Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transkriptio

1 Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)

2 Bipolaaritransistori BJT Versio Bipolar Junction Transistor, liekkö turhakin keksintö? BJT Nobel 1956 (Bell Labs, nykyisin Alcatel-Lucent) Bell Labs: Where vision and technology meet customers... Aalto ELEC: Where science and technology meet society Mikroelektroniikan lähtölaukaus IC 1959 (2 BJT, Texas Instruments), Nobel 2000 Operaatiovahvistin 1963 (9 BJT, Fairchild Semiconductor) Erilliskomponenttina tai anturina sekä bipolaarisissa mikropiireissä (opva, regulaattori, tietyt logiikkapiirit, ym.) Keskinkertainen integroitavuus, pikemminkin muita etuja Page 2 (28)

3 The Transistor Three: Schockley, Bardeen, Brattain Nobelisteja, Bardeenille toinen fysiikan Nobel 1972 suprajohtavuuden teoriasta Page 3 (28)

4 A Replica of the First Transistor, alinna Base Page 4 (28)

5 Bipolaaritransistori, Applications Signaalin vahvistaminen, esim. hifi-päätevahvistin Analogiset mikropiirit, mm. operaatiovahvistin, regulaattori Nopea kytkin, mm. hakkuriteholähteissä ja lähettimissä Nopeat logiikkapiirit (ECL) Signaalin generointi (oskillaattori) Anturi (lämpötila, valo) Page 5 (28)

6 Transistorityypit, npn vs. pnp Piirrosmerkki, rakenne, toimintaperiaate. Kanta (base), kollektori, emitteri. B C E n p n + βi B i B B C p n p + E Page 6 (28)

7 Transistor Man Selittää hyvin transistorin perustoiminnan, ks. seuraava sivu! "Tämän pikkumiehen elämäntehtävänä on yrittää toteuttaa yhtälöä I C = βi B, mutta ainoa asia, mitä hän voi tehdä, on kääntää säätövastuksen nuppia. Täten hän kykenee siirtymään oikosulusta (saturaatio) katkaistuun virtapiiriin (off-tila) tai mihin tahansa tilaan niiden välille." Kirjaa voi lukea elektronisena versiona, kirjoita Googleen hakusanoiksi: The art of electronics Horowitz Hill Page 7 (28)

8 Transistor Man (h FE = β) Operaatiovahvistinmiehen esikuva Horowitz and Hill, The Art of Electronics Page 8 (28)

9 Toiminta puolijohdetasolla cf. Diode E emittoi elektronit C:lle, joka kerää ne. Vain pieni osa menee B:lle. I C + C n B E p n + n p I B + I E U CB U BE U BE nu I C = I S e T n = 1 I B = 1 β I C Page 9 (28)

10 Virtavahvistus β (ja α) Current Gain Tässä oleellisin: pieni i B säätelee paljon suurempaa i C :tä "virtavahvistus"! i C CCCS i B u CE 0,3 V i βi B B i u BE 0,7 V E i E u BE nu i C = βi B = αi E = I S e T i E = i C + i B = (β + 1)i B i C β = α 100 ( ) 1 α α = β 0,99 (0,95...0,998) β + 1 Page 10 (28)

11 Ominaiskäyrät Characteristic Curves Epäideaalisuus johtuu ominaiskäyristä. i i C SAT LIN B tai i C βi B1 i B1 βi B2 i B2 CUTOFF 0,3 V u CE } {{ } 0,7 V CUTOFF u BE Page 11 (28)

12 Reverse vs. Forward Virtalähteen sisäisen vastuksen r o takia nousevat suorat β R << β = β F k = 1 r o Page 12 (28)

13 Ebers-Moll Equivalent Circuit vrt. dtf.pdf npn: B C I CD α F I ED IED U BC α R I CD E U BE I ED = I ( ) U S BE U e T 1 α F I CD = I ( ) U S BC U e T 1 α R Page 13 (28)

14 Toimintatilat, Operation Modes Sulkutila (E), lineaarinen toiminta, kyllästystila (0,3 V) 0 0 säätö > 0,7 V i B βi B E...0,3 V E Page 14 (28)

15 CUT, AKT or SAT as a function of E BB E BB + R B I B + U BE = 0 ja U CE R C I C + E CC = 0 β = 100 R B I 1 kω B 0,7 V E BB I C βi B R C 47 Ω 5 V U CE E CC C 0,5 V 0 ma β = 0 ma 5 V C/A 0,7 V 0 ma β = 0 ma 5 V A 1,2 V 0,5 ma β = 50 ma 2,65 V A/S 1,7 V 1 ma β = 100 ma 0,3 V S 2,0 V 1,3 ma 100 ma 0,3 V Page 15 (28)

16 Biasointi ja kytkentäkondensaattorit Biasointi eli "esijännittäminen"tarkoittaa tasavirtojen säätämistä niin, että päästään halutulle kohdalle ominaiskäyriä. Tasavirta otetaan jännitelähteestä tai vakiovirtalähteestä. Signaali tuo mukaan ajan funktiona muuttuvan virran. signaali i b C IB i B DC I C signaali i C i c C Page 16 (28)

17 Tasavirta- vs. piensignaalianalyysi Tämä tehtiin jo diodilla tehtävässä 74 I B = virran vakio-osa eli keskiarvo, d.c. i b = virran vaihteleva osa, a.c.-signaali i B = I B + i b = kokonaisvirta, d.c. + a.c. U BE +u be i C I S e nu T = U BE nu I S e T e } {{ } I C u be nu T i C = I C 1 + u be + 1 ( ) 2 ube +... nu T 2! nu } {{ T } 0 Taylorin sarja: d.c. + signaali + särö(t) distortion Tästä syntyy hybridi-π-sijaiskytkentä. Page 17 (28)

18 Kanavatransistori eli FET Field Effect Transistor Mikropiirit ja Mooren laki Mosfet on mikroelektroniikan tärkein pelinappula Kuka kertoisi tästä tiedotusvälineille!? FET-tyypit, rakenne ja toiminta Triodialue vs. saturaatioalue Yhtälöt ja parametrit Jänniteohjattu (elektroninen) kytkin Jännitteellä säädettävä vastus Fet signaalinkäsittelyssä Lisätietoa: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit Page 18 (28)

19 Kanavatransistorit FETs avauskanavatransistori, sulkukanavatransistori ja liitoskanavatransistori G CMOS enmos avaus D S epmos avaus dnmos sulku dpmos sulku njfet liitos pjfet liitos G D S B (vain MOSFET) gate drain source body, bulk hila nielu lähde substraatti Page 19 (28)

20 Avauskanavatransistori, ENMOSFET keskitymme tähän tyyppiin N-Channel Enhancement-MOSFET (E-MOSFET) Kerrosvoileipä: metalli piidioksidi d puolijohde (pii, Si) elektroneja inversiokerros p n 32 nm prosessi d = 0,9 nm D + G S n + d n + L = 30 nm p W B n + = vahvasti seostettu n-puolijohde (paljon vapaita elektroneja) MOS = Metal-Oxide-Semiconductor FET = Field-Effect-Transistor MOSFET = IGFET = Insulated-Gate-FET Page 20 (28)

21 Kynnysjännite ja kanavan virta Threshold Voltage Kanava voidaan avata ja sulkea osittain tai kokonaan hilaportin kautta u GS i D i G = 0 u DS > 0 i S ohjausjännite kanava käyttövoima i G = 0 i D = i S Kynnysjännite U t (t = threshold) u GS U t i D 0 u GS U t i D 0 Subthreshold-alue ja heikko inversio: matala jännite, pieni virta Page 21 (28)

22 Toiminta-alueet: Cut, Ohm, Tri, SAT(FET) SAT(BJT) MOSFETin johtavuusparametri K = 2 1 µ W nc OX Conductivity Parameter L I D Ohm Tri Sat (lin) Tri U GS2 U GS1 Cut Cutoff I D = 0, kun U GS U t U DS Ohmic (Triode) u DS << u GS U t : I D K[2(U GS U t )U DS ] Triode u DS u GS U t : I D = K[2(U GS U t )U DS U 2 DS ] Saturation u DS u GS U t : I D = K(U GS U t ) 2 Page 22 (28)

23 Hyvä esimerkki, kattaa DC-analyysin, STE s. 317, EPJK s. 213 Toiminta-alueet: C = Cut, S = Sat, T = Tri. SAT : I D = K(V GG U t ) 2 K = 1 ma/v 2 U t = 2 V R D 2 k I D V DD 10 V GG U GS U DS C/S 2,0 V U t 0 ma 10 V S 3,0 V 1,0 ma 8,0 V > U GS U t S/T 4,0 V 4,0 ma 2,0 V 4,0 2 T(S) 4,2 V 4,84 ma 0,32 V < 4,2 2 T 4,2 V 4,28 ma 1,449 V < 4,2 2 (seur. sivu) Page 23 (28)

24 Triodialueen käsittely (taulukon viimeinen rivi) Jatkoa edelliseltä sivulta. Eri virtayhtälö, koska ollaan TRI-alueella: TRI, OK I D = K [ 2(V GG U t )U DS U 2 ] V DD U DS DS = R D K 2(V } {{ } GG U t ) U } {{ }}{{} DS 2 2,2 x }{{} x 2 U 2 DS = V }{{} DD 10 R D U DS }{{} x 2x 2 9,8x + 10 = 0 x = 2,45 ± 1,001 U DS = x = 1,449 V< U GS U t = 2,2 V Page 24 (28)

25 Mikropiirien kehitys Integrated circuits MOSFET mikroprosessori IC (flip-flop, 2 kpl BJT, hybridi) 1959 Texas Instruments, Jack Kilby (taskulaskin), Nobel 2000 MOSFET 1960 (Bell Labs.) Etninen tausta: M. Atalla s ja D. Kahng k CMOS (= NMOS + PMOS) (RCA) Yleisin mikropiiriteknologia (CPU, GPU, DRAM, SSD, ym.) Intel 1968 ( More-Noise ) Gordon Moore ja Robert Noyce, Fairchild (IC myös 1959) Noycen IC oli monoliitti, menikö Nobel väärälle miehelle? 8 chipin tilaus 1969, vain 2 suunnittelijaa, piti keksiä Mikroprosessori 4004 vuonna 1971 Page 25 (28)

26 Mikropiirit, IC Luokittelu, esim. ULSI = Ultra Large Scale Integration Small, Medium, Large, Very Large, Ultra, Giant,... Gimme bigger words! BFL? Loogisia portteja Fettejä SSI < 10 < 10 2 MSI < 10 2 < 10 3 LSI < 10 3 < 10 4 VLSI < 10 4 < 10 5 ULSI < 10 5 < 10 6 GSI > 10 5 > 10 6 i7-980x Xeon 8-core Page 26 (28)

27 Moore s Law. Alamainen pyytää kuninkaalta riisinjyviä palkkioksi palveluksestaan; hölmö kuningas myöntyy! Olet nyt tässä IC 1959 µp PC 1983 Win 95 iphone -07 Ubuntu 2019? 1 jyvä shakkilaudan 1. ruutuun 2 jyvää 2. ruutuun jyvää 10. ruutuun vadillista jyviä vuonna Biljoona uima-altaallista jyviä 64. ruutuun (2053) Page 27 (28)

28 Ensi kerralla operaatiovahvistin Elektroniikan yleistyökalu Googlaa esim. "Opamps for everyone Texas Instruments (hyvä PDF-kirja). Toinen opas: Tämä viikko on labrojen A-viikko! Page 28 (28)