Elektronica HCs

Inhoud

1. Inleiding

   • Stroom

   • spanning

   • vermogen

   • Weerstand

   • condensator

2. Halfgeleidertechnologie

   • N-type

   • P-type

   • PN-junctie

3. Diode

   • Stroomspanningskarakteristiek

   • Gelijkrichterschakeling

   • Zener

   • varactor

   • LED

4. Bipolaire transistor

   • Schakelen en versterken

   • fototransistor

   • DC instelpunt

   • bias methodes

   • common-emitter

   • Common-collector

   • common-base

5. Field-effect transistor

   • JFET

   • MOSFET

1. INLEIDING

Geschiedenis en Doorbraken

• Zwakke signalen versterken

  • Edison met Edisoneffect

  • Metaaldraad naast gloeidraad

  • Stroom van gloeidraad → metaal

  • Fleming: gloeikathodebuis of diode

    • 2 elektroden, gloeidraad & metalen plaat

    • Wisselstroom → gelijkstroom

  • de Forest: triode

    • Metalen rooster tsn 2 elektroden

    • Stroom ++ (afh. spanning rooster)

Transistors

• Grote doorbraak: transistor

  • In firma Bell Telephone

  • Shockley – Brattain – Bardeen

  • Elektroden in halfgeleider (zoals silicium of germanium) = zelfde gedrag én kleiner

IC

• IC of geïntegreerde schakeling

  • (Micro)chip

  • Kilby

    • 2 transistors in zelfde halfgeleider

IC (vervolg)

• Gemaakt uit 1 stukje silicium

  • Volledige & compacte elektronische schakeling

  • Géén doorgedreven miniaturisatie PCB

• GPU (gaming, AI)

  • Bevat 1000en pn-juncties

  • Nvidia GB200 Grace Blackwell (2024)

    • 208 miljard op 750 mm²

    • 750 mm^2

Wet van Moore

• Elk jaar verdubbelt # transistors (Gordon Moore, 1965)

• Elke 2 jaar verdubbelt # transistors (aanpassing jaren 1970)

• Complexiteit elektronica

  • Exponentiële verbetering

  • Géén incrementele verbetering (cfr. dieselverbruik)

• Al meer dan 60 jaar: self fulfilling prophecy

Wet van Moore (artikel)

• Dominique Deckmyn

• In 1965 deed Gordon Moore, een van de oprichters van chipmaker Intel, een merkwaardige vaststelling. Hij constateerde dat het aantal transistors op een chip al sinds 1955 elk jaar keurig verdubbelde. En hij voorspelde dat die trend zich nog tien jaar verder zou zetten. Al snel ging men dit de Wet van Moore noemen.

• In 1965 stelde Moore zijn 'wet' bij: sindsdien gaan we uit van een verdubbeling om de twee jaar. Dat tempo heeft de chip-industrie sindsdien weten vast te houden.

• Met als resultaat de digitale revolutie die de wereld de jongste decennia overspoelde.

• Neem nu de smartphone: met technologie van 1971 zou die een processorchip nodig hebben gehad met de afmetingen van een parkeerplaats.

• Nog zo'n vergelijking: als automotoren gelijke tred hadden gehouden met computerchips, zou je intussen een heel leven lang kunnen rijden met één tank benzine.

• Die enorme verbetering wordt mogelijk omdat de Wet van Moore exponentieel werkt: om de twee jaar verdubbelen, betekent maal vier na vier jaar, ongeveer maal duizend na twintig jaar en maal 1 miljoen na veertig jaar. Het gaat dus steeds sneller.

• Een natuurwet is de Wet van Moore uiteraard niet. Toch valt het belang ervan moeilijk te overschatten. Ze geeft de hele technologiesector al vijftig jaar zijn polsslag.

• Software-ontwikkelaars schrijven met een gerust hart programma's voor computers die vandaag nog niet gebouwd kunnen worden.

• Chipmakers weten precies wat van hen verwacht wordt: tweemaal zoveel transistors over twee jaar.

• Tabletrevolutie

• De 'motor' van de Wet van Moore was tot nog toe de miniaturisering: bij elke generatie chips worden de essentiële componenten ervan, de transistors, kleiner.

• Niet alleen passen er dan meer op een chip, ze zijn ook goedkoper, werken sneller én zijn energiezuiniger.

• De jongste tien jaar is vooral die derde factor van enorm belang geweest om de smartphone- en tabletrevolutie mogelijk te maken.

• Met de huidige spitstechnologie zijn de kleinste schakelingen op de chip nog 14 nanometer (nm) groot.

• De nieuwe Intel Core M-processor is gebaseerd op 14 nm-technologie en heeft 1,3 miljard transistors.

• Dankzij die chip is de pas aangekondigde Apple Macbook maar 1,31 cm dik en weegt hij minder dan een kg, terwijl de batterij toch een volledige werkdag meegaat.

• 3D-chips

• Als er telkens weer nieuwe manieren worden gevonden om nog net iets meer transistors op een chip te persen, is dat voor een groot stuk te danken aan het onderzoekscentrum IMEC in Leuven.

• Luc Van den hove is er ceo. 'Dertig jaar geleden hadden we het gevoel dat het einde van de Wet van Moore in zicht kwam, herinnert hij zich. 'We dachten niet dat we onder de 1 micron (1.000 nm) zouden geraken.' Intussen werkt IMEC al aan drie volgende generaties: die van 10 nm, 7 nm en zelfs 5 nm.

• 'Ik zie geen fundamenteel technisch probleem dat belet om de Wet van Moore nog tien jaar verder te zetten', zegt Van den hove.

• Na die periode is de grens van de miniaturisatie van transistors zo wat bereikt, maar een oplossing zit al in de pijplijn: chips in drie dimensies, die in lagen op elkaar worden opgebouwd.

• Die zijn veel moeilijker te ontwerpen en te fabriceren, maar aan die problemen kan nog enkele jaren worden gewerkt. Een eerste stap in die richting zal al waarschijnlijk al eerder worden gezet: de transistors 'rechtop' op de chip te plaatsen, zodat ze dichter op elkaar kunnen worden gekramd.

• Internet of Things

• De miniaturisatie van chips maakte vanaf de jaren 70 de pc-revolutie mogelijk.

• Tot op een moment de chips klein en zuinig genoeg waren geworden om in een apparaat te steken dat je op zak draagt: de smartphone.

• Waar leidt de Wet van Moore ons de komende jaren? Naar het Internet of Things, klinkt het haast unisono.

• Elk denkbaar apparaat kan worden voorzien van intelligentie en van sensoren die gegevens opmeten en doorsturen.

• Het Internet of Things begint al voorzichtig aan zijn opmars in onze huizen, al moet de technologie daarvoor volgens Van den hove nog veel gebruiksvriendelijker worden.

• Een gebied waar ons heel veel verandering te wachten staat, is de gezondheidszorg. De opkomst van fitnessbandjes en smartwatches is daarvan nog maar de voorbode.

• Vandaag zien we een eerste generatie wearables, maar dat zijn in grote mate gewoon gadgets', zegt Van den hove.

• Volgende generaties worden zeer verfijnde, maar goedkope medische sensoren, waarmee we onze levenskwaliteit zullen kunnen verhogen. 'Zo werken we aan een slimme pleister die je op de huid kleeft en die gedurende zeven dagen elektrocardiogrammen maakte en doorstuurt naar je smartphone', zegt Van den hove.

• Die pleister zou al binnen één tot anderhalf jaar op de markt kunnen zijn.

• IMEC werkt ook aan een chip die het DNA van een mens kan ontcijferen, honderdmaal sneller dan vandaag mogelijk is. De chip zou het werk doen waar vandaag een half dozijn grote machines voor nodig zijn.

Elektriciteit vs. Elektronica

• Elektronica sinds 1883 (Edisoneffect)

  • Met diodes & transistors

  • Manipuleren stroom

• Elektriciteit zo’n 100 jaar voordien

  • Vb. batterij, elektrische telegraaf, gloeilamp

  • Transformeren energie uit stroom naar andere vorm (licht, warmte, beweging…)

• Twijfelgevallen

  • Broodrooster met elektronische thermostaat

Mogelijkheden Elektronica

• Geluid

  • Microfoon – verandering in (audio)signaal – versterker – luidspreker

• Licht (ook infrarood)

  • LEDs (light emitting diodes)

• Camera – videosignalen

• Communicatie

  • Doorsturen informatie: met én zonder kabels

• Computers: van reken- tot supermachines

Hoorcollege 2

• Handboek: Chapter 1, Sectie 1.1 - 1.5

Inhoud

• Belangrijke grootheden

  • Stroom

  • spanning

  • vermogen

  • hoe meten

• Basiscomponenten

  • Weerstand

  • condensator

• Halfgeleiders

  • Atoommodel - gebruikte materialen

  • Stromen in halfgeleiders

  • N-type & P-type halfgeleiders

  • PN-junctie

Wat is stroom?

• Bij goede geleider: 1 los elektron per atoom

  • Als meer elektronen aan ene kant dan andere kant

  • Dan duwen die elektronen in zelfde richting

• I = 1 A (of Ampère) = 6240 quadriljoen elektronen/sec

Wat is spanning?

• Potentiaalverschil of spanning

  • Verschil # elektronen –pool en +pool

• U = 1 V (of Volt)

DC vs AC

• DC (gelijkstroom): zelfde richting

• AC (wisselstroom): periodisch wissel polariteit

  • Elektronen wiegen heen & weer

  • Elektriciteitsnetwerk 50 maal/seconde of 50 Hz

AC Spanning

• Piekspanning U_P

• Piek-tot-piekspanning U_{P-P}

• RMS-spanning U_{RMS}

  • Root Mean Square: kwadratisch gemiddelde

  • Sinus: U_P/\sqrt{2}

  • Elektriciteitsnetwerk: U_{RMS} = 230 V

Wat is vermogen?

• P = 1 W (of Watt) = U \cdot I = hoeveelheid werk door 1 A stroom & aangedreven door 1 V spanning

• Vermogensdissipatie

Hoe meten?

• Stroommeter Spanningsmeter

• Meestal samen in multimeter of universeelmeter

  • Analoog of digitaal

  • Ook weerstandsmeter

Wooclap vraag

• Wie heeft er thuis een multimeter?

  1. Ja, ik heb er zelf eentje

  2. Ja, van mijn papa

  3. Nee

Weerstand

• Geleider (Cu – Al) isolator (glas, plastiek)

  • Elektrische draden: isolator rond geleider

• Mengvorm: weerstand tegen lopen stroom

• R = 1 \Omega (of Ohm) = weerstand voor 1 A stroom bij 1 V spanning

• Wet van Ohm: U = R \cdot I

  • I stijgt als U stijgt bij zelfde weerstand

Demo

• Met

  • Grafietweerstand (2B – 5 cm lang)

  • 9 V batterij

  • Led

Koolstoffilmweerstand

• Kleine component – koolstoffilmweerstand

  • In kleine cilinder laagje koolstof + isolatie

• Strepen buitenkant: kleur & volgorde

  • Waarde met tolerantie

  • 4(5): waarde–waarde–(waarde)–multiplier–tolerantie

  • Eerste streep dichtst bij rand

• Tolerantie = max. verschil theorie & praktijk

  • 470 \Omega \pm 10\% \rightarrow praktijk tsn 423 \Omega - 517 \Omega

Kleurcodes

• Zij Bracht Rozen Op Gerrits Graf Bij Vies Grauw Weer, (Gerrit Zei Niets)

Opmerkingen kleurcodes

• In praktijk niet alle kleurcombinaties

  • Afv tolerantie (tolerantiebereik niet overlappen)

• E-reeks (\pm meetkundige rij; x1/x2 = cte)

  • Bij n stappen in 1 decade = verhouding 10^{1/n}

  • E3 = 10, 22 & 47 (verhouding 10^{1/3} ≈ 2.15)

  • E12 = 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68 & 82 (verhouding 10^{1/12} ≈ 1.21)

  • Elke volgende stap ongeveer 20% groter

  • Tolerantie > 10% zinloos

Through-hole vs SMD

• Through-hole (of doorvoergat)

  • In gat door printplaat

• SMD (Surface Mounted Device)

  • Tegen printplaat

  • 3(4): waarde-waarde-(waarde)-exponent

  • Met letter R (radix point) = plaats voor komma

    • 105 = 10x10^5 = 1 M\Omega

    • 4R7 = 4.7 \Omega

Weerstanden in serie en parallel

• Serie: weerstanden optellen

• Parallel: inverse = opgetelde inverse

  • Via geleidbaarheid of conductantie (1/R)

Oefening

• Bereken de parallelschakeling van de weerstand met kleurbanden bruin-groen-zwart en van de weerstand met kleurbanden blauw-zwart-zwart?

• Vergelijk met de serieschakeling van dezelfde weerstanden.

Condensator

• 2 vlakke platen uit geleidend materiaal

• Ertussen diëlektricum (isolerend materiaal)

  • Aansluiten batterij

    • -pool elektronen naar ene plaat

    • +pool elektronen weg van andere plaat → Korte tijd stroom (ook al zit er isolatie)

    • Condensatorspanning stijgt

    • Tot = batterijspanning → Geen stroom & condensator opgeladen

    • ≅ oplaadbare batterij

Demo

• Met

  • Condensator

  • 9 V batterij

  • Weerstand & led

Capaciteit

• C = 1 F (Farad) = stockage 1 V bij laden met 1 A/s = gigantisch groot (door 1 A/s)

  • Realistisch: tsn 1 \muF (of 10^{-6} F) en 1 pF (of 10^{-12} F)

  • Te meten met sommige multimeters

• 2(3) digits: waarde-waarde-(multiplier) in pF

  • 101 → 100 pF

  • 22 → 22 pF

• Letter = tolerantie: J = 5%, K = 10% & M = 20%

Opmerking

• Parallel

  • Grootte platen optellen

  • Dus capaciteitswaarden optellen

  • Cfr. serieschakeling weerstanden

• Serie: inverse = opgetelde inverse

  • Cfr. parallel weerstanden

• Omgekeerd in vgl. met weerstanden

Oefening

• Bereken de parallelschakeling van 2 condensatoren. Op de ene staat er 202 en op de andere 50.

• Vergelijk met de serieschakeling van dezelfde condensatoren.

Atoommodel

• Niels Bohr

  • Atoom = kern (nucleus) + elektronen (-)

  • Kern = neutronen + protonen (+)

• Atoomnummer = # protonen = # elektronen

  • Periodieke tabel (Mendeljev)

Periodieke tabel

• Afbeelding van periodieke tabel

Elektronen

• Elektronen cirkelen in vaste banen (orbits)

  • Discrete energieniveaus & afstanden

  • Hoe verder, hoe hoger energie-inhoud, lagere aantrekkingskracht (loskomen)

  • Buitenste laag = valentielaag met valentie-elektronen

Gebruikte materialen

• Geleider: koper (Cu) – zilver (Ag)

  • 1 valentie-elektron & kern (+1)

  • Metaalbinding

  • Overlap valentielaag & geleidingslaag (conduction band)

  • Valentie-elektronen naar geleidingslaag & bewegen vrij = elektronenstroom

Isolator

• Isolator: glas, papier, rubber

  • Alle elektronen zitten goed vast

  • grote band gap met geleidingslaag

  • Tenzij bij zeer hoge spanning (break down voltage – doorslagspanning)

Halfgeleider

• Halfgeleider: silicium (Si) – germanium (Ge)

  • 4 valentie-elektronen & kern (+4)

  • Soms geleider, soms isolator

• Kristal: covalente bindingen

  • Delen zelfde valentie-elektronen

Stromen in halfgeleiders

1. Elektronenstroom

   • Door elektronen in geleidingslaag

2. Gatenstroom

   • Door elektronen in valentielaag die gaten achterlaten

Electron-hole pair

• Afbeelding van electron-hole pair

N-type halfgeleider

• N-type halfgeleider

  • Doteren met stikstof (N), fosfor (P), arseen (As) en antimoon (Sb) [groep V of stikstofgroep]

  • In buitenste schil 5 elektronen

    • 4 covalente binding + 1 vrij (& zwak gebonden)

  • Elektronenstroom >> gatenstroom

P-type halfgeleider

• P-type halfgeleider

  • Doteren met boor (B), aluminium (Al) en gallium (Ga) [groep III of boorgroep]

  • In buitenste schil 3 elektronen

    • 1 elektron tekort of gat

  • Elektronenstroom << gatenstroom

• Elektronen geleidingslaag n-type verbinden met gaten valentielaag p-type → Negatief ion in p-type & positief ion in n-type

• Uitputtingszone (depletion region)

  • Potentiaalbarrière (barrier potential)

  • Evenwicht tsn deze barrière & aantrekkingskracht

Externe spanning

• Externe spanning beïnvloedt evenwicht

  • +pool aan p-type & -pool aan n-type

    • Uitputtingszone ingedrukt

    • Stroom vloeien → geleider

  • -pool aan p-type & +pool aan n-type

    • Uitputtingszone uitgerekt

    • Geen stroom vloeien → isolator

Diode

• Hoorcollege 3

• Handboek: Chapter 2, Section 2.1 – 2.3, 2.9 – 2.10 (partim), Chapter 3, Section 3.5

Inhoud

• Diode

  • Forward – reverse bias

• Stroomspanningskarakteristiek

• Diodemodellen

  • Ideaal

  • Praktisch

  • Compleet

• Datablad

• Troubleshooting

• Zonnecel

Diode

• PN-junctie

  • P-type: anode

  • N-type: kathode

  • KNAP

• Stroom slechts in 1 richting

Verpakkingen

• Verpakkingen: through-hole

  • Kathode (K) aangeduid met streepje, randje…

• Slechts 1 pin: kathode is behuizing

Verpakkingen SMD

• Verpakkingen: SMD

  • Kathode aangeduid met streepje, randje…

  • Merk op: SOT-23 (Small-Outline Transistor) heeft 3 pinnen → 2 versies

    • 1 diode: pin 3 = K & pin 1 = A

    • 2 diodes: pin 3 = common A of K → datablad

Forward Bias

• Forward bias

  • V_{BIAS}: -pool aan n-type & +pool aan p-type

  • Weerstand beperkt stroom

• V{BIAS} > VB (= potentiaalbarrière)

  • Elektronenstroom & gatenstroom

  • Elektronen verliezen energie (= potentiaalbarrière)

    • Spanningsval (silicium = 0.7 V)

• V_F (forward-bias voltage)

• I_F (forward current)

• Punt C:

  • Geleidelijke toename V_F door interne dynamische weerstand (= materiaaleigenschap)

Demo

• http://www.tinkercad.com/things/6CbX28eU9Aa

Reverse Bias

• Reverse bias

  • V_{BIAS}: -pool aan p-type & +pool aan n-type

• Weerstand beperkt stroom

• Elektronenstroom & gatenstroom

• V_{BIAS} >>>: doorslagspanning (breakdown voltage )

  • 1 elektron duwt meerdere elektronen uit valentielaag: lawine-effect (avalanche effect)

• V_R (reverse voltage)

• I_R (reverse current)

• V_{BR} (breakdown voltage) of PIV (Peak Inverse Voltage) of PRV (Peak Reverse Voltage)

Stroomspanningskarakteristiek

• Stroomspanningskarakteristiek

  • Temperatuursafhankelijkheid

    • Potentiaalbarrière daalt 2 mV bij elke graad toename temperatuur

Diodemodellen

• Ideaal

• Praktisch

• Compleet

Ideaal

• Ideaal → zoals schakelaar

  • V_{BIAS} = 0 & dynamische weerstand = 0

Praktisch

• Praktisch → zoals schakelaar mét V_F (0.7 V)

  • Dynamische weerstand = 0

Compleet

• Extra: r'_a

Samengevat

• Vergelijking van de verschillende diodemodellen

Oefening

• Hoeveel bedraagt de stroom door de weerstand? Maak eerst gebruik van het ideale model, nadien van het praktische model.

Datablad

• 1N4001: eigenschappen

  • Maximale

    • V_{RRM} (peak reverse voltage) = 50 V

  • Thermische

    • Gemiddelde vermogens-dissipatie = 3 W

  • Elektrische

    • V_F @ 1 A = 1.1 V

Forward surge current

• Grafieken met forward current derating curve, forward characteristics, non-repetitive surge current, reverse characteristics

Troubleshooting

• Multimeter in weerstandsmeting

  • Werkend

    • Forward bias: lage weerstand

    • Reverse bias: hoge weerstand

  • Kapot

    • Forward & reverse bias: hoge weerstand

    • Forward & reverse bias: lage weerstand

Diodemeting

• Diodemeting en resultaten bij werkende en kapotte diode

Zonnecel

• Elk uur voldoende beschikbaar voor wereldwijde & jaarlijkse vraag elektriciteit

• Omzetten naar elektrische energie

  • Zeer efficiënt met halfgeleidermateriaal

  • In fotovoltaïsche cel (Photovoltaic Cell of PV-cell)

Kristallijne siliciumzonnecel

• Kristallijne siliciumzonnecel

  • Bovenop n-type geleidend rooster + antireflecterende laag (absorptie maximaliseren) + glazen (of plexiglazen) plaat als bescherming

  • Onderkant p-type vlakke, metalen plaat

Fotovoltaïsch effect

• Fotovoltaïsch effect

  • Foton (energiepakket) → maakt elektronen los & gaat naar n-type → laat gat in p-type achter

  • Terug combineren via belasting = stroom!

• Grootte 100 cm² tot 225 cm²

  • Met bruikbare spanning 0.5 tot 0.6 V

• Bij 1000 W/m²