Lekcje dla licealistów 2009
Od lampy do układu scalonego
F. Gołek Uniwersytet Wrocławski
 Zanim wynaleziono lampÄ™
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 lampÄ™
Z równań Maxwella wynika, że istnieją fale
elektromagnetyczne (o prędkości światła).
TÄ™ sensacjÄ™ potwierdza w roku 1888 H.R. Hertz.
Zanik sygnału i szum elektryczny
Komunikacja bezprzewodowa
Nikola Tesla od 1892 r. pracuje
nad bezprzewodowÄ… transmisjÄ…
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 usprawniajÄ…cego), U3  po detekcji (z kondensatorem).
Przy bardzo słabych sygnałach
nie radzÄ… sobie nawet najlepsze
detektory.
Dlaczego sygnał szybko słabnie
z odległością od nadajnika?
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 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 E1 aby zmieniać Rs i uzyskujemy dużą
amplitudÄ™ 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
URo = Ro × U/(Ro + Rz)  napiÄ™cie na Ro
URz = Rz × U/(Ro + Rz)  napiÄ™cie na Rz.
Przy zmianie Rz od wartości Rz>>Ro do Rz <wydzielana w Ro zmieni się w przybliżeniu
od Pmin = 0 do Pmax = U2/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej
wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość
Pwy H" Pmax = U2/Ro. Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który
 pokręcił rezystorem Rz była mniejsza od Pmax to otrzymaliśmy wzmocnienie
sygnału KP = Pwy /Ps. 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 pracujÄ… nad
ulepszaniem opatentowanych w 1879 r.
próżniowych żarówek, które w czasie pracy
ulegały poczernieniu. Zauważyli przepływ prądu
między grzaną i ujemnie spolaryzowaną
elektrodÄ… a zimnÄ… dodatnio spolaryzowanÄ…
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 z
ródło
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 prÄ…dem 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 dz
więku
(sygnał z generatora
zbyt słaby)
2) Słychać dz
więk
(Po wzmocnieniu
sygnał znacznie
większy)
Lampa trioda może wzmacniać!
Budowa triody, video.
Co mogÄ… lampy elektronowe?
1) Diody  najprostsze dwuelektrodowe
lampy mogą  prostować prąd.
2) Triody  trzyelektrodowe lampy mogÄ…: 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 sÄ… 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
pozwalajÄ…c 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
nazwanÄ… potem tranzystorem.
(Po 2 Wojnie Åšwiatowej Shockley i jego grupa w Bell
Lab miała na celu zastąpić czymś lepszym tysiące
bardzo zawodnych mechanicznych przekaz
ników 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 sÄ… 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 płaszczyz
nie 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. A
adunek 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 prÄ…d 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
stanowiÄ… 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
pomocÄ… bazy
(zaworu), dokonuje
siÄ™ zamykanie i
otwieranie przepływu
dużego ładunku
(o dużej amplitudzie
mocy) między
Demonstracja efektu
wzmocnienia
1) Brak dz
więku
(sygnał z generatora
zbyt słaby)
2) Słychać dz
więk
(Po wzmocnieniu
sygnał znacznie
większy)
Demonstracja tranzystora polowego
z izolowanÄ… bramkÄ…
Dla otwarcia
lub zamknięcia kanału
wystarcza zmiana
małego ładunku
elektrycznego
na bramce.
Co mogÄ… tranzystory i diody?
W zasadzie robiÄ… to co lampy bez potrzeby
rozgrzewania czegokolwiek. Tranzystory są bardzo małe
i pozwalajÄ… na ich nieprawdopodobne upakowanie (setki
milionów na 1cm2!).
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 dajÄ…c 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
sÄ… 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.
y
ródła:
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, WKA
, Warszawa 1992, 1995.
To fizycy wynalez
li:
Tranzystor,
Komputer,
Laser,
i WWW