Vad är elektricitet? Vad är elektricitet?

En presentation över ämnet: "Vad är elektricitet? Vad är elektricitet?"— Presentationens avskrift:

1 William Sandqvist william@kth.se
Vad är elektricitet? Vad är elektricitet? Grundämnenas elektriska egenskaper avgörs av antalet elektroner i det yttersta skalet - valenselektronerna! Elektronerna kan kan bara omkretsa kärnan i vissa banor, och dessa ligger nära varandra och sammansätts till sk. skal ( energinivåer ). Ämnenas atomnummer anger antalet protoner i kärnan, och samma antal elektroner måste placeras ut så att skalen fylls inifrån och ut. Det innersta skalet, skal0, rymmer två elektroner, nästa skal, skal1, rymmer 8 liksom det nästföljande, skal2. ( Sedan blir det mer komplicerat eftersom skalet därefter, skal3, börjar med att fyllas upp till 8, därefter fortsätter man med att fylla nästföljande skal, skal4, till 8 först därefter kan man fortsätta att fylla skal3 till totalt 18. Skal4 kan sedan fyllas till 32 elektroner ). Denna "periodicitet" finns genomförd i det sk. periodiska systemet. Grundämnena placeras ut i rader, perioder, efter atomnumren, och varje ny rad innebär att ett skal blivit fullt, och att man får placera ut elektronerna i ett nytt skal. Slutet av raderna innebär alltid att det yttersta elektronskalet blivit helt fullt. Det yttersta skalet ( som innehåller elektroner ) kallas för valensskalet och elektronerna där för valenselektroner. Det är valenselektronerna som ger ämnena deras kemiska egenskaper, det är därför som ämnen i samma kolumn ( inom samma grupp ) som ju har samma antal valenselektroner, också har liknande egenskaper. Elektricitet handlar om laddningar, så även grundämnenas elektriska egenskaper avgörs av 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

2 Ledare Halvledare Isolator
Grundämnena indelas i metaller och icke-metaller. Mer än tre fjärdedelar av våra grundämnen är metaller ( medan vår närmaste omvärld, vårt jordklot består till 75% av icke-metaller ). Metaller har bra förmåga att leda elektrisk ström, de är ledare. De har som mest halvfulla valensskal (  valenselektroner ). Atomernas elektronhölje bildar ett för metallen gemensamt "elektronmoln". Icke-metallerna är isolatorer, det vill säga dåliga ledare av elektrisk ström. De har fulla, eller nästan fulla, valensskal med hårt bundna elektroner. Även ämnen med halvfulla valensskal kan vara isolatorer. Det finns kristallinska material där valenselektronerna binds hårt till närliggande atomer. Kol i form av grafit är ett ledande material, medan kol i form av diamant är en isolator. I det periodiska systemet står metallerna till vänster och icke-metallerna till höger. I området mellan metaller och icke-metaller finns halvmetallerna, som i elektriskt hänseende är halvledare. Dessa material har fått en stor betydelse för elektroniken. William Sandqvist

3 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

4 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

5 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

6 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

7 William Sandqvist william@kth.se
Halvledardioden Halvledardiod Symbol och ventilverkan Vätskeanalogi Backventil William Sandqvist

8 William Sandqvist william@kth.se
Diod: Eller-grind William Sandqvist

9 William Sandqvist william@kth.se
Diod: Och-grind William Sandqvist

10 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

11 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

12 En MOS-transistor ”on chip”
MOS-transistorn steg för steg: William Sandqvist

13 Idag upp till 2.000.000.000 MOS-transistorer/chip !
Pentium 4 har MOS-transistorer William Sandqvist

14 William Sandqvist william@kth.se
MOS inverterare William Sandqvist

15 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

16 William Sandqvist william@kth.se
N-kanal och P-kanal N N P P William Sandqvist

17 P och N MOS-transistorer
Förenklade symboler! William Sandqvist

18 William Sandqvist william@kth.se
CMOS-inverterare P N William Sandqvist

19 CMOS - Dynamisk förlusteffekt !
CMOS har bara förlusteffekt precis vid omslaget. Förlusteffekten blir proportionell mot klockfrekvensen! ”1” ”0” ”1” ”0” ”1” ”0” William Sandqvist

20 Överklockade processorer blir heta!
William Sandqvist

21 Ohm’s lag för värmeledning
William Sandqvist

22 Vad är detta för CMOS-grind?
William Sandqvist

23 William Sandqvist william@kth.se
A=0 B=0 1 Y = 0 William Sandqvist

24 William Sandqvist william@kth.se
A=0 B=1 1 1 Y = 1 William Sandqvist

25 William Sandqvist william@kth.se
A=1 B=1 1 1 Y = 1 William Sandqvist

26 Vilken grindtyp blev det?
A B Y 1 ? NAND-grind ! William Sandqvist

27 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

28 William Sandqvist william@kth.se
Three state William Sandqvist

29 William Sandqvist william@kth.se
EN = 1 När EN = 1 har vi en inverterare. William Sandqvist

30 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

31 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

32 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

33 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

34 Lycka till med laborationen!
William Sandqvist