1MATERIALE COMPONENTE siTEHNOLOGIE ELECTRONICA

21. Introducere

De ce este necesar studiul materialelor electronice, al componentelorelectronice i al tehnologiilor de realizare a acestora?

noi materiale + noi proprieti ale acestora => noi componenteelectronice => noi topologii performante de circuite electronice

Exemplu:descoperirea tranzistorului a fost consecina logic a cercetrilor

din domeniul materialelor.

Cerinte actuale:- miniaturizarea- scderea consumului de energie

Consecinta:creterea interesului pentru tiina materialelor si a tehnologiilor cuposibiliti de utilizare n electronic.

3echipamente, aparate electronice interconectare circuite electronice

circuite electronice interconectare componente electronice

Pentru a nelege funcionarea circuitelor electronice este necesarnelegerea modului n care funcioneaz componentele din care suntalctuite, cum sunt fcute i din ce => necesitatea cunotinelor dindomeniul materialelor i al tehnologiilor de fabricaie pentrucomponentele electronice.

Ce sunt materialele electronice?

Materialele electronice sunt acele materiale care se gasescn componentele electronice din interiorul unui echipament electronic.

Un material electronic nu poate fi schimbat cu altul fr ca funciilecomponentei electronice i n consecin funcionarea echipamentului

electronic s nu se modifice semnificativ.

4Dezvoltare inginerie electronic componentele electronice disponibile

componente electronice materiale i tehnologiile existente

1907 - primul tub electronic cu vid

Tuburi electronice Structura simplificata aunui tub electronic cu

vid

-metale pentru constructiacatodului i anodului,(tungsten, nichel n combinaiecu molibden)

- grafit

- sticla.

Dei materialele respectiveau caracteristici diferite,deoarece sunt ncomponena unui dispozitivelectronic, pot ficonsiderate materialepentru electronic.

5Calculatorul personal

Pn s se ajung la forma pe care o cunoatem astzi, au existat mai multe generaii decalculatoare, n funcie de componentele electronice disponibile la un moment dat.

Prima generaie (1946-1956) - tuburi electronice cu vid- volum foarte mare- degajare mult cldur- consum mare de energie

ENIAC (primul calculator)- 18000 tuburi electronice cu vid- 70000 rezistoare- 10000 condensatoare- 6000 comutatoare- 1500 de relee

- 30 tone, 170m2, 160kW

- 400000$ (aproximativ 3,7 milioane $ valoarea actual)

6Prima generaie de calculatoare. Calculatorul ENIAC

71947 - descoperirea tranzistorului (germaniu)

Tranzistorul nu are nevoie de un filament nclzit la temperaturi foarte maripentru a genera electroni i a fost prima component de tipul Solid StateDevice.

1954 - primul tranzistor pe baz de siliciu (materialul dominant n realizareacomponentelor electronice active)

Primul tranzistor (germaniu)Primul tranzistor cu siliciu

8Tranzistorul => a doua generaie de calculatoare (1956-1963)

Avantaje:mai mici mai rapide mai fiabile reducere consum energie

Dezavantaje:n continuare cantitate important de cldurnumar mare de fire conductoare pentru a realiza conexiunile dintre circuite

Memorarea informaie-materiale magnetice sub forma unor benzi-ulterior i discuri magnetice (un disc = 50 de platane avnd diametrul deaproximativ 60cm, capacitate de stocare de 5MB, timpul de acces 1s)

9Unul dintre calculatoarele de succes din acel timp a fost IBM 1401, carentre anii 1959 i 1964 s-a produs n mai mult de 100000 de uniti, care seinchiriau la un pre de 2500$ (aproximativ 15500$ la valoarea actual) pelun.

A doua generaie de calculatoare. Calculatorul IBM 1401

10

Tranzistoarele =>inginerii electroniti din anii 50 au proiectat circuite tot mai complexe =>probleme de implementare practic =>

=> numar mare de componente => numarul foarte mare de conexiunielectrice intre componentele electronice => probabilitate mare deconexiuni intrerupte=> numar mare de componente => dimensiuni mari ale circuitelor =>=> ntrzieri n transmiterea semnalelor electrice ntre diversele circuite

electronice => limitare viteza de funcionare a calculatoarelor.

1958 primul circuit integrat (n cadrul firmelor Texas Instruments i FairchildSemiconductor)

Mai multe componente electronice au fost realizate n cadrul aceluiai blocmonolitic (chip) micorndu-se semnificativ dimensiunile circuitelor complexe sinumarul conexiunilor dintre componente.

11

Circuite integrate => atreia generaie decalculatoare (1964-1970)

Circuit integrat cu trei tranzistoaredin componena primelor

calculatoare de generaia a treia

A treia generaie de calculatoare.Calculatorul PDP-8/E

Integrare zeci-sute de pori logice =>

=> calculatoare mult mai performate,mai mici, modulare (posibilitateaachiziionrii doar a modulelor necesarepentru anumite aplicaii)

Specificatii PDP-8/E:

-dimensiunile de 27x48x61cm

-consum energie 450W

-timp execuie instruciune 1-3 s

-preu 5000$ (aproximativ 30000$ la valoareaactual), plus 50$ pe lun ntreinerea sistemului.

12

1966 - prima celul de memorie integratde tip RAM, folosind un tranzistor i uncondensator, avnd capacitatea de 1 bit.

1970 - memorarea magnetica a informaiei- uniti de tip floppy disk (dischete) IBM(diametrul de 8, capacitate de stocare de 80KB) Prima unitate de tip floppy disk

perfecionarea tehnologiilor de integrare acomponentelor electronice pe un singur chip=> integrarea unui calculator pe un singurchip => microprocesor

1968 primul microprecesor ca i unitatecentral n proiectarea unui calculator cuflexibilitate ridicat

1971 - a fost comercializat primulmicroprocesor, Intel 4004 pe 4 bii i unsemnal de tact de 400kHz . Acesta avea ncomponen 2500 de tranzistoare,dimensiunile de 0.3 x 0.15 cm i puterea decalcul a calculatorului ENIAC.

Microprocesorul Intel 4004

13

1971 - a inceput construireacalculatoarelor moderne de generaia a4a.

1981 - IBM a introdus calculatorulpersonal, care putea fi utilizat att labirou ct i acas, 3000$ (aproximativ7500$ la valoarea actual)

1985 - Toshiba a produs primulcalculator comercializat sub denumireade laptop, Toshiba T1100,microprocesorul acestuia funcionndla o frecven de tact de 4.77MHz.Greutatea 4,1kg, preul 1900$(aproximativ 3600$ la valoarea actual).

A patra generaie de calculatoare. Primulcalculator personal IBM 5150

Primul laptop. Toshiba 1100

14

Laptop actual

Microprocesor Intel i7

Este construit n jurulunui microprocesor carepoate funciona lafrecvene de peste3,5Ghz i poate coninepeste 1 miliard detranzistoare,componente ce pot fiintegrate pe o suprafade aproximativ 600mm2.

15

In jurul acestui microprocesor exist i alte circuite integrate, de complexitate mairedus, tranzistoare discrete realizate din materiale semiconductoare.

Circuiteintegrate

Tranzistoare

16

Pentru generareasemnalelor de tact seutilizeaz oscilatoare cucristale de cuar.

Rezonatoare cu cristale decuar

Hard disc, utilizat pentru memorareamagnetic a informaiei. Dei sunt ncutilizate pe scar larg, n acelai scop seutilizeaz i SSD-uri (disc de tip solid state),realizate pe baza tehnologiilor de fabricaiepentru circuitele integrate.

Hard disc magnetic

HDD vs SSD

17

Vizualizarea informaiei se faceprin intermediul unui ecran cucristale lichide.

Ecran cu cristale lichide

Starea sistemului poate fi monitorizat prin intermediul unor LED-urielectroluminiscente, realizate din materile semiconductoare. Tehnologia LED estede asemenea prezent i n ecranele moderne cu cristale lichide.

LED-uri

18

Componente pasive (rezistoare, condensatoare, inductoare, transformatoare), care nundeplinesc funcii de complexitate ridicat ca i componentele active semiconductoare, darabsolut nici un circuit electronic nu poate funciona fr acestea.

19

Anumite blocuricomponente suntconectate ntre eleprin fire conductoarede cupru.

20

Circuit electronic pe cablaj imprimat

1 Diodesemiconductoare2 Buzzer piezoelectric3 Tranzistor4 Transformator5 Releu6 Inductoare7 Circuite integrate8 Condensatoare9 Cristal de cuar10 Rezistoare

21

O component electronic este realizat din mai multe tipuri de materiale- asigura conducia curentului electric- asigura izolarea componentei- lucreza n cmp magnetic- asigura funcii complexe de procesare a semnalelor analogice sau digitale

De asemenea un material de acelai tip poate intra n structura unorcomponente electronice cu funcii total diferite.

De ce anumite materiale sunt potrivite pentru anumite componente, pentru oanumit band de frecven?Cum se aleg aceste materiale electronice n funcie de condiiile de lucru alecircuitului electronic?De ce un condensator electrolitic nu poate fi utilizat n circuite de naltfrecven?De ce pentru miezul magnetic al transfomatoarelor din cadrul surselor dealimentare ale unui calculator se folosesc alte materiale magnetice dect ncazul transformatoarelor din cadrul surselor de alimentare pentruamplificatoarele audio?

22

materiale dielectrice (izolatoare)materiale magnetice

materiale conductoaremateriale semiconductoare