EEM214 Elektronik I: Ders 1 – Giriş, Elektroniğin Tarihi ve Uygulamaları

Bu yazı, Başkent Üniversitesi EEM214 Elektronik I dersinin ilk haftasında gösterilen Lecture 1 sunumunun içeriğidir. Sunumu dersin öğretim elemanı Yrd. Doç. Dr. Derya Yılmaz hazırlamış; son düzenleme tarihi Şubat 2014. İlk slaytlar ders bilgilerini, geri kalanı elektroniğin nerelerde kullanıldığını ve kısa tarihini anlatıyor. Giriş bölümündeki bazı slaytlar Luis G. Sison'un (University of the Philippines – Diliman) ders notlarından alınmış. Slaytlar İngilizce olduğu için metinler de İngilizce aktarıldı. Sunumun orijinal dosyası yazının sonunda indirilebilir.

Ders bilgileri

• Dersin kodu / adı: EEM214-02 Elektronik I
• Öğretim elemanı: Yrd. Doç. Dr. Derya Yılmaz
• Ders saatleri: Pazartesi 13:00–14:50, Cuma 09:00–10:50; LAB-01 Salı 11:00–12:50, LAB-02 Salı 15:00–16:50
• Ofis saatleri: Pazartesi 11:00–11:50, Cuma 13:00–13:50 (Ofis: D404)
• Web sayfası: moodle.baskent.edu.tr

Ders kaynakları Sedra & Smith Microelectronic Circuits (6. baskı) ve Jaeger & Blalock Microelectronic Circuit Design (4. baskı); ek kaynaklar Boylestad & Nashelsky, Neamen ve Kenneth C. Smith'in problem ve laboratuvar kitapları. Haftalık konu planının tamamı ders içerik formu yazısında.

Önemli not: Laboratuvar saatlerinin %20'sinden, ders saatlerinin de %30'undan fazlasına katılmayan öğrenciler dersten F2 notu alırlar.

Applications

• Amplification
• Power control/conversion
• Switching: discrete logic, computers
• Signal generation (oscillators, etc.)
• Signal processing (demodulation, etc.)

Penryn microprocessor

• Feature size: 45 nm (1 nm = 10⁻⁹ meter; width of human hair = 100,000 nm)
• Operating speed: up to 3.2 GHz
• Number of transistors: >800M for quad-core

Laser diodes

Example: pulsed laser diode, 860 nm, 5 W. Used in CD/DVD players, fiber optic communications equipment, laser pointers, instrumentation.

Toyota Prius hybrid car

• Does 22 km/liter of gasoline
• Ultralow emissions
• Power electronics convert/control energy from motors/battery/gas engine

Cell phones

• Microprocessor – overall control
• DSP/ADC/DAC – process audio and baseband signals
• ROM and flash memory – programs and user info (directory, etc.)
• RF amplifiers
• Power management
• Liquid crystal display

History

An excellent multimedia tour is at www.pbs.org/transistor/ (slaytta 1941'den 1997'ye tüp ve transistör örnekleri bir parmak ucunda gösteriliyor).

Vacuum tubes

• 1883: Edison effect – electrons travel through a vacuum to form current
• 1904: John Fleming invents Fleming valve – uses Edison effect to rectify AC current
• 1906: Lee De Forest invents Audion vacuum tube capable of amplification
• Short component life

Semiconductors

• Early 1900's: galena (crystalline lead sulfide) used as radio detectors (rectifying AC current)
• Point contact rectifier
• 1940: Russell Ohl discovers silicon p-n junction

Transistor

• 1947: Shockley, Bardeen & Brattain invent transistor at Bell Labs (won Nobel prize in 1956)
• Point contact transistor using germanium
• Today, silicon transistors more popular because of excellent chemical properties (easier to work with)

Integrated circuits

• 1958: Jack Kilby and Robert Noyce invent the integrated circuit – squeezing several components on a single chip of silicon
• A simple oscillator IC with five integrated components
• Early technology difficult to scale
• 1959: invention of planar IC technology (still used today in VLSI)

VLSI: Very Large Scale Integration. Modern integrated circuits use copper for the metallic lines; copper is used to enable high-speed operation. The lines are as narrow as 0.13 micrometres. Integrated circuits are now fabricated on silicon wafers as large as 300 mm in diameter; they contain an enormous number of transistors.

Transistor operation

N-channel MOSFET (field effect transistor) construction:

1. No gate voltage: no channel between source and drain.
2. + gate voltage attracts electrons and forms channel.
3. + drain voltage pulls in electrons from source through channel (ON).
4. Removing gate voltage destroys the channel, stopping electron flow (OFF).

Problems with simple explanations

• Does not give detailed/quantitative device behavior useful in circuit design
• Does not allow us to predict performance of a device design
• Does not give us insight on how to build better devices

Technology metrics

Density, speed, power consumption, power rating, noise.

Density: Moore's Law

Density of transistors in chip doubles about every 18 months (1965, Gordon Moore: Intel co-founder). Higher density = smaller feature sizes: Intel386 DX, Intel486 DX, Pentium ve Pentium Pro/II işlemcileri 1.5 µ'dan 0.25 µ'ya inen silikon süreçlerinde gittikçe küçülüyor.

The vanishing transistor: 2001'de 0.13 µ süreçte 70 nm, 2005'te 65 nm süreçte 30 nm, 2007'de 45 nm süreçte 20 nm, 2009'da 32 nm süreçte 15 nm kapı uzunluğu (Intel). Difficulties in performance, reliability, mass-production as feature sizes shrink; addressed by new topologies/processes.

Speed

Factors: size, material, design. Slayttaki grafikte 1995–2001 arası gerçek CPU hızları, R. Pierret'in Semiconductor Device Fundamentals (1996) kitabındaki hız öngörülerini çok aşmış görünüyor.

The fastest transistor?

• Silicon germanium (SiGe) transistor that can operate at 210 GHz (IBM, 2001)
• SiGe, GaAs and other materials faster than silicon alone. Other design features help achieve speed.

Power consumption

• Power ∝ (frequency)²
• Power ∝ (supply voltage)²

Power dissipation: future problem. S. Borkar'ın grafiği 4004'ten Pentium'a işlemci güçlerinin üstel arttığını, eğilim sürerse 2008'e doğru 500 W, 1.5 kW, 5 kW ve 18 kW mertebelerine çıkacağını gösteriyor.

White LEDs

• Composition determines color
• Red: Ga, As, P – earliest sale 1970's
• Green: Ga, P, N
• Blue: Ga, N – first sold 1994; made white/full-spectrum LEDs possible

Örnek devreler

Sunumun son slaytları, dönem boyunca öğrenilecek elemanların kullanıldığı devreleri gösteriyor.