1 / 41

Transistoriteknologian kehitys

Transistoriteknologian kehitys. Ilpo Järvinen. Johdanto. Transistori digitaalisissa piireissä Tekniikka ennen transistoreja Puolijohdetransistori Integroidut piirit MOS PMOS, NMOS, CMOS Mikroprosessori. Transistori digitaalisissa piireissä. Toiminta perustuu puolijohdeilmiöön

leland
Download Presentation

Transistoriteknologian kehitys

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Transistoriteknologian kehitys Ilpo Järvinen

  2. Johdanto • Transistori digitaalisissa piireissä • Tekniikka ennen transistoreja • Puolijohdetransistori • Integroidut piirit • MOS • PMOS, NMOS, CMOS • Mikroprosessori

  3. Transistori digitaalisissa piireissä • Toiminta perustuu puolijohdeilmiöön • Puolijohde kappaleeseen muodostetaan valmistusvaiheessa rajapinta • Sähköisiä ominaisuuksia voidaan säädellä • Tyypit: bipolaarinen ja unipolaarinen • Digitaalisissa sovelluksissa: unipolaarinen • Toimii ohjauksen suhteen kytkimenä • Joko päästö- tai estotilassa • Tehonkulutus aiheuttaa piirin lämpenemisen

  4. Transistori piirissä

  5. Puolijohteet: germanium ja pii Kuvat: http://www.periodictabletable.com

  6. Veräjät • Kasataan transistoreja yhdistelemällä • Toteuttavat jonkin loogisen operaation (AND, OR, XOR, jne.) • Loogisia tiloja (0 ja 1) kuvataan jännitteillä (0V ja käyttöjännite) • Myös muut rakenteet mahdollisia toteuttaa • Tietoa tallentavat kiikut ja salvat

  7. Tyhjiöputki • 1883 Edison keksi tyhjiön sähkönjohtavuusominaisuuden • 1906 Ensimmäinen tyhjiöputki • Aluksi analogisiin sovelluksiin • 1930-luvulla ensimmäiset digitaaliset kokeilut • 1940-luvun puolivälissä digitaaliseen käyttöön (mm. ENIAC)

  8. Tyhjiöputkien ongelmia • Monia ongelmia • Toiminta ulkoisesta lämpötilasta riippuvainen • Suurikokoinen • Suuri tehonkulutus • paljon lämpöä • Paloi loppuun • Jatkuva huoltamistarve

  9. Julius Lilienfield • Tutki 1920-luvulla puolijohteita • 1926 patenttihakemus, joka voidaan luokitella puolijohdetransistoriksi • Prototyyppi ei toiminut • Muitakin keksintöjä samalta alueelta • 1930-luvulla unohtui

  10. Transistorin keksijät • Bell Labsilla vuonna 1945 ryhmä tutkimaan puolijohteita • William Shockley, 1910-1989 • Kehitellyt mm. U-235 fissiota, toisessa maailmansodassa käytettyä sotateknologiaa • Ryhmän johtaja, toimi kuitenkin paljon “omin päin” • Taitava ongelman ratkoja

  11. Transistorin keksijät (2) • John Bardeen, 1908-1991 • Teoreetikko • 1972 fysiikan Nobel (suprajohtavuudesta) • Walter Braittain, 1902-1987 • Käytännön mies • Vuonna 1956 keksijä kolmikolle fysiikan Nobel palkinto

  12. Puolijohdetransistori • Vuonna 1947 ensimmäinen transistori • Bardeen ja Braittain keksivät, Shockley teki ”omaa tutkimustaan” • Bell Labs vaati, että Shockley mainitaan, koska hän oli ryhmän johtajana • Johtimet ”asetettu” puolijohdekappaleen pinnalle • Erittäin epäluotettava • Toiminta vaihteli yksilöiden välillä • 1948 patenttihakemus • Shockleytä ei hakemuksessa • Hyväksyttiin 1950

  13. Puolijohdetransistori (2)

  14. Puolijohdetransistori (3) • Aluksi puolijohteena germanium • Kallista • Harvinaista • Shockley jatkoi kehittelyä • Etääntyi Bardeenista ja Braittainista • Vuonna 1951 varmatoimisempi bipolaaritransistori • Virta kulkee puolijohteen läpi, eikä ”pinnalla”

  15. Transistorin ominaisuuksia • Tyhjiöputkiin verrattuna ylivertainen • Pieni koko, virrankulutus ja hinta • Parempi lämmönsietokyky • Ei pala nopeasti loppuun • Valmistaminen helpompaa

  16. Ensimmäiset sovellukset • Vuonna 1954 TI toi markkinoille ensimmäiset piitransistorit • Samana vuonna transistoriradio • 1953 Bell Labsilta TRADIC • 800 transistorinen tietokone • 1955 IBM:ltä kaupallinen tietokone transistoreista • Korkea hinta • Ei ollut myyntimenestys

  17. Syitä integrointiin • Transistorit vievät tilaa • Moniin sovelluksiin liian suuri tilan tarve • Monimutkaiset rakenteet vaativat jopa monien piirilevyjen tilan • Puolijohdetransistoreja ei tyhjiöputkien tapaan jouduttu vaihtamaan • Ei tarvetta vaihtaa yksittäisiä komponentteja

  18. Geoffrey Dummer • Tutki integroituja piirejä 1950-luvulla • Armeijan toimeksianto • Toiminta pitkälti salaista • Prototyyppi ei toiminut • Ei saanut jatkorahoitusta

  19. Ensimmäinen integroitu piiri (IC) • Keksijänä Jack Kilby • 1923- • Keskinkertainen koulumenestys • Suunnittelu TI:llä vuonna 1958, muiden ollessa kesälomilla • Toteutus myöhemmin syksyllä • Patenttihakemus vuonna 1959 • Sisälsi 5 komponenttia • Ongelmana kultalangoista toteutetut johtimet • Sai vuonna 2000 fysiikan Nobelin

  20. Ensimmäinen IC (2)

  21. Fairchild Semiconductor • Shockley perusti 1955 Semiconductor Laboratoryn • Jätti Bell Labsin • Kokosi ympärilleen joukon nuoria insinöörejä: mm. Jean Hoerni, Gordon Moore, Robert Noyce • Ajautui nopeasti ongelmiin • Insinöörit erosivat ja perustivat oman yrityksen • Nykyisin tunnetaan nimellä Fairchild Semiconductorina

  22. Tasoon valmistettu IC • Jean Hoerni, Kurt Lehovec ja Robert Noyce kehittivät tahollaan IC:tä Fairchildilla • Riippumaton Kilbyn tutkimuksesta • Patenttihakemus muutama kuukautta Kilbyn hakemuksen jälkeen • Saivat patentin ennen Kilbyä vuonna 1961

  23. Tasoon valmistettu IC (2) • Teknisesti Kilbyn toteutusta parempi • Puolijohdekappale • Eristekerros • Johdinkerros • Nykyinen tekniikka hyvin samankaltainen • Tosin jopa 10 johdinkerrosta

  24. Texas Instruments vs. Fairchild Semiconductor • Päätyivät ristiinlisensoimaan toistensa keksinnöt oikeustaistelun lopettamiseksi • 1961 molemmat toivat markkinoille integroidun piirin • Muutama transistori ja vastus piirillä

  25. IC:iden valmistus • Alussa suuria ongelmia • Epävarma tuotantoprosessi • Jopa 90% piireistä kelvottomia • Korkea hinta • Jopa 100-kertainen yksittäisistä transistoreista koottuun verrattuna • Edes pieni tilantarve ei vakuuttanut monia asiakkaita • Laski kuitenkin nopeasti 1960-luvulla

  26. Mooren laki • Vuonna 1965 Gordon Moore tutki aikaisempien vuosien kehitystä • Havaitsi transistorimäärän hintaa kohden tuplaantuvan • Aluksi 12 tai 24 kk kausi • Vakiintui myöhemmin 18 kk:hon • Lakia on kritisoitu viime aikoina voimakkaasti

  27. Muistit • DRAM vuonna 1966 • Yksi transistori ja yksi kondensaattori per bitti • Aiemmin väh. 6 transistoria per bitti (SRAM) • 1967 • 256-bittinen IC SRAM Fairchildilta • IC DRAM IBM:ltä • 1969 Inteliltä 1kb DRAM

  28. MOS(FET) • Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor • Metallioksidin puolijohdeominaisuuteen perustuva transistori • Unipolaarinen • Aikaisempiin nähden • Pienempi tilan tarve • Pienempi tehonkulutus • Halvempi tuottaa • Hitaampi

  29. MOS(FET) (2) • Kaksi eri tyyppiä • NMOS (n-type MOS) ja PMOS (p-type MOS) • Erona ohjaavan syötteen polariteetti • Kahng ja Attalla kehittivät 1960 Bell Labsilla • Hitauden takia ei otettu vakavasti • Ensimmäinen MOS IC rakennettiinkin siksi 1962 RCA Research Laboratoryssä • Steven Hofstein, Fredric Heiman

  30. MOS(FET) (3)

  31. MOS(FET) (4) • Nykyisistä piireistä lähes kaikki perustuvat MOS-transistoreihin • Edelleen samoja ongelmia • Virran kulutus • Piirin lämpeneminen • Sisäänmenon suuruisen jännitteen kopiointi ulostuloon

  32. CMOS • Complementary MOS • Frank Wanlass keksi 1963 • Käyttöön vasta 1970-luvulla ja 1980-luvun alussa • Perustuu NMOS- ja PMOS-yhteiskäyttöön • 0- ja 1-tason kytkennät toteutettu toistensa loogisella komplementilla • Erittäin pieni virrankulutus • Sisäänmenon suuruinen ulostulon jännite ok

  33. CMOS (2) • AND veräjän toteutus • NOT(a NAND b) • t = 0, kun a AND b 1, kun !(a AND b) = !a OR !b • f = 0, kun t 1, kun !t

  34. MOS(FET) (3)

  35. TTL • Transistor-to-Transistor Logic • IC:t standardipiirejä, joissa veräjiä • Kytkennät toteutettiin piirilevyllä • Yleensä yhtä veräjää yhdellä piirillä • Fairchildilta Micromosaic vuonna 1967 • Ainoa “kapinallinen” • Nykyisten ASIC-piirien kaltainen toteutustapa • ~300 transistorinen piiri, joko NMOS tai PMOS • Johdinkerros oli asiakkaan päätettävissä • Markkinat kutistuivat ja lopulta tuotanto lopetettiin

  36. TTL (2) • Transistorien määrät yksittäisellä piirillä kasvoivat

  37. Intel • Syntyi vuonna 1968 • Perustajina Gordon Moore, Robert Noyce ja Andrew Grove • Aluksi tuotteina muistit • Japanilaiselta Busicomilta tilaus laskimeen • 12 piiriä • Intelillä päädyttiin kuitenkin yksipiiriseen ratkaisuun • Busicom hyväksyi ehdotuksen ja rahoitti kehityksen • Samaan aikaan TI:llä prosessorin kehitysprojekti • Valmistui samana vuonna Intelin hankkeen kanssa

  38. Ensimmäinen mikroprosessori • Intel 4004 • Valmistui vuonna 1971 • 4-bittinen, 16-rekisteriä • ~4mm x ~3mm ≈12 mm² • Viivanleveys 10 µm (mikronia) • Oikeudet Busicomilla • Intel osti oikeudet itselleen ($60 000) • Busicom konkurssiin pian tämän jälkeen

  39. Intel4004

  40. IC:iden vakiintuminen • 1960- ja 1970-luku murroksen aikaa • Siirtyminen integroituihin piireihin • Valmistusteknologian parantuessa viivanleveys pieneni • 1980-luvun alussa • saavutettiin 1 µm • Micromosaic-tyyppisen piirin valmistuksen uusi tuleminen • 1980-luvusta alkaen pelkästään viivanleveyttä pienennetty

  41. Yhteenveto • Tyhjiöputki => Transistori => IC • Puolijohdeteollisuus kasvanut valtavaksi teollisuuden haaraksi • Mahdollistanut nykyisen ”informaatio ajan”

More Related