bab 1 : perkembangan semikonduktor sejarah … elektrik –kajian awal kesan kelektrikan dijalankan...

33
Bab 1 : Perkembangan semikonduktor Sejarah … • Elektrik – Kajian awal kesan kelektrikan dijalankan oleh orang Greek kuno, mengkaji keelektrikan statik. – Penyelidik telah memahami sifat2 keelektrikan dan kemegnetan bahan. – Mengkaji mengenai medan elektrik, medan magnet, arus & voltan elektrik.

Post on 21-Dec-2015

242 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Bab 1 : Perkembangan semikonduktor

Sejarah …

• Elektrik– Kajian awal kesan kelektrikan dijalankan oleh orang Greek kuno,

mengkaji keelektrikan statik.– Penyelidik telah memahami sifat2 keelektrikan dan kemegnetan bahan.– Mengkaji mengenai medan elektrik, medan magnet, arus & voltan

elektrik.

– Abad ke-19, telah menghasilkan produk elektrik seperti motor, generator dan lampu mentol elektrik.

– Bermulanya perkembangan konsep peranti elektronik yang menggunakan tenaga elektrik untuk memindahkan maklumat.

• Elektronik– Peranti elektronik - bagi mengubah (modify) atau menguatkan

(amplify); atau menukar (switch) tenaga elektrik kpd ‘on’ atau ‘off’.

– Sejarah peranti boleh dibahagikan kepada 3 era berdasarkan jenis komponen yang digunakan bagi ‘amplification’ atau ‘switching’ Era tiub vakum Era komponen diskrit keadaan pepejal Era litar bersepadu

• Era tiub vakum – Bermula apabila Thomas A. Edison mencipta lampu pijar (incandescent

lamp) pd thn 1879• menemui bahawa dengan sedikit pegubahan ke atas lampu pijar akan membenarkan

kawalan ke atas arus.

– Penemuan aliran arus didlm keadaan vakum ini telah membawa kpd terciptanya tiub vakum oleh Lee Deforest pd thn 1906.

– Tiub vakum mempunyai keupayaan mengawal aliran arus yg besar dgn sedikit perubahan dlm voltan kawalan.

• Asas elektronik sekarang

– Teknologi tiub vakum mendominasi bidang elektronik diseparuh abad ke-20, dgn terciptanya radio,tv etc.

– Dan juga terciptanya komputer elektronik pertama dunia, yg dikenali sebagai ENIAC ( Electronic Numeric Integrator and Calculator )

• Demonstrasi pertama diadakan di Moore School of Engineering, Pensylvania dalam tahun 1947.

– Jadual 1.1 Statistik ENIACSaiz, kaki persegi 30 x 50

Berat, ton 30

Tiub vakum 18,000

Perintang 70,000

Kapasitor 10,000

Suis 6000

Kuasa yg diperlukan 150,000

Kos ( pada tahun 1940 ) $ 400,000

Rajah 1.1 : ENIAC

Rajah 1.2 : Tiub vakum

Tiub kaca

Vakum

– Tiub menjalankan dua fungsi elektrik yg penting iaitu sebagai pengsuisan dan penguatan.

• Pengsuisan merujuk kpd keupayaan peranti elektrik untuk mengadakan dan dan menidakan arus. Penguatan ialah keupayaan peranti untuk menerima isyarat kecil (atau arus) dan membesarkanya sementara ciri2 elektrik dikekalkan.

– Tiub vakum mempunyai beberapa masalah seperti berat dan besarcenderung kpd sambungan longgarmengalami kebocoran vakum.Senang pecahmemerlukan amaun kuasa yang besarelemen mereput dgn cepat.

– Keburukan utama ENIAC dan komputer berdasarkan tiub vakum ialah masa pengoperasian yang terhad disebabkan tiub vakum terbakar.

• Era peranti keadaan pepejal– Penemuan pertama transistor keadaan pepejal yg pertama yg dibuat

drpd bhn germanium( rajah 1.2 ) dalam tahun 1947 oleh Shockley, Brattain dan Bardeen, telah memulakan usia elektronik keadaan pepejal dan industri mikroelektronik.

– Peranti ini menawarkan fungsi seperti tiub vakum, dengan beberapa kelebihan seperti :

*bersaiz kecil

*ringan

*keperluan kuasa rendah

*masa hayat panjang

Rajah 1.3 : Transistor pertama

–Pada mulanya dikenali sebagai ‘transfer resistor’, kemudian dikenali sebagai transistor.

–Transistor ini tidak seperti tiub vakum, dimana elektron melompat diantara element .Elektron di dlm bahan keadaan pepejal merentasi simpangan elektrik yang terbentuk disitu.

–Simpangan ini ialah antara muka yang terbentuk antara rantau bhn sk. yg samada kaya dgn elektron atau lohong ( lihat rajah 1.3 )

–Jenis-N - rantau yg kaya dengan elektron

–Jenis-P - rantau yg kaya dengan lohong.

–Simpangan elektrik yg terbentuk dikenali sebagai simpangan PN atau NP.

Rajah 1.4 : Simpangan NP dan PN

- - - - - - - - - -

- - - - -

+ + + ++ + + +

+ + + +

N-P

+ + + +

+ + + +

P-N

Simpangan

- - - - - - - - - - - - - - -

+ + + +

• Peranti diskrit– Bermaksud hanya satu peranti dalam satu cip.

• Cth : diod, perintang (resistor) dan kapasitor• Diod - peranti dua elemen yg berfungsi sebagai suis dalam litar• Perintang - peranti monoelemen yang menghadkan aliran arus• Kapasitor - peranti dua-elemant yg menyimpan cas dalam litar

– Teknologi keadaan pepejal digunakan utk membentuk peranti ini.

– Kebanyakan peranti diskrit mempunyai keperluan operasi dan fabrikasi yg kurang berbanding dengan litar bersepadu.

Rajah 1.5 : Peranti diskrit keadaan pepejal

• Era litar bersepadu ( IC )– Litar bersepadu (IC), dicipta serentak oleh dua org pemenag hadiah

Nobel, Robert Noyce dari Fairchild dan Jack Kibly dari Texas Instrument dlm thn 1959.

– Litar Kibly dibtk di atas sekeping bahan semikonduktor germanium.

– Rekaanya menggabungkan beberapa transistor,diod dan kapasitor ( kesemuanya berjumlah 5 komponen) menggunakan dawai halus platinum dan menggunakan rintangan asli germanium sebagai perintang litar. ( Lihat rajah 1.6 )

Rajah 1.6 : Litar bersepadu pertama (bar) oleh Jack Kibly

– Robert Noyce, menjalankan kajian yang lebih kurang sama dgn Jack Kibly.

– Tidak seperti rekaan Kibly, yg menggunakan dawai sebagai penyambung komponen2 diatas litar. Noyce menggunakan garisan aluminium utk menyambungkan komponen2 di atas litar.• Di mana garisan aluminium ini dibentuk melalui proses

pemendapan lapisan nipis aluminium dan proses punaran di atas permukaan substrak.

• Noyce menggunakan bahan semiconduktor silikon untuk membina Icnya. ( lihat rajah 1.7 )

Rajah 1.7 : Litar bersepadu pertama yg dibentuk di

atas wafer silikon oleh Fairchild Camera.

– Litar Kibly tidak mempunyai bentuk yang boleh diterima sekarang ini.– Yang menjadi model utk kesemua IC ialah litar bersepadu oleh

Noyce, yang menggunakan teknik2 yg bukan sahaja memenuhi kehendak masa itu, tetapi juga mempunyai unsur2 teknik pengecilan dan kos pembuatan yang effektif.

– Kelebihan IC berbanding dengan litar yang sama yang dibina menggunkan peranti diskrit.Saiz yang kecilmenggurangkan penggunaan kuasa meningkatkan keboleharapan ( reliability)Kos rendah

• Analog dan digital– Sesetengah peranti elektronik beroperasi dalam mode analog

parameter berterusan seperti suis dimer (peremang) dan yang lain2 beroperasi dalam mode digital , sama seperti suis lampu biasa (on atau off ).

– Output bagi peranti analog mengalami perubahan berterusan di dalam had respond utk berubah pada input peranti.

– Output bagi peranti digital hanya boleh disuis pada aras preset.• Selalunya peranti digital adalah binari - bermaksud output

hanya pada 2 keadaan, tinggi atau rendah ( on atau off )

Rajah 1.8 : Output analog dan digital

Analog Digital

– IC analog• IC analog adalah peranti yg menguatkan ( amplifies ) atau

memproses isyarat elektronik.• Isyarat elektronik berterusan boleh berubah di dalam

amplitud, jangkamasa, frekuensi atau fasa.

– IC digital• IC digital adalah peranti yang memproses atau menyalurkan

isyarat binari.• Isyarat binari samada 1 atau 0, tinggi atau rendah, on atau off.

– Logik digital• Dalam litar logik digital terdapat dua no binari, 1 dan 0, yang

menunjukkan arus voltan, tinggi dan rendah.

• Selain daripada mengira dan menyimpan nombor, keadaan on - off oleh peranti ini boleh membentuk satu set lengkap logik salah - benar ( true - false ).

• Banyak proses dan masalah boleh digambarkan sebagai berkadaran, true/false or yes/no , kenyataan logik yang boleh dijawab menggunakan kombinasi litar logik.

• Perkembangan litar bersepadu

– Bermula dengan IC Kibly yang ringkas, industri terus berkembang dengan penambahan bilangan peranti dalam suatu litar tunggal pada tiap2 tahun.

– Dlm tahun 1941 Gordon Moore, meramalkan bahawa ketumpatan transistor di atas IC akan berganda setiap lapan belas bulan - Hukum Moore• anggaran ini didapati tepat

– IC telah dibahagikan kepada 5 kategori iaitu :

*Intergrasi skala kecil - SSI Small Scale Intergration

*Intergrasi skala sedrhana - MSI Medium Scale Intergration

*Intergrasi skala besar - LSI Large Scale Intergration

*Integrasi Skala Sangat besar - VLSI Very Large Scale Integration

*Intergrasi Skala Ultra besar - ULSI Ultra Large Scale Integration

Rajah 1.9 : (a) Pertumbuhan secara eksponen bilangan komponen dlm setiap cip (b) Pengurangan secara eksponen dimensi minimum peranti.

Rajah 1.10 : Hukum Moore versi Intel.

Year of introduction Transistors

4004 1971 2,250

8008 1972 2,500

8080 1974 5,000

8086 1978 29,000

286 1982 120,000

386™ processor 1985 275,000

486™ DX processor 1989 1,180,000

Pentium® processor 1993 3,100,000

Pentium II processor 1997 7,500,000

Pentium III processor 1999 24,000,000

Pentium 4 processor 2000 42,000,000

• SSI – Hanya memenuhi aplikasi fungsi asas logik seperti get AND atau OR– Memgandungi 1 - 10 get per bungkusan/package– 2-50 komponen– CD > 3µm

• MSI– Kemajuan dlm bidang sk. telah menyebabkan kekompleksan IC telah meningkat.– Cip mempunyai lebih banyak get atas substrak utk menjadikan fungsi litar

lengkap sebagai ‘encoders’, ‘latch-decoder driver’,’multiplexers’– Mengandungi 10 -100 get ( 50 - 5000 komponen )– CD 1 µ - 3µm

• LSI– LSI mengandungi lebih banyak get dan memberikan fungsi seluruh

litar.– Mengandungi 100 - 1000 get per cip.– 5000 - 100000 komponen.– Generasi pertama ‘microprocessor’ dan ‘memory IC’.– CD 0.5µ - 1µm

• VLSI– Microprocessor menjadi lebih komplek dan menggunakan lebih

banyak bit di dlm data dan ‘address buses’, lebih banyak litar atas cip memberikan lebih banyak fungsi pada cip tersebut.

– Dlm VLSI melibatkan lebih banyak fabrikasi get di atas substrak > 1000 get dan 100 000 - 1 000 000 komponen

– Penggunaan VLSI meliputi ‘microprocessor’, ‘memory’ dan I/O section diatas cip yang sama.

– Cth IC VLSI ‘Contemporary 32-bit µPs’ dan ‘1 Mb memory cip’.– CD 0.35 µ - 0.5 µm

• ULSI– Tahap pencapaian terkini bagi ‘microprocessor’ dan ‘memory’ melibatkan

fabrikasi bermillion2 transistor di atas substrak cip yang sama.– CD < 0.35 µm

• Jadual 1.2 : Aplikasi peranti semikonduktor

Konsumer Stereos, Tv, perakam video, mesin basuh,pengering, peti ais, sistem alarm, peralatanautomative

Perniagaan Komputer, mesin taip, pencetak, jaringankomunikasi

Perindustrian Robotik, Pengawal suhu berkomputer,Pengawal aliran berkomputer

Perubatan Pacemakers, CAT-scanner, Ultra-sonicimagers

Ketenteraan Sistem radar, Automatic guidance system,IR surveillance & tracking system