874 r. F. Braun odkrywa, że kryształy w pewnych warunkach przewodzą prąd tylko w jedną stronę. 4) W 1876 r. A.G. Bell wynajduje telefon. 5) Do oświetlania stosowane są żarówki T.A. Edisona od 1879 r. 6) W latach 1861 1873 J.C. Maxwell opisuje równaniami poznane zjawiska elektryczne.

Do czego przydają się ogniwa i ich baterie? (koniec pocierania bursztynem lub szkłem?) Bateria 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 ma 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 w nim 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 - ).

Od roku 1799 ludzie całkiem łatwo mogą bawić się prądami elektrycznymi! W 1819 r. H.Ch. Oersted obserwuje oddziaływanie prądu elektrycznego na igłę magnetyczną wykazując związek między elektrycznością i magnetyzmem. W 1821 r. Andre-Marie Ampere proponuje budowę telegrafu, każdej literze odpowiada jeden drut z prądem i galwanometrem. Niestety działał 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 24-05-1844 r. Samuel Morse przesyła pierwszą wiadomość. Nowa jakość pojawia się, gdy 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 ). W 1897 J.J. Thomson odkrywa elektron najmniejszą porcję elektryczności.

Krótkie przypomnienie poprzednich wykładów (nieco eksperymentów). Wymuszanie prądu elektrycznego Przemieszczanie względem siebie magnesu i cewki wymusza prąd elektryczny w cewce. Gdy zamiast magnesu użyjemy cewki z prądem to w drugiej cewce też będzie wymuszany prąd elektryczny, zarówno na skutek zmian położenia jak i zmian natężenia prądu w pierwszej cewce. Gdy użyliśmy siły do przemieszczania, to zamienialiśmy energię mechaniczną na elektryczną.

Siła między dwoma przewodami z prądem oraz siła między magnesem i przewodem z prądem. Występowanie tej siły oznacza, że możemy zamieniać energię Zastosowania? elektryczna na mechaniczna. Zastosowania?

Zamiana energii mechanicznej na elektryczną i jej transport do odbiorców. U odbiorców energia elektryczna zamieniana jest na energie: mechaniczną (wiatrak), oświetlenie, ciepło itp.. Poczuliśmy też prawo zachowania energii. Gdy obciążenie odbiornikami energii wzrastało ciężej było obracać zwojami prądnicy! Elektrownia Odbiorniki energii

Warto zauważyć, że prąd elektryczny stał się niezwykle użytecznym medium technologicznym. Dzięki niemu energia wodospadów czy paliw może być transportowana w postaci elektrycznej na znaczne odległości i zamieniana na ciepło, światło czy pracę mechaniczną u odbiorcy. Pokaz energii zgromadzonej w cewce i w kondensatorze.

Prawo Ohma (Georg Ohm 1826) Natura poprzez nasze obserwacje i eksperymenty, stanowi podstawę wszelkiej abstrakcji. Przykładając do opornika kolejno małe i większe napięcia oraz mierząc te napięcia U i prądy I płynące pod ich wpływem otrzymujemy np. U: 1 V, 2 V, 3 V, 4 V, 5 V, 6 V, -1 V, -2 V, itd. I: 2 A, 4 A, 6 A, 8 A, 10 A, 12 A, -2 A, -4 A, itd. Analiza powyższych wyników wykazuje prawidłowość. Usiłując wyrazić w prosty i dający do myślenia sposób otrzymywane wyniki pomiarowe otrzymujemy formułę: U = R(stała) I [V] = [V/A] [A] [V] = [Ω] [A] W 1874 r. F. Braun odkrywa, że kryształy w pewnych warunkach przewodzą prąd tylko w jedną stronę. Tu prawo Ohma nie działa.

Prądowe prawo Kirchhoffa: Jeżeli w węźle ładunek elektryczny się nie gromadzi, to ilości ładunku wchodzącego i wychodzącego z węzła muszą być takie same. Zatem suma wszystkich prądów elektrycznych w węźle (wchodzące ze znakiem + a wychodzące ze znakiem - ) wynosi zero.

Napięciowe prawo Kirchhoffa: Idąc wzdłuż zamkniętej pętli i mierząc po drodze skoki potencjału elektrycznego, czyli napięcia i siły elektromotoryczne stwierdzamy, że ich suma wynosi zero. (Podobnie jak wszystkie podejścia do góry i zejścia w czasie wycieczki górskiej muszą się wyzerować po powrocie do miejsca startu)

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

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. (Pierwszy działający kabel transatlantycki położono w 1866r). Dużo drutu i nie nadaje się do pojazdów i statków!

Komunikacja bezprzewodowa Z równań Maxwella wynikało, że istnieją fale elektromagnetyczne (o prędkości światła). Tę sensację doświadczalnie 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.

Nadajnik iskrowy i odbiornik

Dlaczego sygnał zanika z odległością? Sygnał maleje przy zwiększaniu odległości między antenami!

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.

Problemy z detektorami Koherer rurka szklana wypełniona metalowymi opiłkami. Pod wpływem fali elektromagnetycznej (radiowej) koherer znacznie obniżał oporność elektryczną co skutkowało większym prądem łatwym do detekcji. Aby stwierdzić następne pojawienie się fali radiowej należało wstrząsnąć kohererem aby ten powrócił do początkowej dużej oporności. W 1899r. Niemiecki uczony K.F. Braun patentuje detektor krystaliczny (25 lat po wynalezieniu efektu asymetrii przewodzenia).

Nadajniki iskrowe i odbiorniki

Przykładowe detektory kryształkowe (G.W. Pickard przetestował ponad 30000 kombinacji ostrze-kryształ).

Wynalezienie lampy to tylko modyfikacja żarówki Edisona W latach 1881-1882 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).

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.

Demonstracja diody próżniowej.

Demonstracja diody próżniowej Niższa temperatura katody = niższy prąd diody.

Wodny analog diody

Dioda dużej mocy Diody Diody półprzewodnikowe Diody próżniowe Dioda wysokonapięciowa Diody świecące LED Fotodioda Układ Graetza

Kryształy krzem typu p i typu n (nie naładowane elektrycznie). Mobilne elektrony Mobilne dziury

Po przeładowaniu-> Dioda Barierę potencjału stanowią nieruchome jony.

Złącza p-n Podobnie jak w połączonych naczyniach z wodą wyrównuje się poziom lustra wody tak w połączonych galwanicznie materiałach zawierających mobilne nośniki ładunku (elektrony i dziury) następuje wyrównanie poziomu Fermiego EF. Przemieszczenie ładunków pociąga za sobą wytworzenie skoku potencjału elektrycznego w pewnym wąskim obszarze samego złącza pn. W tym obszarze poziom Fermiego jest oddalony od pasm dozwolonych i mamy tu niemobilne jony i brak mobilnych nośników ładunku, a zatem obszar złego przewodnictwa elektrycznego! Sytuację można zmieniać przez przyłożenie zewnętrznej siły elektromotorycznej, która wymusi pochylenie poziomu Fermiego, a przez to zmieni szerokość obszaru złego przewodzenia.

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.

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.

Trioda próżniowa Lee De Forest 1906 (USA) pierwsza trioda próżniowa o nazwie audion przeznaczona była do czulszej detekcji sygnałów. Robert von Lieben, Eugen Riesz i Siegmund Strauss w 1910 (Europa) patentują triodę jako wzmacniacz i przekaźnik. Langmiur 1912 (USA) - 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.

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. W 1926 r. Niemiecka firma Loewe AG produkowała lampy próżniowe 3NF z trzema triodami oraz opornikami i kondensatorami w jednej bańce szklanej (aby obniżyć podatek liczony od ilości podstawek do lamp). Taka lampa po dołączeniu baterii, głośnika i anteny z obwodem rezonansowym stawała się radiem. Był to prekursor układów scalonych. Ale lampy są duże, nieekonomiczne i nietrwałe!

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 1953 - JFET i 1960 -MOSFET.

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

Jak działa tranzystor polowy (FET)?

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.

Tranzystory ostrzowe to lipa!!! Kontakty ostrzowe są bardzo niestabilnymi kontaktami! Tranzystory złączowe OK!

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 jednak zawierał nieruchome jony: ujemne po stronie p i 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).

Dioda przewodzi.

Cieczowy model spolaryzowanego otwartego i zamkniętego tranzystora npn

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

Demonstracja efektu wzmocnienia 0,6 V - 0,55 V 1) Brak dźwięku (sygnał z generatora zbyt słaby) 2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy) Zmiany napięcia 3V 1V

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

Po wynalezieniu tranzystora nieustannie trwa proces miniaturyzacji samych tranzystorów jak i innych elementów elektronicznych. W latach 1950 1970 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.

Zanim pojawiły się układy scalone. Produkowano lampy zawierające trzy triody w jednej bańce szklanej. Było to podyktowane obniżaniem kosztów (w tym, podobno, również podatku płaconego od ilości baniek lampowych w radioodbiorniku)

Pierwszy układ scalony - początek mikroelektroniki Miniaturyzacja poprzez wytwarzanie układów scalonych. Po wynalezieniu tranzystora technolodzy wiedzieli o potencjalnych możliwościach elektroniki cyfrowej ale 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 i połączenia drucikami. Noyce zastosował krzem i wytrawianie ścieżek w cienkich warstwach Al i ta technologia wygrała.

Hybrydowe układ scalony

Układ scalony i układ scalony o bardzo wysokiej skali integracji

Przekrój wielopoziomowej struktury układu scalonego

Przykładowe układy scalone Układy scalone Procesor Si Hybrydowe układy scalone Ge

Prawo Moore a

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

Porównanie TTL z CMOS Bramka logiczna NOT (negator) w technologii tranzystorów bipolarnych (TTL) podczas zamiany stanu H (stanu wysokiego około 5 V) na stan L (stan niski około 0 V) zamienia energię elektryczna na ciepło, płynie prąd (świeci się dioda LED). Bramka NOT wykonana w technologii CMOS (komplementarne pary tranzystorów polowych) nie pobiera energii podczas negacji stanu H ani też podczas negacji stanu L!!!. Dlatego technologia CMOS zdominowała pamięci i procesory.

Źródła: A) Filmy: 1) http://video.google.com/videoplay?docid=5523879923756019690 2) www.youtube.com/watch?v=gl-qmuuqhvm 3) www.youtube.com/watch?v=9s5owqoxen8 4) http://video.google.com/videoplay?docid=2188562935002257117 5) http://video.google.com/videoplay?docid=3211083609505219709 6) www.youtube.com/watch?v=lwfcqpjzjym 7) www.youtube.com/watch?v=awvywhzuhnq 8) www.youtube.com/watch?v=uwt-hpcr5gg&feature=related 9) www.youtube.com/watch?v=a70cw9jozqc&feature=related Artykuły w internecie 1) http://pl.wikipwdia.org/ 2) www.angelfire.com/planet/funwithtransistors/book CHAP-4A.html 3) www.daheiser.info/vtt/text/vacuum%20tube%20characteristic%20equations.pdf 4) www.bibliotecapleyades.net/ciencia/esp 5) http://scalak.elektro.agh.edu.pl/students/a1/strony/hel42.htm 6) http://scalak.elektro.agh.edu.pl/students/a1/strony/hel43.htm 7) http://archiwum.wiz.pl/1996/96122700.asp 8) www.sscs.org/adcom/transistorhistory.pd 9) http://ourworld.compuserve.com/homepages/andrew_wylie/history.htm 10) http://www.ti.com 11) http://www.intel.com 12) www.angelfire.com/planet/funwithtransistors/book CHAP-4A.html 13) www.daheiser.info/vtt/text/vacuum%20tube%20characteristic%20equations.pdf 14) http://bquinndesign.com/aboutus.aspx 15) Wikipedia. Literatura 1). F. Collins, The Radio Amatour s Hand Book, 1922. 2) M. Riordan, Rev. Modern Phys. 71 (1999) S336. 3) G. Rizzoni, Electrical and Computer Engineering, McGraw Hill 2006. 4) P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKŁ, Warszawa 1992, 1995. 5) A. Agrawal, J.H. Lang, Fundations of Analog and Digital Electronic Circuits, Elsevier 2005.