عنوان تحقيق:

آزمايشگاه معماري

(جلسة اول )

 

جزئيات وسايل نيمه رسانا:

اهداف:

بعد ازپايان يافتن اين آزمايش شما بايد قادربه:

1- دانستن صورگوناگون وسايل نيمه رسانا

2- پيداکردن اندازه hoiseدرگيتها

3- پيدا کردن گنجايش ورودي وخروجي گيتهاي دانستن منطقي به طورنمونه گيتهاي ttl

4- 4- دانستن مفهوم تاخير انتشار

وسايل لازم:

7400،4001، 7404

 

 

مقدمه:

ازبعد تاريخي ابداع نيمه رسانا درشهرnew jersey درآزمايشگاه تلفن بل شروعشد.اگرچه امکان ساختsanta clara درسانفرانسيسکوبوداماحالاعموماً به عنوان Silicon valley شناخته مي شود. توجه کردن به اينکه تعداد زيادي ابداعات در Silicon valley به عنوان زاد وولد جادويي شمرده مي شود. جالب است کهپيش ازسال1995سيستمهاي ديجيتالي بااستفاده ازلامپ هاي خلآ وديودهاي نيمهرسانا ساخته مي شد. يک ديود نيمه رسانا که ازنظراندازه خيلي کوچک ا ست درمقايسه با لامپ خلأ انرژي بيشتري مصرف مي کند. درنتيجه درسيستم ديجيتاليداشتن سايزفيزکي بزرگ ومصرف انرژي نسبتاً بالابه چشم ميخورد.

درسال1995اين وضعيت با ظهورترانزليستوربهبود يافت. William schockly جايزه اي رابراي سهم داشتن درابداع وتوسعه ترانزليستوربرنده شد.

درواقع schockly آزمايشگاه تلفن بل را ترک کرد ومؤسسه خود را با نام Schockly semiconductor lab دايرکرد. دوسال بعديک گروه کوچک ازدانشمندان اين مؤسسه راترک کردندومؤسسه خودششان راfair child semicon ductor ناميده مي شد درsilicon valley شروع کردند.

درسال1986دودانشمند ديگربا نامهايrobert noyce وgordon moor مؤسسه Fair child را ترک کردند وشرکت جديدي را بنامintegrated electronsic تأسيس کردند که عموماً به عنوان intel شناخته مي شود.

قابل توجه است که دو دانشمندکه خودرا گرفتارطراحي8080کردند. شرکتintel را ترک کردند ومؤسسه جديدي را بنامzilog کهZ-80 رااختراع کرد را پرکردند.ترانزليستورکه درمقابل ديود خصوصيات مفيدي مانند کوچکي سايزومصرف انرژيکم داشت جايگزين لامپ خلأ شد.تا سال 1965 مدارات وگيتهاي منطقي با اين وسيله ها ساخته مي شد. تکنولوژيساختمان آنهابه سمت استفاده ازنيمه رساناها که IC ناميده مي شد توسعه يافت.روز به روز طراحي اجزاء سازنده بهتر ميشود. طراحي اجزاء IC با ترانزيستورهاجدا ازهم شروع شد. سپسssi (مجتمع سازي در مقياس کوچک) وmsi(مجتمعسازي در مقياس متوسط) وlst(مجتمع سازي درمقياس بزگ) ودرپايان تکنولوژي Vlsi(مجتمع سازي درمقياس بسيار بزرگ) که هم اکنون استفاده ميشود بوجود آمد.

1 تا 10 ترانزيستور در يك تراشه	SSI
10 تا 100 ترانزيستور در يك تراشه	MSI
100 تا 500 ترانزيستور تا 10000 تا 20000 در يك تراشه	LSI
20000 تا 300000 در يك تراشه	VLSI

 

درريزپردازنده هاي8بيتي و16بيتي سايزتراشه هامعمولاً به ترتيب150و350ميلياست. بطورنمونه يک پرداز16بيتي داري000/100ترانزيستوردرساختمان خوداست. وقتي که کميتها رابرسي مي کنيم اندازه گيري، نمايش، ضبط واداره کردن آنها ونشان دادن آنها به صورت شماره اي ورقعي ازاهميت بالايي برخوردار است.درحقيقت،دو راه اساسي براي نمايش مقاومت کميت وجود دارد که آن آنالوگ وديجيتال است.

معرفي آنالوگ:

در اين سيستم کميت ها بصورت نسبي به نمايش درميايند. براي مثال،انحراف سوزن درآمپرسنج در سرتاسرآن نسبي ا ست. دماسنج مثال ديگري است؛سطح جيوه به دما بستگي دارد وهرتغيري در دما برروي ارتفاع جيوه تأثير مي گذارد.

معرفي ديجيتال:

در اين سيستم کميتهابه صورت رقمي نمايش داده ميشوند نه به صورت نسبي.يک مثال دراين زمينه ساعتهاي ديجيتالي هستند. ممکن است مايک ساعت که وقت را درهردقيقه ياثانيه نمايش ميدهد داشته باشيم.اگرچه زمان دريک روزمستمراً تغيرمي کند ولي زمان درساعتهاي ديجيتال مستمراً وپيوسته تغيرپيدا نمي کند بلکه بهصورت دقيقه اي يا ثانيه اي تغيرمي کند.نمايش ديجيتالي،زمان دريک روزبصورت گسسته تغيرميکند.

براساس نوشته هاي فوق،ممکن است آنالوگ به صورت پيوسته وديجيتال به صورت گسسته مورد توجه قرارگيرد.ازآنجايي که خواندن درسيستم آنالوگ موردبحث اصلي ماست هيچ ابهامي درخواندن کميتهاي ديجيتال وجودندارد بنابرين اشتباه هست.

سيستم هاي آنالوگ وديجيتال:

دريک سيستم ديجيتال،چندين وسيله که کميتهاي فيزيکي راکه بصورت ديجيتال نمايش داده مي شوند راکنترل مي کند. بنابرين دريک سيستم آنالوگ نيزچندين وسيله که کميتهاي فيزيکي راکه بصورت آنالوگي نمايش داده مي شوند وجود دارد. به سبب به سبب چندين مزيت تکنولوژي ديجيتال،يک مبدل به تکنولوژي ديجيتال وجود خواهد داشت.

بعضي از اين دليل هاعبارتند از:

1-طراحي سيستم ديجيتال فقط بستگي به حفظ آنها داردومقدار دقيق جريان وولتاژ، مهم نيستند. همينطورتأثيرnoise برروي مدارات ديجيتالي بي اهميت است.

2-جمع کردن داده ديجيتالي بسيار آسانتر ازقفل کردن آنهاست.

3-با افزايش مدارات ديجيتالي بيشتر،دستيابي به دقتهاي مورد نياز امکان پذيراست.

به هرحال درمدارات آنالوگ دقت معمولاً بين3الي4رقم است.

4-برنامه پذيري،طراحي واستفاده ازسيستم ديجيتالي راراحترمي کند.

5-درجه يکپارچگي مدارديجيتال امتيازبيشتري نسبت به مدارات آنالوگ دارد.

بهرحال توجه به اينکه جهان ا ساساً آنالوگ است مهم است.خواندن دما،فشار،مکان سرعت،ارتفاع وجريان ودرحقيقت هرکميتي بدون بيان کردن آن بارقم،زيادمعمول نيست.

 

مثال:

دما وقتي که60درجه بيان مي شود،اگرچه ازروي يک صفحه آنالوگ خوانده مي شود، اما ما درک ميکنيم که کميت بصورت رقمي درآمده است. بهرحال براي بدست آوردن مزاياي تکنيکهاي ديجيتال،معمولاً کميت آنالوگ برفرم ديجيتال غلبه مي کند و سيگنالهاي رقمي شده، پردازش مي شوند وبه فرم آنالوگبرگردانده مي شوند. اگرچه،پردازش وتبديل آنالوگ به ديجيتال وديجيتال به آنالوگ به نظراضافي مي آيدولي با ارزش است. پردازش سيگنال ديجيتالي ازپردازش سيگنالهاي آنالوگ بسيار راحت تراست.

طبقه بندي IC هاي ديجيتالي:

بطورنمونه،مدارات مجتمع ديجيتال قابل دسترسي،ممکن است براساس زيرکلاس بندي شوند:

1-خانوادهTTL

2-خانوادهCMOS

3-خانوادهECL

ماخودمان رامجبوربه استفاده ازخانواده هاي ICCهايTTLوCMOS کرده ايم. وبسياري ازموارداستفاده ازگيت هايTTLوCMOS يکسان وهم ارز هستند ودر مواقعي هم ممکن است اجراي آزمايش فقط با استفاده ازگيتTTL کافي باشد.

تکنولوژي هاي مورداستفاده:

معمولاً درساختن تراشه ها ازتعداد زيادي ترانزليستوريکپارچه استفاده مي شود که تک قطبي هستند مانند: PMOS،NMOS،CMOS،BIPOLAR. خانوادهگيت هايTTLبسيارحساس ترومهم تراز گيت هايSSI وMBIهستند.

 

 

 

 

(a تكنولوژي PMOS :

شكل 1-1 نشان مي دهد يك ترانزيستور PMOS با استفاده از نوع منفي سليكن كه وفق داده شده با نوع مثبت ناخالصي براي ساخت Source و Drain (منبع و گذرگاه)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1-1: (a) ساختار داخلي ترانزيستور PMOS

(b) سمبل منطقي ترانزيستور PMOS

مواد وفق داده شده هستند فسفر و برم. بعد از تعريف مناطق به وسيله فرايند فتوليتوگراف، بوسيله حرارت دادن ، برم و فسفر تزريق مي شوند به داخل محدوده در معرض سليكون.

گذاشتن يون همچنين ممكن است به كار رود براي بهبود بخشيدن به سرعت ساخت ترانزيستور. فلز بكار رفته ميتواند باشد آلومينيوم يا سليكون . گيت جدا ميشود از Substrate به وسيله لايه اي از دي اكسيد سليكون. تغيرحالت ترانزيستوربستگي دارد به كاربرد ولتاژ مابين منبع(Source) وگيت (gate) .

يک باياس منفي بامراجعه به منبع،اگرمورد کاربرگيت باشد باعث ظاهرشدن بار الکتريکي مثبت درکانال بينSOURCE وdrain مي شود. بنابرين يک مبدل کانال بين آنها وجود دارد وترانزليستورها به علت بار الکتريکي مثبت بين Source وdrain روشن خواهد شد که اين به عنوان ترانزليستورpmos شناخته مي شود.اين يک تکنولوژي اقتصادي مي باشد. همه ريزپردازنده ها درابتدا ازاين تکنولوژي استفاده مي کنند زيرا اين تکنولوژي چگالي بسيار خوبي،بالا تراز000/20ترانزليستور را دارا است.

(b) تکنولوژيnmos:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 2-1: (a) دستورالعمل ترانزيستور nmose

(b) سمبل منطقي ترانزيستور nmose

Nmosسريع ترازpmosاست. زيرا الکترونها قابليت جابجا شدن بسياري دارند Nmos اساساً دو برابر سريع ترازpmos است.

(C)تکنولوژيcmos:

اين تکنولوژي از ترکيب دوکانال منفي ومثبت ترانزليستوراستفاده مي کند. بنابراين سرعت خيلي بيشتراز pmosوپايين ترازسرعت nmosاست.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 3-1 : (a) دستورالعمل (ساختار) داخلي ترانزيستور Cmose

(b) سمبل منطقي ترانزيستور cmose

 

مزاياي واقعي:

1- مصرف انرژي کم

2- بکارگيري ولتاژبين 2تا12ولت

3- مصونيت ازnoise

تقريباً 000/250ترانزليستورمي تواند دريک تراشه نصب شود. intel 80386 ازاين تکنولوژي استفاده مي کند.

(D) تکنولوژي دوقطبي:

با وجودزيان هايي از قبيل مصرف انرژي بالا،اسراف بسيارزياد حرارت،جاگيربودن، قيمت بالا وقابليت اطمينان کم، لامپ هاي خلأ تا سال1950درکامپيوترها استفاده مي‌شدند. درسال1947باردين و براتاين درآزمايشگاه بل ثابت کردند که جريان عبورياز forward biasedدريک نارسانا مي تواند جريان عبوري ازreverse biased را درسه الکترود کنترل کند.

در سال1957fairecdhild semiconductor شروع به ساختن ترانزليستور کرد.درابتدا(100) ترانزليستور به ibmبه ازاي هرترانزليستوربه قيمت150دلار فروخته شد.جالب است که درسال 1995،schockley آزمايشگاه بل را ترک کرد وشرکت خودش را در کاليفرنيا برپا کرد.

Shockley ميخواست که مهندسين شرکتش تحقيقات را در4لايه ديودها دنبال کنند، درصورتيکه مهندسان مي خواستند تحقيقاتشان را برپايه ترانزليستورهاي سيليکوني ادامه بدهند. به خاطر عدم هم نظر بودن ، مهندسين تصميم به ترک آنجا و برپا کردن شرکتي درسال1957 شدند. تکنولوژي دو قطبي يکي از تکنولوژي هاي بسيار سريع موجودامروزي است. با اين وجودآنها هم اشکالاتي نظير مصرف کردن انرژي زياد، بازده کم،ميزانnoise کم و... دارند. يک