2.1. De diode
De diode is de eenvoudigste toepassing van de halfgeleiders. Een diode is een toestel dat elektrische stroom doorlaat of blokkeert.
Een diode is een halfgeleider dat bestaat uit 50% n-silicium en 50% p-silicium.
Er is eerst een laag 100% p-silicium. Men warmt het kristal op en stelt het bijvoorbeeld bloot aan arseenhoudend gas. Arseen is net als fosfor een 5 waardig atoom. Arseen dringt het kristal lateraal binnen en vervangt telkens een silicium atoom. Men blijft dit proces aanhouden tot er evenveel n-silicium is als p-silicium. Men heeft nu een halfgeleider met twee elektrische eigenschappen.
Er is nu een grens in de halfgeleider die we de pn-overgang noemen. Langs deze grens gaan er vrije elektronen van het n-silicium aangetrokken worden door gaten in het p-silicium. Dit verschijnsel duurt tot de contactpotentiaal te hoog wordt. De contactpotentiaal is de arbeid die nodig is om een lading te verplaatsen. Dus het elektron krijgt het moeilijk om nog naar p-silicium te gaan.
Er is nu een gebied in het kristal dat geen ladingsdragers heeft. Dit gebied noemt de sperzone. Dit gebied is niet groot, slechts 1 duizendste van een millimeter breed.
Afbeelding 6: links = p-silicium , midden = sperzone , rechts = n-silicium, symbool van de diode voor schema’s
2.1.1. Diode in doorlaatrichting
Een spanning wordt aangelegd op volgende manier:
Afbeelding 7: diode in schakeling
In dit schema worden elektronen naar het n-gebied gebracht. Hierdoor wordt n-silicium negatiever en gaat de sperzone kleiner worden. Dit heeft als gevolg dat de elektronen door de sperzone kunnen en zich naar de + pool kunnen verplaatsen. Hetzelfde geldt voor de gaten. Het p-silicium wordt positiever waardoor de sperzone zal verkleinen. Nu kunnen de gaten zich verplaatsen naar de – pool. Beide ladingsdragers kunnen ladingen verplaatsen. De diode staat in doorlaatrichting geschakeld.
Let op: De spanning moet boven de 0,6V liggen omdat de contactpotentiaal tussen de 0,2V en 0,5V ligt. Is de spanning kleiner, dan kunnen de ladingsdragers de sperzone niet over.
2.1.2. Diode in sperrichting
Opnieuw leggen we een spanning aan over de diode, maar wisselen de polen om.
Afbeelding 8: diode in schakeling
Zoals je al weet van 1.2.1 worden elektronen aangetrokken naar de + pool en de gaten naar de - pool. Op bovenstaande schakeling worden dus de elektronen van het n-silicium aangetrokken tot de + pool en de gaten tot de - pool. De sperzone wordt alsmaar groter met als gevolg dat elektronen als gaten niet meer door die sperzone kunnen. De diode staat in sperrichting.
Merk op: Er is een kleine geleiding, want er komen elektronen vrij door de warmte die de spanningsbron veroorzaakt. Deze kunnen dan wel door de sperzone.
2.1.3. Diode als gelijkrichter
We weten dat de diode zich kan gedragen als een goede geleider, maar ook als een slechte geleider.
Men kan de diode dus gebruiken als gelijkrichter. Een gelijkrichter zet wisselstroom om in gelijkstroom. De diode zal één keer de stroom doorlaten en de andere keer blokkeren. Dit omdat, bij wisselstroom, de polen cyclisch veranderen. Als we een lampje en een diode in serie schakelen, zal het lampje de ene keer stroom krijgen en de andere keer niet.
Als men blijvende gelijkstroom wil, gaat met een Graetzschakeling maken met 2 condensatoren, een spoel en 4 diodes.
2.1.4. Light Emitting Diode (LED)
Een LED vind je tegenwoordig overal. In je rekenmachine, zonnecellen, …
Een LED is niets meer dan een diode die in doorlaatrichting is geschakeld. De elektronen gaan door de sperzone en komen onderweg gaten tegen in p-silicium. Deze elektronen kunnen in zo’n gat vallen en recombineren. Het recombineren gaat gepaard met energie-afgifte van het elektron. Deze energie wordt uitgezonden als een foton, maar kan ook als warmte afgegeven worden.
De energie die vrijkomt tijdens recombinatie moet groter zijn dan 1,73 eV. Dit moet omdat de grootst waarneembare golflengte gelijk is aan 720 nm.
Als men een groene LED wil, zal men galliumfosofide gebruiken. Gallium zal een gat maken in het kristal en fosfor zal een vrij elektron afgeven in het kristal. Wanneer die 2 recombineren, zal de vrijgekomen energie gelijk zijn aan 2,25 eV om groen te vervaardigen.
Afbeelding 9: symbool van LED in een schema
2.2. Transistoren
Een transistor is een elektrische component die de stroom versterkt. Transistoren hebben in chips echter een andere functie: ze zullen de stroom aan- of uitschakelen. Dit is belangrijk voor later, want chips werken met binaire code.
Er bestaan verschillende types transistoren:
- Puntcontacttransistor
- Unipolaire of veldeffecttransistor
- Bipolaire transistor
De bipolaire transistor is de meest voorkomende transistor in de chip: ze bestaat uit 3 lagen telkens met 2 pn-overgangen. Zo ontstaan er 2 types bipolaire transistoren:
- npn-transistor
- pnp-transistor
De 2 buitenste lagen zijn de emitter (E) en collector (C). De middelste laag krijgt de naam basis (B).
2.2.1. Npn-transistor
Afbeelding 11: npn-transistor symbool - het pijltje duid de stroomrichting aan
In een npn-transistor zijn altijd 2 voedingsbronnen aanwezig. De collector is verbonden met de + pool van de ene voedingsbron en de emitter is verbonden met de - pool van de andere voedingsbron.
Afbeelding 12: npn in schakeling
Op de vorige figuur zie je een npn-transistor geschakeld tussen 2 voedingsbronnen. De collector hangt vast aan de + pool van V2 en de emitter hangt vast aan de - pool van V1.
Als je de schakeling ziet, dan merk je op dat wanneer men de stroom aanlegt, ze door de emitter-basis kan, maar geblokkeerd wordt door de basis-collector.
De vrije elektronen in de emitter worden naar de basis gedreven door het elektrisch veld en de aantrekking van de + pool => doorlaatrichting
De vrije elektronen in de collector worden aangetrokken tot de + pool => sperrichting
We hebben dus altijd een pn-overgang die in doorlaatrichting is geschakeld en een pn-overgang die in sperrichting is geschakeld.
Werking:
De stroom wordt geblokkeerd door het collector-basis gedeelte waardoor de emitter geen stroom krijgt. Als beide spanningsbronnen worden aangelegd, worden de elektronen uit de emitter naar de basis gedreven. Dankzij het elektrisch veld krijgen ze voldoende snelheid en gaan er slechts een paar met een gat in de basis recombineren. Omdat de basis zo dun is, stromen de elektronen door naar de collector. De elektronen lopen nu naar de + pool van de 2e spanningsbron.
Hetzelfde geldt voor de gaten in de basis die worden aangetrokken door de - pool van de 1e spanningsbron. De vrije elektronen die doorstromen naar de collector, laten gaten achter in de emitter.
We hebben dus een verplaatsing van beide ladingsdragers => stroom wordt niet geblokkeerd en kan door de emitter.
Ie = Ic + Ib
Als men de spanning van de 1e voedingsbron verhoogt, komen er meer elektronen vrij en zal de elektronenstroom naar de collector vergroten.
Gevolg: doordat de stroom bij de emitter kan en dus meer elektronen naar de 2e spanningsbron gaan wordt de stroom versterkt.
De afbeelding en tekst stellen de werking en de stroom van de ladingdragers visueel voor.
Afbeelding 12: npn-transistor
Zoals je ziet, verplaatsen de elektronen zich van de emitter naar de collector en stromen zo door naar de + pool van de 2e spanningsbron. Aan de andere kant zie je de stroom van de gaten naar de - pool van de 1ste spanningsbron. Het uitputtingsgebied stelt de sperzone voor van het basis-collector gedeelte.
De pijlen van de elektronenstroom en de gatenstroom die vertrekken vanuit de 1ste spanningsbron duiden erop dat de gaten zich verplaatsen van de + pool naar de - pool en de elektronen van de - pool naar de + pool.
2.2.2. Pnp-transistor
Afbeelding 13: pnp-transistor symbool - het pijltje duid de stroomrichting aan
De pnp-transistor is bijna identiek aan de npn-transistor. Zoals je ziet, loopt de stroom niet meer van de collector naar de emitter, maar loopt de stroom in de pnp-transistor van de emitter naar de collector.
Een pnp-transistor heeft twee p-silicium lagen (emitter en collector) en één n-silicium (basis). Opnieuw zijn er twee spanningsbronnen, alleen zijn de polen verwisseld. De emitter wordt nu verbonden met de + pool van spanningsbron 1 en de basis met de - pool van spanningsbron 1. De collector wordt met de - pool van spanningsbron 2 vastgelegd.
Opnieuw is de emitter-basis in doorlaatrichting geschakeld, want de elektronen van de basis worden aangetrokken door de + pool van spanningsbron 1 en de gaten door de - pool.
De collector-basis is in sperrichting geschakeld. De gaten in de collector worden naar de + pool getrokken van spanningsbron 2.
Werking:
De werking is hetzelfde als de npn-transistor, alleen zijn de grootste ladingdragers niet de elektronen maar de gaten. De basis is opnieuw zéér dun. De gaten worden aangetrokken door de - pool van spanningsbron 1. In de basis gaan een paar gaten recombineren met de elektronen, maar de andere gaten stromen gewoon door naar de collector omdat ze worden aangetrokken door de - pool van spanningsbron 2.
Gevolg: doordat de stroom bij de emitter kan en dus meer gaten naar de 2e spanningsbron gaan, wordt de stroom versterkt.
2.2.3. De wet van Moore
42 jaar geleden deed Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel©, een uitspraak.
Het aantal transistors op een chip verdubbelt elk jaar (later was dit om de twee jaar).
Deze uitspraak werd later in de chipwereld gezien als een wet. Deze wet zal binnenkort vervallen. De voormalige Intel oprichter besefte dit ook toen hij die uitspraak deed. Er is een fysische grens op een chip en men zit bijna op de limiet.
Men is dus gedwongen om andere technieken te gebruiken. Nanotechnologie is de enige oplossing denkt men, maar men kan deze technologie niet toepassen. Nanotechnologie zou de elektronica kunnen vervangen, maar dan moet iedereen deze technologie toepassen en dat gaat niet omdat de elektronica-indusrite te verspreid en uitgebreid is.
Even een klein overzicht van het aantal transistoren per chip door de geschiedenis heen.
Vanaf 2003 zit men ongeveer aan de limiet voor het aantal transistoren op de chip. In 2005 heeft men een nieuwe techniek gevonden om meer transistoren te kunnen plaatsen. Men nam gewoon 2 chips en plaatste die in één chip. Deze nieuwe technlogie wordt ook wel multi-core genoemd (meerdere kernen). De bedrijven Intel, AMD en IBM maken vandaag enkel nieuwe processors met deze technologie. Hierdoor blijft de wet van Moore geldig, maar in de toekomst zal men toch een andere techniek moeten vinden.
De voordelen van multi-cores zijn:
- De wet van Moore geldt.
- Multithreading is in het leven geroepen. Multithreading is dat men 2 processen tegelijk kan draaien zonder dat de ene gehinderd wordt.
- Voorbeeld: wanneer je je computer scant op virussen met een enkele kern kan je geen andere programma’s draaien. Met multi-cores kan dit wel. De ene kern wordt gebruikt door de scanner terwijl de andere programma’s de tweede kern gebruiken.
- Nadeel: vele softwarefabrikanten hebben hun software geschreven voor één kern. Men moet deze nu aanpassen zodat men de multi-cores optimaal gebruikt. Er is nog maar zeer weinig software die deze technologie gebruikt (ook omdat deze nog maar nieuw is).
Enkele voorbeelden van multi-cores:
Een andere voorloper op de Core 2 Duo van Intel was Pentium D. Deze bestond ook uit 2 kernen (2 pentium 4’s naast elkaar met een brug). Op deze chip staan 376 miljoen transistoren op een oppervlakte van 132 mm². Deze werkt op een snelheid van 3,73 Ghz. Dat betekent dat de processor 3 miljard keer per seconde 376 miljoen transistoren kan schakelen.
2.3. De behuizing van de chip
De behuizing van chips gebeurt vandaag in kunststof. Vroeger werd dit gedaan in een metalen behuizing. Er zijn verschillende behuizingen voor chips.
2.3.1. Dual In-line behuizing
Een Dual In-line behuizing (DIP) is een behuizing dat bestaat uit een rechthoekig omhulsel met twee rijen elektronische pinnen.
De afbeelding hiernaast (Afbeelding 16) is een DIP14 behuizing. Het getal 14 staat voor het aantal elektronische pinnen. Dus DIP14 heeft 2 rijen van elk 7 elektronische pinnen.
De hoogte van zo’n elektronische pin is 2,54 mm. De afstand tussen 2 elektronische pinnen is 7,62 mm. Wanneer je een DIP hebt met 24 of meerdere elektronische pinnetjes zal de afstand tussen 2 pinnetjes 15,24 mm bedragen.
DIP’s kunnen we nogmaals verdelen in categorieën.
- Ceramic Dual In-line Package (CERDIP). Deze DIP heeft een behuizing die uit keramiek bestaat.
- Plastic Dual In-line Package (PDIP). Deze DIP heeft een behuizing die uit plastiek bestaat.
- Shrink Plastic Dual In-line Package (SPDIP). Deze DIP heeft een behuizing die uit krimpplastiek bestaat.
De nummering van de pinnetjes is eenvoudig. De eerste pin staat op de onderste rij helemaal links. De tweede ernaast. Dus van links naar rechts. Dan ga je verder op de bovenste rij van rechts naar links.
2.3.2. DIP-8 behuizing
Zoals de titel al aangeeft, is dit een Dual In-line Package die bestaat uit 2 rijen van elk 4 elektronische pinnen.
De DIP-8 wordt meestal gebruikt bij het maken van prototypes. De behuizing kan beter tegen oververhitting dan zijn broer SOIC-8. SOIC-8 is een kleinere versie van de DIP-8 (zo’n 50% kleiner). Men gebruikt de SOIC-8 omdat deze goedkoper is en uitstekend werkt voor kleine printplaten.
2.3.3. Single In-line behuizing
De Single In-line behuizing (SIP) is bijna een tweelingbroer van de DIP. Hier gaat het enkel om één rij met elektronische pinnen. Deze behuizing is niet populair en werd veelal gebruikt voor de behuizing voor RAM.
Afbeelding 18: SID
2.3.4. Zig-zag In-line behuizing
De Zig-zag In-line behuizing (ZIP) is een behuizing die men al een tijdje niet meer gebruikt. ZIP’s werden vroeger gebruikt voor de behuizing van DRAM. ZIP’s waren een vervanging voor de DIP.
Afbeelding 19: ZIP
De algemene afmetingen van een ZIP zijn 3 mm dik, 10 mm hoog en 30 mm lang.
2.3.5. Pin Grid Array behuizing
Pin Grid Array (PGA) is een typische behuizing voor processors. Deze behuizing bestaat uit keramiek en is aan de ene zijde bedekt met een reeks van elektronische pinnen. De ruimte tussen de pinnen is 2,54 mm.
Afbeelding 20: PGA
Vroeger werd de PGA in plastieken behuizing gemaakt en kreeg als naam Plastic Pin Grid Array (PPGA). Deze plastieken behuizing werd vroeger gemaakt door Intel© voor de pentium serie.
Deze 5 zijn niet de enige behuizingen. Er bestaan nog een hele reeks van andere behuizingen en ook behuizingen die al uitgestorven zijn. Deze 5 bovenstaande behuizingen worden tegenwoordig het meest gebruikt (behalve de ZIP dan).
Categorieën