Wykład: Od lampy do układu scalonego.

DOLNOŚLĄSKI FESTIWAL NAUKI 2008

Franciszek Gołek

Wydział Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Wrocławski.

Wykład: Od lampy do układu scalonego.

Od lampy do układu scalonego

Festiwal nauki 2008 Franciszek Gołek Uniwersytet Wrocławski

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 1861 – 1873 J.C. Maxwell

opisuje równaniami poznane zjawiska

elektryczne.

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.

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 24-05-1844 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”).

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)

Dużo drutu!

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 1995 - mikrofale i światłowody rozpoczęły skuteczne wypieranie poprzedniego system.

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.

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 E_s=I²R_Lt (gdzie: E_s – energia stracona, I – prąd w linii przesyłowej, R_L – 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

Nadajnik iskrowy i odbiornik

Zanik sygnału i szum elektryczny

Nadajniki iskrowe i odbiorniki

Zmodulowany amplitudowo sygnał

ciągły i jego detekcja

Demonstracja: Wizualizacja sygnału zmodulowanego amplitudowo.

U1 – przed detekcją (bezpośrednio z generatora), U2 – po detekcji (bez użycia kondensatora usprawniającego), U3 – po detekcji (z kondensatorem).

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)

Komentarze: W Anglii Markoni, jego współpracownicy i wielu innych w okresie 1895 – 1912 sądziło, że iskra (wyładowanie elektryczne) jest istotnym

elementem w bezprzewodowym przekazie energii i komunikacji. Złote lata iskry trwały od 1900 do 1915. 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 1898 –1906 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.

Przy bardzo słabych sygnałach nie radzą sobie nawet najlepsze detektory.

Dlaczego sygnał szybko słabnie

z odległością od nadajnika?

Sygnał słabnie

proporcjonalnie do

1/R

z odległością R bo obszar, w który się

rozprzestrzenia

zwiększa się jak R

W przestrzeni ma miejsce

efekt rozrzedzania energii

i wymagany jest jakiś sposób na

wzmacnianie sygnału.

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 E

aby zmieniać Rs a uzyskujemy dużą

energię E

w Ro.

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

U

= Ro × U/(Ro + Rz) – napięcie na Ro U

= 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 P_min = 0 do P_max = U²/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość

P_wy

≈

„pokręcił” rezystorem Rz była mniejsza od P_max to otrzymaliśmy wzmocnienie sygnału K_P = P_wy /P_s. 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.

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.

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

.

Trioda próżniowa Lee De Forest 1906 – pierwsza trioda próżniowa o nazwie „audion” przeznaczona była do

czulszej detekcji sygnałów. Langmiur 1912 - 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.

Pokaz video: „budowa triody”

Demonstracja efektu wzmocnienia

1) Brak dźwięku

(sygnał z generatora zbyt słaby)

2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy)

Lampa trioda może wzmacniać!

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!

Julius Lilienfeld w 1926 r.

opatentował ideę, że słabo przewodzący

materiał umieszczany w polu elektrycznym będzie zmieniał swoje przewodnictwo

pozwalając na uzyskanie efektu wzmocnienia.

Przemysł telekomunikacyjny

stosował przez wiele lat niedogodne lampy próżniowe i psujące się

mechaniczne przełączniki.

Istniała silna potrzeba zastąpić te

przełączniki czymś lepszym.

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.

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!!!

Kontaky ostrzowe są bardzo niestabilnymi kontaktami!

Tranzystory złączowe OK!

Krzem typu p i tpu n

.

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

Dioda

.

Dioda spolaryzowana zaporowo

Dioda

przewodzi

.

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

kolektorem i

Demonstracja efektu wzmocnienia

1) Brak dźwięku

(sygnał z generatora zbyt słaby)

2) Słychać dźwięk

(Po wzmocnieniu

sygnał znacznie

większy)

Demonstracja tranzystor polowego z izolowaną bramką

Dla otwarcia

lub zamknięcia kanału wystarcza zmiana

małego ładunku elektrycznego

na bramce.

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 1cm

!).

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.

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.

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.

Układ scalony

i układ scalony o bardzo

wysokiej skali integracji

Czy elektronika może pamiętać?

Przykłady: przerzutniki, rejestry...

Czy elektronika może liczyć?

Przykłady: bramki logiczne....

Oszczędne energetycznie układy

CMOS. Przykład: negator – bramka logiczna

zmieniająca wartość 0 na 1 oraz 1 na 0.

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.