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.

Zastosowania?

Zastosowania?

Występowanie tej siły oznacza, że możemy zamieniać energię elektryczna na mechaniczna.

Zamiana energii mechanicznej na elektryczną i jej transport do odbiorców.

U odbiorców energia elektryczna zamieniana jest na energie:

mechaniczną (wiatrak), oświetlenie, ciepło itp..

„Elektrownia” Odbiorniki energii

„Poczuliśmy też prawo zachowania energii.

Gdy obciążenie odbiornikami

energii wzrastało ciężej było obracać zwojami prądnicy!”

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/r

²

z odległością r bo obszar, w który się

rozprzestrzenia

zwiększa się jak r

²

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

Diody

Diody próżniowe

Diody świecące LED

Diody półprzewodnikowe

Układ Graetza Fotodioda

Dioda wysokonapięciowa Dioda dużej mocy

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

„Mobilne dziury”

„Mobilne elektrony”

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 E_F. 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 E

₁

aby zmieniać Rs a uzyskujemy dużą

energię E

₂

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

kolektorem i emiterem.

Demonstracja efektu wzmocnienia

1) Brak dźwięku

(sygnał z generatora zbyt słaby)

2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy)

Zmiany napięcia

0,6 V - 0,55 V

3 V – 1 V

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

Hybrydowe układy scalone Procesor

Si

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.