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