Od lampy do układu scalonego

Lekcje dla licealistów 2009

Od lampy do układu scalonego

F. Gołek Uniwersytet Wrocławski

Zanim wynaleziono lampę

W latach 1861 – 1873 J.C. Maxwell opisuje równaniami poznane zjawiska elektryczne i magnetyczne.

.

Dla zaawansowanych.

Równania Maxwella

Równanie fali

Prędkość fali

Ciekawy związek między stałymi

Zanim wynaleziono lampę

Z równań Maxwella wynika, że istnieją fale elektromagnetyczne (o prędkości światła).

Tę sensację potwierdza w roku 1888 H.R. Hertz.

Zanik sygnału i szum elektryczny

Komunikacja bezprzewodowa

Nikola Tesla od 1892 r. pracuje

nad bezprzewodową transmisją energii i informacji.

W 1899 r. G. Marconi realizuje

bezprzewodowy telegraf dla komunikacji

poprzez kanał La Manche.

Nadajnik iskrowy i odbiornik

Tylko do przekazu impulsów

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).

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 detekcję

słabych sygnałów. Albo lepsze detektory

albo wzmacnianie sygnału.

Co to jest wzmacnianie sygnału?

Wzmocnienie w elektronice 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

Wkładamy mało energii E₁ aby zmieniać Rs i uzyskujemy dużą amplitudę energii E₂ 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 = Ro × U/(Ro + Rz) – napięcie na Ro U_Rz = 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 ≈ ^Pmax = U²/Ro. Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który

„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.

Układy elektroniczne to są te układy, które zawierają elementy aktywne.

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 1879 r.

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

.

Trioda próżniowa

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.

Demonstracja efektu wzmocnienia

1) Brak dźwięku

(sygnał z generatora zbyt słaby)

2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy)

Lampa trioda może wzmacniać!

Budowa triody, video.

Co mogą lampy elektronowe?

1) Diody – najprostsze dwuelektrodowe lampy mogą „prostować” prąd.

2) Triody – trzyelektrodowe lampy mogą: a) być wyłącznikami, b) wzmacniać sygnały

elektryczne, c) generować periodyczne

przebiegi napięcia dla nadajników, pieców indukcyjnych itp.

3) Bardziej złożone lampy stosowano w telewizji, radio itp. a w technologii

mikrofal i radarze stosowane są nadal.

Ale lampy są duże i

nieekonomiczne!

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 zastąpienia

przełączników 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.

(Po 2 Wojnie Światowej Shockley i jego grupa w Bell

Lab miała na celu zastąpić czymś lepszym tysiące

bardzo zawodnych mechanicznych przekaźników w

centralach telefonicznych)

Pierwszy tranzystor

W budowie tego tranzystora trudno 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!

Krzem typu p i typu n

.

Złącze pn

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

.

Barierę potencjału stanowią jony.

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 emiterem.

Demonstracja efektu wzmocnienia

1) Brak dźwięku

(sygnał z generatora zbyt słaby)

2) Słychać dźwięk

(Po wzmocnieniu

sygnał znacznie

większy)

Demonstracja tranzystora 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. radar lub wzmacniacze akustyczne.

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

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 i fotolitografię – pisanie światłem.

Uzyskiwanie krzemu o czystości

99,9999999%

Po pocięciu kryształu

krzemu na plastry (wafle) o grubości około 1mm i

średnicy do 30 cm następuje fabrykacja

układów scalonych. Proces ten składa się z około 350 etapów. Wśród nich są

polerowania, utleniania,

nanoszenia tzw. rezystów, naświetlania, trawienia,

nanoszenia cienkich

warstw, domieszkowania i

kilku innych.

Układ scalony Obecnie układy scalone o bardzo wysokiej skali

integracji mogą mieć

ponad 500 000 000

tranzystorów!

Układ scalony, video.

1971 – pierwszy mikroprocesor INTEL 4004 (4-bitowy, 2250 tranzystorów, moc obliczeniowa jak w komputerze ENIAC – 18000 lamp i 30 ton wagi)

Znaczki na niektórych układach scalonych^.

Przyszłość ^.

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) http://www.alaska.net/~natnkell/leyden.htm 16) http://home.earthlink.net/~lenyr/stat-gen.htm

Literatura

1) F. Collins, The Radio Amatour’s Hand Book, 1922.

2) M. Riordan, Rev. Modern Phys. 71 (1999) S336.

3) P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKŁ, Warszawa 1992, 1995.

To fizycy wynaleźli:

Tranzystor, Komputer, Laser,

i WWW