התקנים ומעגלים אלקטרונים

התקנים ומעגלים אלקטרונים פרופ’ יוסי שחם-דיאמנד אוניברסיטת תל-אביב

אלקטרוניקה וביולוגיה • תופעת החשמל התגלתה לפני אלפי שנים - שפשוף עצמים בבד או צמר גרם להם למשוך עצמים קלים. • לדוגמה ענבר - שרף מאובן של עצי מחט • שאלה: מה הקשר בין ענבר לאלקטרוניקה ? • ענבר, באנגליתAMBER ביווניתelektron

פרופ’ ויללאם גילברט ( 1544-1603) de magnete (1600) פרסם את אחד הספרים הראשונים על מגנטיות: חקר את השפעת המגנטים הטבעיים על ברזל ומשיכת נייר ע”י ענבר הגדיר את המושגELECTIC בחומרים שמתנהגים כמו ענבר הגדיר את המושגNON-ELECTICS לחומרים שאינם מתנהגים כמו ענבר, כיום היינו קוראים להם מוליכים

(סיר תומסבראון (1646 • הגדיר את המושגELECTRICITY סטיוון גריי ( 1666-1736 ) - מדען חובב הראה שניתן להוליך את המטען של הענבר למרחק 150 מטר ע”י חוט שזור לח עטוף בבד משי יבש. שרל פרנסואהדהסיסטרנאיי דופיי (1698 - 1739 ) הגדיר שני סוגי מטען: חיובי - “זכוכיתי” (VITREOUS) ושלילי - “שרפי” ( RESINOUS ).

פטר ואןמוסצ’נברוק ( 1692 - 1761 ) • עבד באוניברסיטתליידן בהולנד . הוא לקח צנצנת ריבה, ציפה אותה ברדיד מתכת משני שידידה והמציא את ה”צנצנת שלליידן” - הקבל הראשון. בניימין פרנקלין ( 1706 - 1790 ) • הראה שברקים הם חשמל (ניסוי העפיפון המפורסם) • ממציא קולט הברקים

ושוב אלקטרוניקה וביולוגיה... • לואיג’יגלווני - ( 1737 - 1798 ) - פרופ’ לאנטומיה חקר את השפעת החשמל על רגלי צפרדעים…..מגע מתכת גרם להם להתכווץ. הוא ניסה להסביר את התופעה ע”י הגדרת “כחחיים” שיש בכל חי ושהוא נעלם זהו מוות. אלסנדרווולטה ( 1745 - 1827 ) - פרופ’ לפיזיקה לא התרגש מההסברים של גלווני והראה שהמתכות בניסוי יוצרות מתח חשמלי - לכן וולטה נחשב כממציא הסוללה החשמלית.

מאז חלפו 200 שנה של המצאות וחידושים: • מיכאל פרדיי המציא את המנוע, השנאי והגנרטור, • וולטרפוןסימנסהמציא את הגנרטור זרם חילופין • אדיסוןשכלל את הנורה ( שהומצאה ע”י אחד בשםסוואן) • דהפורסט המציא את השפופרת האלקטרונית • הרץומרקוניהעניקו לנו את הרדיו • שוקלי, ברדין ובריטייןהמציאו את הטרנזיסטור

אלקטרוניקה • מדע תכנון וייצור רכיבים אלקטרונים • כולל מספר דיסציפלינות - קשורות בכל התופעות האלקטרוניות והחשמליות. • אספקטים תיאורטיים - עיבוד אותות, תורת האינפורמציה והתקשורת, תורת הרשתות, שדות חשמליים, מגנטים ואלקטרומגנטים , תאוריהשל מצב מוצק, פלזמה, • אספקטים של חומרה - התקנים, מעגלים, מערכות.

התקנים מעגלים ומערכות מערכות אנלוגים - מגברים, ספרתיים - לוגיקה מעגלי אות-מעורב מעגלים פסיבים - נגדי, קבלים, סלילים אקטיבים - טרנזיסטורים התקנים

התקנים פסיבים V נגדים I התנגדות - R=r L/A r- התנגדות סגולית [אוהם·ס”מ] L - אורך הנגד A - שטח החתך של הנגד

מה קובע את המוליכות הסגולית ? • כאשר מפעילים שדה חשמלי, E ,על מוליך נוצר זרם, J • הזרם תלוי ב: • מספר החלקיקים נושאי המטען, n • מהירות התנועה שלהם, v, שיחסית לשדה החשמלי לפיכך הזרם יחסי לשדה החשמלי

מוליכות והתנגדות סגולית המוליכות הסגולית מוגדרת כיחס בין צפיפות הזרם לשדה החשמלי: r- ההתנגדות הסגולית: כאשר יש מספר נושאי מטען, חיוביים ושליליים, המוליכות הסגולית הנה סכוםהמוליכויות הסגוליות של כל אחד מהם:

Current, I V I Al SiO2 p or n Si - n or p נגד מוליך למחצה - מבט צד

W נגד מוליך למחצה - מבט על L RS - Sheet resistance [Ohms / square]

איך מייצרים נגד משולב ? סימום - דיפוזיה או השתלת יונים א. סימום ( Doping ) p or n Photoresist SiO2 Si - n or p השתלת היונים מכניסה סיגים מסוג שהופך את המצע מסוגN לP או להפך. למשל זרחן ואסן יוצרים סיליקון מסוגN ובורון יוצר סיליקון מסוגP

ב. הרפיה תרמית -Annealing דיפוזיה ואקטיבציה של הסיגים SiO2 Si - n or p תהליך החימום גורם לאטומי הסיגים “להתיישב” באתרי הגביש ולהפוך את סימנו בתנאי שריכוזם עולה על ריכוז הסיגים המקורי בגביש. מקובל לחמצן את הסיליקון בתחילת התהליך כדי ליצור שכבת SiO2המונעת בריחת סיגים החוצה .

ג. פתיחת חורים למגעים Photoresist SiO2 p or n Si - n or p לפני פתיחת החורים משקעים שכבה נוספת שלSiO2כדי ל”עבות” את המבודד הפתיחה נעשית ע”י תהליך איכול בחומצה או בפלזמה שמכילה פלואור.

Al SiO2 p or n Si - n or p ד. שיקוע מתכת המתכת הנה בדרך כלל אלומיניום והשיקוע נעשה בטכנולוגיה של PVD - שיקוע אדים פיזיקלי ( בדרך כלל בהתזה או בנידוף)

Al SiO2 p or n Si - n or p ה. ליתוגרפיה של המתכת Photoresist איכול המתכת נעשית ע”י תהליך איכול בחומצה או בפלזמה שמכילה כלור לאחר האיכול מורידים אתהרזיסט בממס מיוחד ובפלזמה של חמצן.

I V התקנים פסיבים - קבלים C=e0er A/d

קבלים משולבים על מוליך למחצה א. קבל בין מתכת למצע Al SiO2 SiO2 C הקיבול הנו בין קו מוליך למצע שבדרך כלל מחובר לקו המשותף או לספק המתח

Al SiO2 SiO2 p or n Si - n or p C Cp ב. קבל בין מתכת לצומת

אזור תחמוצת דקה L W מבט על - קבל מתכת לצומת - קיבול ליחידת שטח C’

ג. קבל בין שני מוליכים SiO2 Al Al Si substrate C Cp << C Cp

קבל בין שני מוליכים - מבט על מוליך עליון מוליך תחתון אזור עם מבודד דק

Al SiO2 p Si - n ד. קיבול צומת למצע VD קיבול הצומת תלוי בריכוז הסיגים במצע

V I השראות - inductance • האות במעגל משולב נע על מוליכים מתכתיים - קו תמסורת • לקו ישנה השראות עצמית • בין קווים ישנה השראות הדדית • אין ביטויים אנליטיים פשוטים לחישובי השראות במעגלים משולבים • חישובי ההשראות נעשים באופן נומרי מתוך פתרון משוואותמכסוול.

רכיבים לאלינארים • עד כה התעסקנו ברכיביםלינארים • רכיבים אמיתיים אינםלינאריםאך הקירובהלינארימדויק עבור אות קטן (מתח או זרם) • נחלק את עולם הרכיבים ל: • רכיבים שמתוכננים להיותלינאריםוחוסר הלינאריות הנו הפרעה • רכיבים לאלינאריםמתוך “כוונה תחילה”

אילינאריתבנגדים רגילים חוקאוהם , שקובע שהיחס בין צפיפות הזרם לשדה החשמלי קבוע, איננו מתקיים בשדות חזקים. הגורמים לכך הנה רווית המהירות במוליכים למחצה ותופעות מטען מרחבי

V [cm/sec] Ec השפעת רווית המהירות מהירות נושאי המטען במוליכים למחצה חסומה ע”י מהירות הרוויה: E [V/cm] המוליכות החשמלית תלויה בשדה:

השפעת המטען המרחבי ריכוז המטען המרחבי תלוי בזרם: בצפיפויות זרם גבוהות מטען זה יותר גדול ממטען שיווי המשקל של המוליך למחצה והוא משפיע על השדה הפנימי: בקרוב ראשון נקבל (בהנחה שהשדה החשמלי הנו 0 ב 0=X ):

השפעת המטען המרחבי (המשך) מהתלות בשדה ניתן לחשב את מפל הפוטנציאל בין הדקי הנגד: V הנו המתח על הנגד I הנו הזרם מכאן נקבל שהזרם יחסי לריבוע המתח, וזו בוודאי איננה תלותלינארית.

דיודות אלמנטים לאלינאריםשתלות המתח בזרם תלויה בקרוב ע”י: k - קבועבולצמן q - מטן האלקטרון I - הזרם V - המתח n - קבוע האידיאליות, שווה ל 1 בדיודה אידיאלית T - הטמפרטורה במעלות קלווין IS- זרם הרוויה האחורי

אפיין דיודה I Von מתח הפריצה האחורי V I V IS

צד ב’ צדא’ אנרגיה פוטנציאלית Df מגע בין חומרים שונים - צמתות • צומתהומוגנית • מגע בין שני אזורים העשויים מאותו מוליך למחצה אך בעלי סוג מטען שונה - • צמתותPN • או מגע בין שני אזורים העשויים מאותו מוליך למחצה בריכוזים שונים - • צמתות+N/N או צמתות+P/P

חומרא’ חומר ב’ אנרגיה פוטנציאלית Df צמתות הטרוגניות • צומת הטרוגנית - מגע בין שני מוליכים למחצה שונים • צומתשוטקי - מגע בין מתכת למוליך למחצה • מגע בין נוזל למתכת או בין נוזל למוליך למחצה

תלות הזרם במתח בדיודתPN • במתח 0 הזרם 0 • שינוי הזרם נובע מהשפעת הממתח החיצוני על הפרש הפוטנציאל הפנימי • בהנחה שהזרם נובע מערור תרמי: • הסתברות המעבר של נושאי המטען מעבר למחסום הפוטנציאל הנה לפי סטטיסטיקתמכסוול-בולצמן • הזרם יחסי לכמות נושאי המטען שיכולה לעבורX הסתברות המעבר

דיודת צומת- אזור+P על אזורN תלות הזרם במתח: זרם הרוויה : A = שטחהדיודה Eg = רוחב הפס האסור של המוליך למחצה

מבנה צומתPN Current, I V I Al SiO2 P+ N+ Si - n

איך מייצרים דיודה ? דיפוזיה או השתלת יונים מסוגP א. סימום ( Doping ) p Photoresist SiO2 Si - n השתלת היונים מכניסה סיגים מסוג שהופך את המצע מסוגN לP או להפך. למשל זרחן ואסן יוצרים סיליקון מסוגN ובורון יוצר סיליקון מסוגP

ב. הגדרת המגע N א. סימום ( Doping ) Photoresist SiO2 Si - n השתלת היונים מכניסה סיגים מסוג שהופך את המצע מסוגN לP או להפך. למשל זרחן ואסן יוצרים סיליקון מסוגN ובורון יוצר סיליקון מסוגP

ג. הרפיה תרמית -Annealing דיפוזיה ואקטיבציה של הסיגים SiO2 P+ N+ Si - n or p תהליך החימום גורם לאטומי הסיגים “להתיישב” באתרי הגביש ולהפוך את סימנו בתנאי שריכוזם עולה על ריכוז הסיגים המקורי בגביש. מקובל לחמצן את הסיליקון בתחילת התהליך כדי ליצור שכבת SiO2המונעת בריחת סיגים החוצה .

ד. פתיחת חורים למגעים Photoresist SiO2 P+ N+ Si - n לפני פתיחת החורים משקעים שכבה נוספת שלSiO2כדי ל”עבות” את המבודד הפתיחה נעשית ע”י תהליך איכול בחומצה או בפלזמה שמכילה פלואור.

ה. שיקוע מתכת Al SiO2 P+ N+ Si - n המתכת הנה בדרך כלל אלומיניום והשיקוע נעשה בטכנולוגיה של PVD - שיקוע אדים פיזיקלי ( בדרך כלל בהתזה או בנידוף)

ו. ליתוגרפיה של המתכת Photoresist Al SiO2 p N+ Si - n איכול המתכת נעשית ע”י תהליך איכול בחומצה או בפלזמה שמכילה כלור לאחר האיכול מורידים אתהרזיסט בממס מיוחד ובפלזמה של חמצן.

צומתPN - מבט צד ועל Current, I V I Al SiO2 P+ N+ Si - n Current, I I

מוליכים ומתגים וכל השאר….. • באופו פשטני ניתן לתאר את המעגל האלקטרוני כאוסף של מתגים המחוברים ביניהם • המתגים מנווטים את הסיגנל החשמלי לפיתכניוןמראש ולפי הוראות המגיעות מחלקים אחרים במערכת • מחלקים את עולם המעגלים ל: • מעגליםלינארים • מעגלים לא-לינארים

מוליכים ומתגים וכל השאר…..המשך • מעגליםאנלוגיםיכוליםלהית לינארים (מגברים, דרגות חציצה) או לא-לינארים( מכפלים, מגברים לוגריתמים) ישנם מעגליםאנלוגיםלאות קטן - מתחת למתח התרמי VT= kT/q= 25.6 mV at room temperature • ישנם מעגליםאנלוגיםלאות גדול - מעל המתח התרמי • מעגלי מיתוג הנם לא לינארים - הם מטפלים בדך כלל באות גדול - מספר וולטים

מוליכים ומתגים וכל השאר…..המשך • כדי ליצור מעגלים אלקטרונים חייבים רכיבים אקטיבים • רכיבים אקטיבים יכולים לנווט את האות החשמלי, לעצב אותו, להגביר אותו, להנחית אותו, למתג אותו ובקיצור לעשות בו ככל העולה על רוחו של המתכנן...

C A מתג A - כניסה B - יציאה C - בקרה B לוגיקה חיובית “0” = C המתג פתוח - מסלול האות מנותק “1” = C המתג סגור - מעביד אות

התקנים ומעגלים אלקטרונים