sähkötekniikka ja elektroniikka - mycourses.aalto.fi · the transistor three: schockley, bardeen,...

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Kimmo Silvonen (X)

13.11.2017

Bipolaaritransistori BJTVersio 13.11.2017

Bipolar Junction Transistor, liekkö turhakin keksintö?

Ï BJT 23.12.1947Ï Nobel 1956 (Bell Labs, nykyisin Alcatel-Lucent)

Bell Labs: ’Where vision and technology meet customers. . . ’

Aalto ELEC: ’Where science and technology meet society’

Ï Mikroelektroniikan lähtölaukausÏ IC 1959 (2 BJT, Texas Instruments), Nobel 2000Ï Operaatiovahvistin 1963 (9 BJT, Fairchild Semiconductor)Ï Erilliskomponenttina tai anturina sekä bipolaarisissa

mikropiireissä (opva, regulaattori, tietyt logiikkapiirit, ym.)Ï Keskinkertainen integroitavuus, pikemminkin muita etuja

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 2 (29)

The Transistor Three: Schockley, Bardeen, BrattainNobelisteja, Bardeenille toinen fysiikan Nobel 1972 suprajohtavuuden teoriasta

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 3 (29)

A Replica of the First Transistor, alinna Base

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 4 (29)

Bipolaaritransistori, Applications

Ï Signaalin vahvistaminen, esim. hifi-päätevahvistinÏ Analogiset mikropiirit, mm. operaatiovahvistin, regulaattoriÏ Nopea virtaohjattu kytkin, mm. hakkuriteholähteissä ja

lähettimissäÏ Tasavirtamoottorin nopeuden säätö (PWM-ohjattu H-silta)Ï Nopeat logiikkapiirit (ECL)Ï Signaalin generointi (oskillaattori)Ï Anturi (lämpötila, valo)

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 5 (29)

Transistorityypit, npn vs. pnpPiirrosmerkki, rakenne, toimintaperiaate. Kanta (base), kollektori, emitteri.

’|’

@

rr

βiB

?iB-

R@@

n+p

n-

-

B

C

E

@

@

’~’

@@I p+

n

p

-

B

C

E

@

@

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 6 (29)

Transistor ManSelittää hyvin transistorin perustoiminnan, ks. seuraava sivu!

"Tämän pikkumiehen elämäntehtävänä on yrittää toteuttaa yhtälöäIC =βIB, mutta ainoa asia, mitä hän voi tehdä, on kääntääsäätövastuksen nuppia. Täten hän kykenee siirtymään oikosulusta(saturaatio) katkaistuun virtapiiriin (off-tila) tai mihin tahansa tilaanniiden välille."

Kirjaa voi lukea elektronisena versiona, kirjoita Googleenhakusanoiksi: The art of electronics Horowitz Hill

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 7 (29)

Transistor Man (hFE =β)Operaatiovahvistinmiehen esikuva

©Horowitz and Hill, The Art of Electronics

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 8 (29)

Toiminta puolijohdetasolla cf. DiodeE emittoi elektronit C:lle, joka kerää ne. Vain pieni osa menee B:lle.

@@

6

- -

IC6+

UCB

IB6 +

UBE

IE?

pn n+n

?

- p

BC E

IC = IS eUBEnUT n= 1

IB = 1β

IC

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 9 (29)

Virtavahvistus β (ja α) Current GainTässä oleellisin: pieni iB säätelee paljon suurempaa iC:tä ⇒ "virtavahvistus"!

R@@

- uCE ≥ 0,3 V

?

iBiC

iE--

uBE ≈ 0,7 V@

r?iE

?iC

-iB?βiB

CCCS

iC =βiB =αiE = ISeuBEnUT

iE = iC + iB = (β+1)iB

β= α

1−α≈ 100 (20. . .500)

α= β

β+1≈ 0,99 (0,95. . .0,998)

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 10 (29)

Ominaiskäyrät Characteristic CurvesEpäideaalisuus johtuu ominaiskäyristä.

-

6iC

uCE

0,3 Vqqqqqqqqqqqqqqqqq

qqqqqqqqqqq q q q q q q q q qqq q q q q q q q q q q iB2βiB2

LINSAT

CUTOFF

βiB1 iB1

6

-

iB tai iC

uBE

0,7 V︸ ︷︷ ︸CUTOFF

q q q q q q q q q q q q qqqqq

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 11 (29)

Reverse vs. ForwardVirtalähteen sisäisen vastuksen ro takia suorat ovat lievästi nousevia (k)

βR <<β=βF k= 1ro

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 12 (29)

Ebers-Moll Equivalent Circuitvrt. dtf.pdf

npn:

@ αFIED

?

@ αRICD6

IED?

ICD6

UBE

?

6

UBC

E

C

B -

-

r

IED = IS

αF

(e

UBEUT −1

)ICD = IS

αR

(e

UBCUT −1

)

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 13 (29)

Toimintatilat, Operation ModesSulkutila (UCE =E), lineaarinen toiminta (UCE ≤E), kyllästystila (UCE ≈ 0,3 V)

R@@

0-

0?

R@@

iB-

βiB?

E . . .0,3 V

?> 0,7 V

säätö

E

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 14 (29)

Kytkintransistorit, H-silta ja suojadioditPWM = pulssinleveysmodulaatio

E

R

?

PNP

IC

PWM0

RB

@@

?0,7 V≈UEBU?

@

IB

-

rr

rr?

M

?

rr

rr@

@

rr@

@

0?

0?

0?

0?

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 15 (29)

CUT, AKT or SAT as a function of EBB−EBB +RBIB +UBE = 0 ja −UCE −RCIC +ECC = 0

EBB

IB-

0,7 V

?

RB

1 kΩ

R@@

RC

47Ω

?UCE

IC

βIB

5 VECC

β= 100

C 0,5 V 0 mA ·β= 0 mA 5 VC/A 0,7 V 0 mA ·β= 0 mA 5 VA 1,2 V 0,5 mA ·β= 50 mA 2,65 VA/S 1,7 V 1 mA ·β= 100 mA 0,3 VS 2,0 V 1,3 mA → 100 mA 0,3 V

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 16 (29)

Biasointi ja kytkentäkondensaattorit

Biasointi eli "esijännittäminen" tarkoittaa tasavirtojen säätämistä niin,että päästään halutulle kohdalle ominaiskäyriä. Tasavirta otetaanjännitelähteestä tai vakiovirtalähteestä.Signaali tuo mukaan ajan funktiona muuttuvan virran.

R@@

signaali

signaali

C≈∞ib-

iB-

iCC≈∞

−ic-

rrDC

IB?

IC?

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 17 (29)

Tasavirta- vs. piensignaalianalyysiTämä tehtiin jo diodilla tehtävissä 73. . . 74

IB = virran vakio-osa eli keskiarvo, d.c.ib = virran vaihteleva osa, a.c.-signaaliiB = IB + ib = kokonaisvirta, d.c. + a.c.

iC ≈ ISeUBE+ube

nUT =

ISeUBEnUT︸ ︷︷ ︸

IC

eubenUT

iC = IC

1+ ube

nUT+ 1

2!

(ube

nUT

)2+ . . .︸ ︷︷ ︸

≈0

Taylorin sarja: d.c. + signaali + särö(t) distortion

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 18 (29)

Kanavatransistori eli FET

Ï Field Effect TransistorÏ Mikropiirit ja Mooren lakiÏ Mosfet on mikroelektroniikan tärkein pelinappula

Kuka kertoisi tästä tiedotusvälineille!?

Ï FET-tyypit, rakenne ja toimintaÏ Triodialue vs. saturaatioalueÏ Yhtälöt ja parametritÏ Jänniteohjattu (elektroninen) kytkinÏ Jännitteellä säädettävä vastusÏ Lisätietoa: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 19 (29)

Kanavatransistorit FETsavauskanavatransistori, sulkukanavatransistori ja liitoskanavatransistori

CMOS

-

enmosavaus

G

S

D

-

dnmossulku

-

njfetliitos

epmosavaus

dpmossulku

pjfetliitos

G D S B (vain MOSFET)gate drain source body, bulkhila nielu lähde substraatti

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 20 (29)

Avauskanavatransistori, ENMOSFET keskitymme tähän tyyppiin

N-Channel Enhancement-MOSFET (E-MOSFET)

Kerrosvoileipä: metalli − piidioksidi d − puolijohde (pii, Si)

?

6d

32 nm prosessid= 0,9 nm

− − elektronejainversiokerros

p → n

n+ n+

p

B

D SG+ −

−−−−−−−−−−

L= 30 nm W

n+ = vahvasti seostettu n-puolijohde (paljon vapaita elektroneja)MOS = Metal-Oxide-SemiconductorFET = Field-Effect-TransistorMOSFET = IGFET = Insulated-Gate-FET

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 21 (29)

Kynnysjännite ja kanavan virta Threshold VoltageKanava voidaan avata ja sulkea osittain tai kokonaan hilaportin kautta

-

ohjausjännite kanava käyttövoima

iG = 0- uDS > 0

?

?iD

?iS

uGS

?

iG = 0⇒ iD = iS

Kynnysjännite Ut (t = threshold)

uGS ≥Ut ⇒ iD ≥ 0

uGS ≤Ut ⇒ iD ≈ 0

Subthreshold-alue ja heikko inversio: matala jännite, pieni virta

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 22 (29)

Toiminta-alueet: Cut, Ohm, Tri, SAT(FET) 6= SAT(BJT)

MOSFETin johtavuusparametri K = 12µnCOX

WL Conductivity Parameter

ID

UDS

6

-

r r rr r rTri

UGS2

TriOhm

UGS1

Sat (lin)

Cut

Cutoff ID = 0, kun UGS ≤Ut

Ohmic (Triode) uDS <<uGS −Ut : ID ≈K[2(UGS −Ut)UDS]

Triode uDS ≤ uGS −Ut : ID =K[2(UGS −Ut)UDS −U2DS]

Saturation uDS ≥ uGS −Ut : ID =K(UGS −Ut)2

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 23 (29)

Hyvä esimerkki, kattaa DC-analyysin, STE s. 317, EPJK s. 213Toiminta-alueet: C = Cut, S = Sat, T = Tri.

- UDS

?

?b

SAT : ID =K(VGG −Ut)2

K = 1 mA/V2

Ut = 2 V

ID

RD 2 k

VDD 10

VGG UGS

?

C/S 2,0 V ≤Ut 0 mA 10 VS 3,0 V 1,0 mA 8,0 V >UGS −UtS/T 4,0 V 4,0 mA 2,0 V ≥ 4,0−2T(S) 4,2 V 4,84 mA 0,32 V < 4,2−2T 4,2 V 4,28 mA 1,449 V < 4,2−2 (seur. sivu)

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 24 (29)

Triodialueen käsittely (taulukon viimeinen rivi)Jatkoa edelliseltä sivulta. Eri virtayhtälö, koska ollaan TRI-alueella:

ID =K[2(VGG −Ut)UDS −U2

DS]= VDD −UDS

RD

RDK︸ ︷︷ ︸2

2(VGG −Ut)︸ ︷︷ ︸2,2

UDS︸︷︷︸x

−U2DS︸︷︷︸

x2

=VDD︸︷︷︸10

−UDS︸︷︷︸x

2x2 −9,8x+10= 0⇒ x= 2,45±1,001

UDS = x= 1,449 V<UGS −Ut = 2,2 V

⇒ TRI, OK

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 25 (29)

Mikropiirien kehitys Integrated circuitsMOSFET → mikroprosessori

Ï IC (flip-flop, 2 kpl BJT, hybridi) 1959Texas Instruments, Jack Kilby (taskulaskin), Nobel 2000

Ï MOSFET 1960 (Bell Labs.)Etninen tausta: M. Atalla k. 2009 ja D. Kahng k. 1992

Ï CMOS (= NMOS + PMOS) 1963-1968 (RCA)Yleisin mikropiiriteknologia (CPU, GPU, DRAM, SSD, ym.)

Ï 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 keksiäMikroprosessori 4004 vuonna 1971

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 26 (29)

Mikropiirit, ICLuokittelu, esim. ULSI = Ultra Large Scale Integration

Small, Medium, Large, Very Large, Ultra, Giant, ...Gimme bigger words! BFL?

Loogisia portteja Fettejä

SSI < 10 < 102

MSI < 102 < 103

LSI < 103 < 104

VLSI < 104 < 105

ULSI < 105 < 106

GSI > 105 > 106

XBOX One X 7000 ·106

AMD 32-core 19200 ·106

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 27 (29)

Moore’s Law. Alamainen pyytää kuninkaaltariisinjyviä palkkioksi palveluksestaan; hölmö kuningas myöntyy!

Olet nyt tässä1 2 4 8 16 32 64IC 1959

µP 1971PC 1983

Win 95iPhone -07

Ubuntu 2019?

rr

1 jyvä shakkilaudan 1. ruutuun2 jyvää 2. ruutuun. . .512 jyvää 10. ruutuun. . .32 000 vadillista jyviä vuonna 2010. . .Biljoona uima-altaallista jyviä 64. ruutuun (2053)

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 28 (29)

Ensi kerralla operaatiovahvistinElektroniikan yleistyökalu

Googlaa esim. "Opamps for everyone Texas Instruments" (hyväPDF-kirja).

Toinen opas:http:// www.ti.com/lit/an/sboa092b/sboa092b.pdf

Ensi viikko on viimeinen labraviikko! Rästivuorot vuoden kuluttua!Tentti ja 2. vk. ma 11.12. klo 10.00-12 TU2 (TUAS-talo, 2. kerros)Ylimääräinen tentti (ei vk!) ti 12.12. klo 16.15-18.15 TU2 (saatosallistua molempiin tentteihin, jos haluat).Myös 26.3.2018 on tentti!

Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017

Page 29 (29)