Praktische opdracht ANW Elektronische chips

Transcriptie

1 Praktische opdracht ANW Elektronische chips Praktische-opdracht door een scholier 3084 woorden 5 juni keer beoordeeld Vak ANW Elektronische chips Inleiding In deze praktische opdracht, zal ik de geschiedenis van de elektronische chip onderzoeken. Wat wij nu als logisch beschouwen, heeft in een tijdsbestek van amper 100 jaar, een geweldige evolutie doorgemaakt. Onze volledige economie en westerse welvaart, is gebaseerd op een stukje techniek, waarvan het gros van de mensen absoluut geen idee hebben, wat het überhaupt doet, of hoe het werkt. Ik wil dan ook het volgende onderzoeken: Hoe werkt een IC, ook wel chip genoemd? Om dit te onderzoeken, zal ik de geschiedenis proberen te ontrafelen, vanaf begin 1900, toen er nog niks was dat überhaupt maar in de buurt kwam van een chip, langs de ontdekking van de chip, tot aan de situatie nu. Uiteindelijk zal ik ook nog een summiére toelichting geven op de toekomst. Ondertussen zal ik proberen, met technische uitleg, en een enkel plaatje als hulpmiddel, de geschiedenis met uitleg van zaken te onderbouwen. Ik hoop, dat mijn PO ook u nog iets zal leren. Het prille begin De chip, of ook wel microchip, geïntegreerde schakeling of Integrated Circuit, is tegenwoordig niet meer weg te denken uit elektronische apparaten. Chips zijn onder andere te vinden in computers, radio s, TV s, wasmachines, mp3-spelers, hifi-apparatuur, printers, auto s, en nog zoveel meer consumentenelektronica. Om het nog niet eens te hebben over de toepassing in bijvoorbeeld fabrieken, of de regelinstallaties van verkeerslichten. Een moderne economie, of überhaupt een leven zonder chips is haast niet meer voor te stellen: apparaten zouden oneindig veel lomper en groter worden, of überhaupt niet meer gemaakt kunnen worden. Toch was er een tijd, dat de chip nog niet bestond. Volgend jaar is de chip pas vijftig jaar oud. Maar wat was er daarvoor dan? Laten we beginnen bij een andere grote doorbraak: De ontdekking van de gloeilamp. In 1877 werd hij uitgevonden door Thomas Alva Edison.Daarmee kregen de elektrische verschijnselen, die al ruim een eeuw daarvoor door Volta en Ampère waren waargenomen, een praktisch nut. Plotseling had men overal, constant licht. Edison bouwde van het geld wat hij verdiende door vroegere ontwikkelingen een onderzoekslab in New Jersey. Dit laboratorium hield zich bezig met octrooien opkopen en verbeteren, en onderzoek doen naar elektrische verschijnselen. Zo ontdekte men eveneens in 1877 de fonograaf (de voorloper van de grammofoon), en is in hetzelfde laboratorium de eerste elektrische stoel ontwikkeld. Toch waren dit niet de zaken die Edison een pioniersnaam in elektronica hebben gegeven. De ontdekking die de Pagina 1 van 6

2 grootmoeder van de chip inluidde, werd gedaan in Edisons gloeilampen hadden namelijk een koolstofdraad, in plaats van het huidige wolfraam. Een groot nadeel van deze draad was, dat het glas van het peertje na verloop van tijd zwart uitsloeg. Edison voorkwam dit door een metalen plaatje tussen de gloeidraad en het glas te plaatsen. Toen onderzoekers van zijn lab metingen over deze lamp uitvoerden, ontdekten zij dat er naast stroom door de gloeidraad, ook stroom van de gloeidraad naar het metalenplaatje liep. Dit terwijl er geen geleidend materiaal tussen zat, maar een vacuüm ruimte. Dit effect staat tegenwoordig bekend als het Edison effect of, meer gebruikelijk, als thermionische emissie. Van lamp naar buis Hoewel Edison het effect ontdekte wat ten grondslag lag aan de ontwikkeling van de elektronbuis, heeft hij zelf deze stap niet gezet. Edison kon geen verklaring geven voor hetgeen hij ontdekte. Lang bleef het dan ook stil rondom het Edisoneffect, totdat op 16 november 1904 de Brit Ambrose Fleming de elektronenbuis patenteerde. Fleming had onderzoek gedaan, naar het Edisoneffect en ontdekte zo de eerste diode, waarmee wisselstroom gelijkgericht kon worden. Deze werkte als volgt: Door op de gloeidraad, of ook wel kathode een spanning te zetten gaat er stroom doorheen lopen. Door vervolgens op de metalen plaat (anode) een spanning aan te brengen die positief is ten opzichte van de kathode, vliegen er elektronen van de kathode naar de anode. M.a.w. er gaat een stroom lopen. Heeft de anode t.o.v. de kathode echter een negatieve spanning, dan gebeurt er helemaal niks. Daardoor kan de stroom er maar in een richting doorheen. Het praktische nut Hiervan vertaalt zich vooral in de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom. Een wisselstroom verandert bijvoorbeeld 50 keer per seconde van + naar -. Zetten we hier een diode tussen, dan kan de positieve fase wel doorgang vinden, maar wordt de stroom geblokkeerd zodra deze negatief wordt. Het effect is schematisch te zien in het plaatje hiernaast: de stroom wordt als het ware afgevlakt. Niet lang daarna werd de volgende toepassing van de buis al weer uitgevonden: in 1906 ontdekte de Amerikaan Lee forest de Triode. Aan de naam kan je al een beetje afzien waar het verschil in zit ten opzichte van de eerdergenoemde diode. Forest plaatste tussen de kathode en anode nog een derde rooster, het zgn. stuurrooster. De triode is de basis van de actieve elektronica. Actief wil zeggen dat spanningen of stroomsterktes actief veranderd worden. Hoe werkt een triode? Een triode werkt in beginsel hetzelfde als de diode van hiervoor. Bij de triode is echter een rooster tussen de kathode en anode in geplaatst. In praktijk zit dit rooster vlakbij de kathode. Als de anode veel positiever geladen is als de diode loopt er dus een stroom. het rooster wordt vervolgens negatief geladen ten opzichte van de kathode. De elektronen, die anders naar de anode toe wilden, zien nou alleen nog een groot blok negatieve spanning en negatief stoot negatief af. De elektronen blijven dus op de kathode hangen. Stel je voor dat je een klein geluidssignaal op het rooster zet. Dat is in wezen niks anders als een constant wisselende spanning. En doordat het geluidssignaal constant wisselt, wisselt de stroom die van kathode naar anode loopt ook constant, alleen dan met veel grote kracht. Zo heb je in principe een versterker gemaakt. En dat is precies wat een triode doet. Hij versterkt een bepaalde spanning. Dat hoeft niet persé geluid te Pagina 2 van 6

3 zijn, maar kan bijvoorbeeld ook een radiosignaal zijn. De buis heeft dus een belangrijke bijdrage geleverd aan de opkomst van radio s en muziekapparatuur. Zonder buis zou het niet mogelijk zijn geweest om het geluid te versterken, of radiosignalen om zetten in geluiden. Naast deze belangrijke twee buizen zijn er in de loop van de geschiedenis nog aardig wat buizen bij gekomen: Zo zijn er de Heptode, Pentode, Hexode etc. Die allemaal de versterkingsfactor van de triode proberen te vergroten, door meerdere roosters in de strijd te gooien. Maar in de loop van de tijd zijn er nog vele andere elektronenbuizen op de markt gekomen. Waarvan de bekendste waarschijnlijk nog wel de kathodestraalbuis is. Deze wordt nog steeds veelvuldig toegepast in TV s, computerbeeldschermen, en in mindere mate in oscillatoren. De werking ligt wat ingewikkelder dan de simpele buis, maar berust erop dat elektronen naar een specifieke plek op het beeldscherm worden geschoten. Verder zijn ook röntgenbuizen en geigertellerbuizen en zo nog wat obscuurdere gevallen allemaal versies van de elektronenbuis. Halfgeleiders De elektronenbuis beleefde een enorme opkomst tijdens het interbellum, maar ondertussen zat men op technologiegebied niet stil. Terwijl de buizen steeds meer toepassingen kregen, kregen onderzoekers steeds meer inzicht in elektrische verschijnselen. Een belangrijke ontdekking in de stap naar microchip, was de ontdekking van zogenaamde halfgeleidende stoffen, Zoals Silicium, Germanium en Koolstof. Tenminste: ze zijn bijna niet geleidend, maar dat worden ze gemaakt: Hoe wordt silicium halfgeleidend: Als je in het periodieke systeem der elementen kijkt, zul je zien dat Silicium 4 plaatsen van de edelgassen afstaat. Dit betekent dat het atoom 4 elektronen in zijn buitenste schil heeft. Silicium heeft de neiging met 4 andere siliciumatomen te binden tot een kristal, Daardoor zijn alle elektronen verbonden in een elektronenpaar en zijn er dus geen vrije elektronen over voor geleiding. Silicium op zichzelf is dus geen geleider, maar is eerder een isolator. Wordt er echter in plaats van een binding met andere siliciumatomen, een binding met boor of fosfor aangegaan, dan veranderen de zaken. Neem bijvoorbeeld fosfor. Die heeft 5 atomen in de buitenste schil. Wordt er een heel klein beetje fosfor aan het siliciumkristal toegevoegd, dan zijn er dus elektronen te veel in het diamant, die vrij kunnen rondreizen van schil naar schil. Het silicium is dan negatief geladen, en is opeens een geleider geworden. Ook boor kan toegevoegd worden: boor heeft 3 neutronen in zijn buitenste schil. Daardoor ontstaat er bij beperkte toevoeging een elektronentekort in het atoom. Met als gevolg dat er constant elektronen van atoom naar atoom springen om het tekort proberen aan te vullen. Hierdoor wordt silicium dus ook geleidend. Het voorbeeld wat hierboven staat, gebeurt ook in het echt. Het toevoegen van boor of fosfor aan silicium en zo nog wat andere stoffen met vergelijkbare eigenschappen, wordt verontreinigen genoemd. Het industriële proces om dit mogelijk te maken heet doteren op doperen. Als er elektronen te weinig zijn, zoals bij de dotering van boor, dan wordt het silicium positief geladen. Dit wordt ook wel p-silicium genoemd. Anders om, bij fosfor, wordt het silicium negatief, en dus wordt het n-silicium genoemd. De nieuwe Diode Op zichzelf staand zijn halfgeleiders niet zo interessant. Immers, wat is er interessant aan, om een geleider Pagina 3 van 6

4 te creëren, terwijl er zoveel natuurlijke geleiders voorhanden zijn. Maar, halfgeleiders beginnen interessante eigenschappen te vertonen, als je negatieve en positieve halfgeleiders naast elkaar plaatst: ze beïnvloeden elkaar. De werking van de diode Stel dat je een p- en een n-halfgeleider aan elkaar zet, zoals hieronder maar dan zonder batterij. De vrij elektronen uit het n-gedeelte, zullen de gaten opvullen in het p-gedeelte, zodat er een gedeelte midden tussen de n-en p-halfgeleider in evenwicht raakt. Dit gedeelte wordt wel de uitputtingszone genoemd, omdat er geen vrije ladingsdragers meer aanwezig zijn. In dat gedeelte zijn dus geen vrije elektronen meer beschikbaar, en de diode zal dan ook geen stroom geleiden. Wordt er daarna een batterij op aangesloten, dan hangt het van de polariteit af en de spanning, wat er gebeurt. Zoals op het plaatje zal er absoluut geen stroom lopen: de vrije elektronen die nog in het n-type aanwezig zijn, zullen naar de + pool van de batterij stromen. Daardoor zijn er nóg minder vrije ladingsdragers in het n- silicium aanwezig. Daarnaast zullen elektronen uit de pool van de batterij naar de het p-silicium stromen, om aldaar de nog aanwezig gaten op te vullen. Wat overblijft is een nóg grotere uitputtingszone, en dus geen stroom. Anders wordt het als je de batterij omdraait: de n-elektronen worden afgestoten door de batterij, en worden als het ware door de uitputtingszone heen gedrukt. Aan de andere kant worden ze aangetrokken door de positieve pool. Daardoor zal de diode dan wel geleiden. In praktijk moet de spanning tussen de 2 polen meestal op ongeveer 0,7 volt liggen, om het doorslagpunt in de uitputtingszone te bereiken. Dat is meteen een gigantisch voordeel t.o.v. de oude elektronenbuis. Daarin waren spanningsverschillen tot enkele 100-en volts nodig, om goed te werken. Om die spanningen te genereren, heb je transformatoren nodig, die ook weer het nodige kosten, maar vooral erg zwaar zijn. Een diode daarentegen, is veel kleiner en lichter te maken als zijn oude grootvader. Ook vereist het minder randapparatuur, en zal een halfgeleiderdiode je eigenlijk nooit in de steek laten. Al met al een hele vooruitgang dus. Schok voor de elektronica Toen brak er een moment aan, dat alles anders werd: op 23 november 1947 vonden John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley de transistor uit. Die zag er trouwens nog heel anders uit dan de transistor van nu. Het was in wezen een siliciumkristal met 2 gouden naalden erin gestoken, wat genoemd wordt als de grootste uitvinding van de 20e eeuw Hoe dan ook was deze uitvinding revolutionair! In die tijd geloofde iedereen nog, dat elektronenbuizen de toekomst had. Walter Brattain had zelfs moeten smeken bij de administratie van zijn werkgever Bell labs, om zijn sponsoring voor zijn onderzoeksproject te behouden. Hoe blij de wereld was met hun uitvinding werd duidelijk in Toen kregen alledrie de heren de Nobelprijs voor de natuurkunde, voor hun onderzoek naar de transistor. Wat de triode was voor de elektronenbuizen, is de transistor zo ongeveer voor de halfgeleiders. Allebei versterken ze, alleen versterkt de elektronenbuis de spanning, terwijl een normale (bipolaire) transistor juist de stroom versterkt. En net zoals bij de triode, is de transistor niks meer dan de diode met een extra toevoeging: De werking: Hiernaast zie je een schematische transistor in 2 stadia. De transistor bestaat in dit geval uit twee laagjes n-silicium, met daar tussenin een laagje p-silicium. Het middelste laagje van een transistor wordt de basis genoemd, en dit is dus positief geladen. De andere Pagina 4 van 6

5 twee laagjes zijn allebei negatief geladen en worden de collector en de emitter genoemd. Je zou, zolang er geen spanning staat op de basis, de transistor kunnen zien als een diode, die twee kanten opstaat. In het midden is een tekort aan elektronen, aan de buitenkanten zijn er veel te veel (plaatje 1). Daardoor zullen er vrije elektronen de gaten opvullen in het midden, waardoor er, net zoals bij de diode, een uitputtingszone ontstaat; maar nu aan beide kanten van de basis. (plaatje 2) op deze manier laat de transistor dan ook geen stroom door, hoe je de polariteit ook aansluit. Dit verandert pas op het moment, dat je een spanning aanlegt op de basis. Op het moment dat je daar een kleine spanning op aansluit, bijvoorbeeld als je door de microfoon in het plaatje hier beneden gaat praten, gaat er een stroom lopen en komen er nieuwe vrije elektronen de transistor in zetten. Die vrije elektronen gaan onder andere in de uitputtingszones zitten en daardoor kunnen ook deze gebieden weer stroom geleiden. Daardoor gaat opeens de veel grotere stroom van de batterij lopen. Hoeveel stroom er vanuit de batterij kan lopen, wordt direct beïnvloed door de stroom die de microfoon opwekt. De stroom door de luidspreker heeft dan ook dezelfde vorm als die door de microfoon maar dan versterkt! Je ziet dus hoe met een klein (microfoon)stroompje, een grote stroom kan gaan lopen. Het principe is dus hetzelfde als van een triodebuis, maar dan met stroom in plaats van spanning. De microchip Op 12 september 1958 ontwikkelde Jack Kilby, onderzoeker bij Texas instruments, de eerste chip. Nog geen 4 maanden later deed Robert Noyce van Fairchild semiconductor een soortgelijke uitvinding en alhoewel Kilby eerder was kreeg Noyce het patent. Toen was de chip nog van metaal. Tegenwoordig is hij, net zoals veel andere zaken, van silicium in plastic gegoten. Aan de staven silicium waar plakken(=chips in het engels) vanaf worden gesneden, dankt de chip zijn naam. Een chip voorzag in een grote behoefte van elektronicabedrijven. Al voordat de chip was uitgevonden, werden standaard printplaten geproduceerd. Hierop werden veelgebruikte schakelingen, zoals versterkers of radio-ontvangers, met losse weerstanden en transistors op een printplaatje gesoldeerd in de fabriek, zodat fabrikanten zelf alleen nog verschillende printplaten hoefden te combineren. Toch was dit een tijdrovende klus, want alles moest met de hand gesoldeerd worden. Dat veranderde compleet met deze ontdekking. Bij de chip kunnen middels een ingewikkeld industrieel proces de elektrische componenten direct op een schijf silicium worden belicht. Men hoefde dus niet meer alles apart te solderen, maar alleen nog te belichten. Daarbij kwam dat de elektronische componenten ook nog eens veel kleiner konden zijn door deze manier. De chip biedt dus enorm veel arbeids- en productiegerelateerd voordeel De eerste chip bestond uit 1 transistor, 3 weerstanden en 1 condensator, en was zo groot als de pink van een volwassen man. Maar de techniek heeft niet stilgestaan: tegenwoordig passen er op een chip, die nauwelijks groter is dan een 1-cent stuk, zo n slordige 125 miljoen transistors. De nieuwe processor van Intel (dat trouwens is opgericht door Robert Noyce) is ongeveer 16 cm2 en bevat 100 miljard transistors en andere componenten! De chip heeft het in relatief korte tijd mogelijk gemaakt, dat we, zonder veel extra ruimte in beslag te nemen, toch meer konden. Zo zijn de eerste draagbare rekenmachines te danken aan de chip, net zoals de eerste draagbare radio s overigens. Zoals gezegd gebruiken ook computers ontzettend veel chips. Computers maken gebruik van digitale techniek. Dat wil zeggen dat een computer twee standen onderscheid: 0 en 1. Bij 0 loopt er geen stroom door een transistor, en bij 1 wel. Zo werken chips dus als ontzettend geavanceerde logische schakelaars. Richard Moore, ook mede oprichter van Intel, deed in 1965 een opvallende uitspraak. Hij stelde dat de Pagina 5 van 6

6 hoeveelheid transistors, die op een chip zouden passen, elke 18 maanden zou verdubbelen. Daarmee kreeg hij zo goed als gelijk: tot nu toe groeit, verdubbelt het aantal ongeveer elke 2 jaar. Zijn uitspraak staat dan ook bekend als de wet van Moore. Toch zal deze wetmatigheid niet altijd blijven gelden. Dit komt omdat er steeds meer tegen bepaalde fysische barrières wordt aangelopen, tijdens de productie van chips. Niets is tot in het oneindige kleiner te maken. Voor processors in computers wordt daarom ook meer en meer gebruik gemaakt zgn. dual-core processors, waarbij de er andere oplossingen gevonden zijn om de processor sneller te maken. Conclusie Wat wij nu als vanzelfsprekend ervaren, is dat niet. Net een eeuw geleden zijn slechts de eerste stappen gezet richting de mp3-spelers die we vandaag de dag gebruiken. Het onvoorstelbaar dat men ooit bij de elektronenbuis is begonnen, en dat een enorm geavanceerde component vond, terwijl er nu op de ruimte van een elektronenbuis biljoenen transistors passen die allemaal dezelfde functie hebben als een zo n buis. Je kunt dus met gemak stellen, dat de chip de wereld heeft veranderd. Door het enorme verschil tussen de productieprijs van een chip, en bijvoorbeeld zijn equivalent in losse transistors, is het voorrecht om een radio, rekenmachine of computer te hebben, tegenwoordig aan iedereen in Nederland gegeven. Ter vergelijking. Vroeger bestond een eenvoudige computer uit kamers vol met elektronenbuizen en ingewikkelde meters. Regelmatig sneuvelde er eentje, en moesten grote delen van berekeningen weer opnieuw gedaan worden. Toch zal de snelheid van chips, waarmee het aantal transistors ook wel wordt aangeduid, over enkele jaren stagneren. Fysische barrières houden dan verdere dichtheid van verschillende componenten tegen. Wie weet wat de volgende ontwikkeling wordt? Bronverwijzing: Semiconductor diodes and transistors door Marshal Brain Geraadpleegd op 20 november 2007 The miracle month, invention of the first transistor door Ira Flatow Geraadpleegd op 21 november 2007 Wikipedia artikelen: o Halfgeleiders o Elektronenbuis o Transistor Geraadpleegd op 20 november Pagina 6 van 6