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

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 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

(Rs może być lampą lub tranzystorem).

Wkładamy mało energii E

1

aby zmieniać Rs i uzyskujemy dużą

amplitudę energii E

2

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

= U

2

/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej

wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość
P

wy

≈

P

max

= U

2

/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

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.

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

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

.

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

2

!).

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

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
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