Download
1 / 34
401 likes | 1.18k Views
Vad är elektricitet?. Vad är elektricitet?. Grundämnenas elektriska egenskaper avgörs av antalet elektroner i det yttersta skalet - valenselektronerna!.
E N D
Vad är elektricitet? Vad är elektricitet? Grundämnenas elektriska egenskaper avgörs av antalet elektroner i det yttersta skalet - valenselektronerna! Skol-modellen av en Magnesiumatom. Magnesium med atomnumret 12 har 12 protoner i kärnan som binds ihop med 12 neutroner. I banor runt kärnan kretsar 12 elektroner. Det innersta skalet är fullt och har 2 elektroner, nästa skal är fullt och har 8 elektroner, det yttersta sk. valensskalet innehåller 2 elektroner( med plats för ytterligare 6 ). William Sandqvist william@kth.se
Ledare Halvledare Isolator William Sandqvist william@kth.se
Halvledare Atomgrannar kan dela elektroner för att på det sättet "skenbart" uppnå fullt skal. (Så kallad kovalent bindning). Atomernas termiska vibration leder till att elektroner kan brytas loss och bli fria. Kristallen blir då svagt ledande (halvledare). Den plats som blir kvar när elektronen slits bort kallas för ett "hål". Hålet kan sedan "fyllas" av någon annan elektron. När ett hål fylls och ett annat bildas kan man se det som att hålet "flyttat sig". Detta gör att även "strömmen" av hål bidrar till halvledarens ledningsförmåga. William Sandqvist william@kth.se
N-typ och P-typ halvledare Genom att tillföra kiselkristallen vissa störämnen (doping) kan man öka halvledarens ledningsförmåga. Man kan tillföra Fosfor (med fem valenselektroner). På platsen med Fosforatomen finns det då en "extra" elektron som är fri att förflytta sig i ledningsbandet. Detta resulterar i ökad ledningsförmåga på grund av ökad rörlighet hos de negativa laddningsbärarna (elektroner). Detta är en n-typ halvledare. Man kan tillföra Bor (med tre valenselektroner). På platsen med Boratomen bildas då ett "hål". Hålet kan "flytta sig" genom att valenselektroner faller in i det. Detta resulterar i ökad ledningsförmåga på grund av ökad rörlighet hos de positiva laddningsbärarna (hål). Detta är en p-typ halvledare. William Sandqvist william@kth.se
PN-övergången Antag att man sammanfogar ett stycke kisel av p-typ med ett av n-typ. Halvan av p-typ har då fler hål än normalt och halvan av n-typ fler elektroner än normalt för kisel. För att försöka utjämna denna skillnad strömmar elektroner mot p-halvan och hål mot n-halvan. Eftersom både hål och elektroner är elektriskt laddade bromsas detta upp av det elektriska fältet mellan dem. Laddningsbärarna stannar en bit in på motsatta sidan. Vid sammanfog-ningsytan bildas en "laddningsbarriär", en så kallad pn-övergång. William Sandqvist william@kth.se
PN-övergångens riktningsverkan Om man ansluter en spänningskälla med pluspolen till kristallens p-ända och minuspolen till n-ändan kan spänningen pressa ner laddningsbarriären så att en ström kan flyta genom kristallen. Om man däremot ansluter spänningskällans minuspol till kristallens p-ända, och pluspolen till n-ändan, förstärks laddningsbarriären och då kan endast en obetydlig ström passera genom pn-övergången pn-övergången är halvledarteknikens fundamentala byggsten. Halvledardioden, som används vid likriktning av växelspänningar består helt enkelt av en pn-övergång. William Sandqvist william@kth.se
Halvledardioden Halvledardiod Symbol och ventilverkan Vätskeanalogi Backventil William Sandqvist william@kth.se
Diod: Eller-grind William Sandqvist william@kth.se
Diod: Och-grind William Sandqvist william@kth.se
MOS-transistor Transistorn består av två N-dopade områden, d och s, med ett mellan-liggande P-område. Gate-elektroden g är isolerad från transistorn, och kan därför inte påverka transistorn med någon ström. Det är istället det elektriska fältet från spänningskällan UGS som "kapacitivt" påverkar transistorn. William Sandqvist william@kth.se
MOS-transistorns funktion Spänningen UGS ger upphov till ett elektriskt fält mellan gate-elektrod-en och P-området. Detta fält motverkar, och trycker ned, spärrskiktet under gate-elektroden. Om UGS är högre än transistorns tröskel-spänning UT så sammanbinds d och s med en ledande "kanal" för elektronerna. Ju starkare fält, desto bredare kanal och desto större ström ID passerar transistorn. William Sandqvist william@kth.se
En MOS-transistor ”on chip” MOS-transistorn steg för steg: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/transistor/ William Sandqvist william@kth.se
Idag upp till 2.000.000.000 MOS-transistorer/chip ! Pentium 4har 50.000.000 MOS-transistorer William Sandqvist william@kth.se
MOS inverterare William Sandqvist william@kth.se
MOS - OBS! Hög förlusteffekt PF ! MOS-inverteraren har hög förlust-effekt när utgångsnivån är ”0”. ( I medeltal har hälften av grindarna denna utgångsnivå ). William Sandqvist william@kth.se
N-kanal och P-kanal N N P P William Sandqvist william@kth.se
P och N MOS-transistorer Förenklade symboler! William Sandqvist william@kth.se
CMOS-inverterare P N William Sandqvist william@kth.se
CMOS - Dynamisk förlusteffekt ! CMOS har bara förlusteffekt precis vid omslaget. Förlusteffekten blir proportionell mot klockfrekvensen! ”1” ”0””1””0” ”0” ”1” William Sandqvist william@kth.se
Överklockade processorer blir heta! William Sandqvist william@kth.se
Ohm’s lag för värmeledning William Sandqvist william@kth.se
Vad är detta för CMOS-grind? William Sandqvist william@kth.se
A=0 B=0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 Y = 0 William Sandqvist william@kth.se
A=0 B=1 0 0 1 1 0 1 0 1 Y = 1 0 0 William Sandqvist william@kth.se
A=1 B=1 1 1 1 1 1 1 0 1 Y = 1 0 0 William Sandqvist william@kth.se
Vilken grindtyp blev det? ? William Sandqvist william@kth.se
Three-state En CMOS-grind kan förutom ”1” eller ”0” även förses med ett tredje ut-gångstillstånd – Three-state (= frånkopplad utgång). Om många utgångar kopplas ihop till samma tråd (”buss”) så kan ju bara en av utgångarna åt gången få vara aktiv. De övriga är i Threestate-tillståndet. William Sandqvist william@kth.se
Three state William Sandqvist william@kth.se
EN = 1 När EN = 1 har vi en inverterare. William Sandqvist william@kth.se
EN = 0 När EN = 0 är utgången helt bortkopplad från matnings-spänning och jord. A kan inte längre påverka utgången. Detta är ett tredje utgångstillstånd, ”Threestate”. William Sandqvist william@kth.se
Utgångar från tre olika enheter är anslutna till en gemensam buss (BUS). Datorn väljer ut (Enablar, EN) en i taget som kopplas in på bussen. De övriga två förblir urkopplade, (Three state). William Sandqvist william@kth.se
Laboration diodgrindar Med ”funktionsgeneratorn” ställer man in vilka mintermer som ska ingå i funktionen. På resten av kopplingsdäcket bygger man själv upp funktionen med diodgrindarna. Om lysdioderna uppför sig lika för alla ingångskombinationer så har man lyckats! William Sandqvist william@kth.se
De 16 funktionerna av två variabler De fins 16 funktioner av två variabler. En del är välkända, andra okända. Med Booles algebra kan man hitta förenklingar, men för två variabler kan man i allmänhet själv direkt se vilka förenklingar som kan göras. William Sandqvist william@kth.se
Lycka till med laborationen! William Sandqvist william@kth.se
