Εισαγωγή στις κρυσταλλολυχνίες (Transistors)

Transcript

1 Εισαγωγή στις κρυσταλλολυχνίες (Transistors) Dr. Petros Panayi Διακόπτες Ένας διακόπτης είναι μια συσκευή που αλλάζει τη ροή ενός κυκλώματος. Το πρότυπο είναι μια μηχανική συσκευή (παραδείγματος χάριν ένας διακόπτης σιδηροδρόμου) που μπορεί να αποσυνδεθεί από μια σειρά ροής και να συνδεθεί με άλλη. Στην απλούστερη περίπτωση, ένας διακόπτης έχει δύο κομμάτια του μεταλλικές επαφές που αγγίζουν για να κάνουν ένα κύκλωμα, και χωρίσουν για να ανοίξουν το κύκλωμα. Ερώτηση: Σχεδιάστε μία OR Gate με μηχανικούς διακόπτες.

2 Διακόπτες OR Gate με μηχανικούς διακόπτες. V = 250Vac A B 0 V Ηλεκτρονόμος Ένας ηλεκτρονόμος (relay) είναι ένας ηλεκτρικός διακόπτης που ανοίγει και κλείνει υπό έλεγχο ενός άλλου ηλεκτρικού κυκλώματος. Στην αρχική μορφή, ο διακόπτης ελέγχεται από έναν ηλεκτρομαγνήτη ο ποιος ανοίγει ή κλείνει μιαήπολλάσύνολαεπαφών. Επειδή ένας ηλεκτρονόμος είναι σε θέση να ελέγξει ένα κύκλωμα παραγωγής της υψηλότερης δύναμης από το κύκλωμα εισαγωγής, μπορεί να θεωρηθεί, γενικά, μια μορφή ηλεκτρικού ενισχυτή.

3 Ηλεκτρονική λυχνία (Vacuum Tubes) Η ηλεκτρονική λυχνία είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται γενικά για να ενισχύσει, να μεταστρέψει ή να τροποποιήσει, ένα σήμα με τον έλεγχο της μετακίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα εκκενωθέν διάστημα. Δίοδος(diode) Τρίοδος(Triode) Ημιαγωγοί (Semiconductors) Ένας ημιαγωγός είναι ένα στερεό υλικό του οποίου ηλεκτρική αγωγιμότητα μπορεί να ελεγχθεί, είτε μόνιμα είτε δυναμικά. Οι ημιαγωγοί είναι παρά πολύ σημαντικοί τεχνολογικά και οικονομικά. Το πυρίτιο είναι ο σημαντικότερος ημιαγωγός. Βρίσκεται κατά ένα μεγάλο μέρος ως οξείδιο πυριτίου όπως η άμμος.

4 Ν Type και P Type Ημιαγωγοί Η προσθήκη των pentavalent impurities όπως το αντιμόνιο, αρσενικό ή φωσφορούχος συμβάλλει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, αυξάνοντας πολύ την αγωγιμότητα του εγγενούς ημιαγωγού. Η προσθήκη των trivalent impuritiesόπως το βόριο, το αργίλιο ή το γάλλιο δημιουργεί τις ανεπάρκειες των ηλεκτρονίων σθένους, αποκαλούμενες "τρύπες". Δίοδος (Diode) Όταν φέρουμε μαζί n Type και p Type ημιαγωγούς οι τρύπες και τα ηλεκτρόνια τείνουν να μετκηνηθούν πέρα από τη σύνδεσή τους και ως εκ τούτου να δημιουργήσουν μια περιοχή εμποδίων με μια πολύ υψηλή αντίσταση, αποτρέποντας κατά συνέπεια την περαιτέρω διάχυση στις τρύπες και το ηλεκτρόνιο

5 Δίοδος (Diode) Εάν η p-περιοχή του ημιαγωγού συνδέεται με το θετικό τερματικό της πηγής και τη n-περιοχή του ημιαγωγού στο αρνητικό τερματικό της πηγής το αποτέλεσμα είναι ότι και οι τρύπες και τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τη σύνδεση της διόδου από το p-και τις p-περιοχές αντίστοιχα. Συνεπώς, ηαντίσταση του εμποδίου μειώνεται και οι τρέχουσες ροές μέσω της διόδου. Δίοδος (Diode) Εάν η p-περιοχή του ημιαγωγού συνδέεται με το αρνητικό τερματικό της πηγής και τη n-περιοχή του ημιαγωγού στο θετικό τερματικό της πηγής. Κατά συνέπεια, και οι τρύπες και τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τη σύνδεση της διόδου από το p-και τις n-περιοχές αντίστοιχα. Συνεπώς, η αντίσταση του εμποδίου αυξάνει πολύ και σχεδόν δεν υπάρχει καμία ροή ηλεκτρισμού μέσω του κυκλώματος.

6 Δίοδος (Diode) (Διπολική κρυσταλλολυχνία συνδέσεων) Bipolar Junction Transistor (BJT) Μια διπολική κρυσταλλολυχνία συνδέσεων (BJT) είναι ένας τύπος κρυσταλλολυχνίας. Είναι μια συσκευή που κατασκευάζεται από τα υλικά που είδαμε πιο πάνω και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις διάφορες εφαρμογές για ενίσχυσης ή σαν διακόπτης. Οι διπολικές κρυσταλλολυχνίες ονομάζονται έτσι επειδή η λειτουργία τους περιλαμβάνει και τα ηλεκτρόνια και τις τρύπες.

7 Απλή υλοποίηση πυλών με BJT NOT Gate NAND Gate AND Gate OR Gate NOR Gate TTL και 74LS Η λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ (transistor-transistor logic TTL) αποτέλεσε την κύρια τεχνολογία κατασκευής ψηφιακών κυκλωμάτων με τρανζίστορ διπολικής επαφής. Τα κυκλώματα TTL βελτίωσαν το κύριο μειονέκτημα της (resistor-transistor logic RTL (πιο πάνω), τη μειωμένη δηλαδή ταχύτητα λειτουργίας. Πύλες TTL αποτέλεσαν την πρώτη μορφή κυκλωμάτων TTL και ονομάζονται standard TTL. Οι πύλες αυτές είναι επίσης γνωστές με τον κωδικό κατασκευής τους: 74xx, όπου ο αριθμός xx περιγράφει τη λογική λειτουργία της πύλης. Tα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά των πυλών standard TTL, δίνονται από τους κατασκευαστές αλλά η τιμή xx είναι πάντα η ίδια για συμβατότητα.

8 TTL και 74LS Η πρώτη υπο-οικογένεια TTL, η οποία ενσωμάτωσε μία σειρά τεχνολογικών εξελίξεων στα κυκλώματά της ήταν η σειρά Shottky TTL (74S, έτος εισαγωγής 1970). Τα κυκλώματα της σειράς αυτής χρησιμοποιούν τρανζίστορ και διόδουςshottky.μία δίοδος Schottky σχηματίζεται στην επαφή μετάλλου και ημιαγωγού. ΗσειράSchottky χαμηλής ισχύος 74LS (low-power Schottky, έτος εισαγωγής 1975) καθιερώθηκε ως το πρότυπο για τα συστήματα TTL χαμηλής ισχύος γενικού σκοπού. Οι πύλες LS TTL παρουσίαζαν την ίδια ταχύτητα λειτουργίας με τις standard TTL αλλά με κατανάλωση ισχύος μόλις το 1/5 των standard TTL, γεγονός που τις καθιστούσε ιδανικές για σχεδιάσεις συστημάτων γενικού σκοπού. Οδηγητική ικανότητα TTL Μία πύλη TTL παρέχει (source) ή καταβυθίζει (sink) ρεύμα προς/από τις εισόδους των πυλών που οδηγεί, ανάλογα με τη λογική κατάσταση της εξόδου. Οδηγητική ικανότητα TTL

9 Λίγο από Ιστορία Η τεχνολογία CMOS αναπτύχθηκε αργότερα από εκείνη των τρανζίστορ διπολικής επαφής. Κατά τα πρώτα χρόνια της εμπορικής εφαρμογής της (δεκαετία του 70) αποτέλεσε εναλλακτική λύση για συστήματα χαμηλής ισχύος λόγω της ιδιαίτερα μειωμένης κατανάλωσης ενέργειας έναντι των λογικών κυκλωμάτων με τρανζίστορ διπολικής επαφής. Από την άλλη πλευρά, το βασικό μειονέκτημα των κυκλωμάτων CMOS ήταν η αργή λειτουργία τους. Στις επόμενες δεκαετίες ( 80-90), τόσο η τεχνολογία CMOS όσο και η διπολική τεχνολογία ακολούθησαν την κατασκευαστική τάση για συρρίκνωση των διαστάσεων των τρανζίστορ και της αύξησης της ταχύτητας λειτουργίας τους. Η διπολική τεχνολογία παρέμεινε γρηγορότερη, χωρίς όμως να επιτύχει σημαντική μείωση της κατανάλωση ισχύος. Η τεχνολογία CMOS όμως ήταν ιδανική για λογικά κυκλώματα μεγάλης ολοκλήρωσης και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Στις αρχές της δεκαετίας του 90 οι κατασκευαστικές διαστάσεις των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έφτασαν το 0.5μm. Το γεγονός αυτό επέτρεψε την κατασκευή κυκλωμάτων CMOS πολύ μεγάλης ολοκλήρωσης, η απόδοση των οποίων σε επίπεδο συστήματος (λειτουργικότητα) ξεπέρασε την μεμονωμένη απόδοση (ταχύτητα) των τρανζίστορ διπολικής επαφής. Έκτοτε η τεχνολογία CMOS είναι κυρίαρχη στον χώρο των ψηφιακών κυκλωμάτων. Field Effect Transistors (FET) Η field-effect κρυσταλλολυχνία (FET- Επίδρασης Πεδίου) είναι μια κρυσταλλολυχνία που στηρίζεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο για να ελέγξει τη μορφή και ως εκ τούτου η αγωγιμότητα ενός "καναλιού" σε ένα υλικό ημιαγωγών. JFET (Junction Gate Field-Effect Transistor) Ο ηλεκτρισμός ρέει από μια σύνδεση, πηγή (Source), σε μια δεύτερη σύνδεση, αποκαλούμενη Drain. Μια τρίτη σύνδεση, ηπύλη(gate), καθορίζει πώς αυτό το ρεύμα ρέει. Με την εφαρμογή μιας αυξανόμενης αρνητικής (για n-channel JFET) τάσης στην πύλη, ητρέχουσαροή από την πηγή στον αγωγό μπορεί να εμποδιστεί και στην πραγματικότητα σβήνοντας την κρυσταλλολυχνία. Σε αντίθεση με τα τρανζίστορ διπολικής επαφής, η πύλη δεν διαρρέεται από ρεύμα. Circuit symbol for a p-channel JFET Electric current flow from source to drain in a p-channel JFET is restricted when a voltage is applied to the gate.

10 Metal-Oxide-Semiconductor Field- Effect Transistor (MOSFET) Σε ένα n-channel MOSFET εφαρμόσουμε μια θετική τάση (+) στο Gate, δημιουργεί n-channel στην επιφάνεια της περιοχής p, ακριβώς κάτω από το οξείδιο (η πύλη είναι απομονωμένη από την περιοχή του καναλιού μέσω ενός επιπέδου οξειδίου του πυριτίου (SiO2)), με τη μείωση των τρυπών αυτής της περιοχής. Αυτό το κανάλι επεκτείνεται μεταξύ της πηγής (Source) και του αγωγού (Drain), αλλά το ρεύμα διευθύνεται μέσω του μόνο όταν η τάση στο Gate είναι αρκετά υψηλή για να προσελκύσει τα ηλεκτρόνια από την πηγή στο κανάλι. Όταν η τάση μεταξύ Gate και του Source είναι μηδέν ή αρνητική το κανάλι εξαφανίζεται και κανένα ρεύμα δεν μπορεί να ρεύσει μεταξύ της πηγής και του αγωγού. pmos nmos Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) Η CMOS χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό MOSFET p-τύπων και n- τύπων κρυσταλλολυχνιών για την υλοποίηση πυλών και άλλων ψηφιακών κυκλωμάτων που βρίσκονται στον εξοπλισμό υπολογιστών, τηλεπικοινωνιών και επεξεργασίας σήματος. Σε σχέση με τα BJT τα CMOS προσφέρουν μειωμένο θόρυβο κατά την λειτουργία τους καθώς και χαμηλή κατανάλωση ρεύματος. Το τελευταίο συνεπάγεται και πιο χαμηλή εκπομπή θερμότητας κατά την λειτουργία τους επιτρέποντας περισσότερες πύλες αν IC. Το CMOS έχει γίνει η κυρίαρχη τεχνολογία στα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα. >75% του συνόλου των παραγόμενων ψηφιακών κυκλωμάτων. Αυτό είναι ουσιαστικά επειδή το μέγεθος των IC, η λειτουργούσα ταχύτητα, η ενεργειακή αποδοτικότητα και το κόστος παραγωγής έχουν ωφεληθεί και συνεχίζουν να ωφελούνται από τη γεωμετρική συρρίκνωση που έρχεται με κάθε νέα γενεά των διαδικασιών κατασκευής ημιαγωγών. Επιπλέον, η απλότητα και η οικονομική λειτουργία των κυκλωμάτων CMOS έχουν επιτρέψει τις πυκνότητες κρυσταλλολυχνιών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μη δυνατές με BJT. Static CMOS Inverter CMOS NAND Gate

11 Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) 4000 series CMOS Logic ICs Στατικές προφυλάξεις. Λόγο της χρήσης κυκλώματος CMOS σημαίνουν ότι 4000 σειρές ICs είναι στατικές ευαίσθητες. Αγγίζοντας τα με τα χέρια σας μπορεί να βλάψει το ολοκληρωμένο κύκλωμα αν είστε φορτισμένος με στατική ηλεκτρική ενέργεια. Στην πραγματικότητα τα περισσότερα ICs σε κανονική χρήση είναι αρκετά ανεκτικά και η γείωση των χεριών σας με το να αγγίξετε ένα πλαίσιο υδροσωλήνων ή παραθύρων μετάλλων πριν αγγίξετε τα ICs θα είναι επαρκής. Τα ICs πρέπει να αφεθούν στην προστατευτική συσκευασία τους έως ότου τα χρησιμοποιήσετε. TTL 74LS Vs CMOS Supply Voltage Input Current Output Current Speed Power Dissipation Static Sensitive TTL 74LS +5V ±5% ~0.25mA ~0.4mA FAST, 25MHz High 2 mw/gate NO 4000 CMOS +3 to +18V None Required 0 Slow, 2MHz low 0.3mW/gate YES