ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE TATF04000E@istruzione.it - 74028 SAVA (TA) L - PowerPoint PPT Presentation

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ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE TATF04000E@istruzione.it - 74028 SAVA (TA) L

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Title: Istituto Tecnico Settore Tecnologico Liceo delle Scienze Applicate TATF04000E_at_istruzione.it - 74028 SAVA (TA) L Evoluzione della componentistica ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE TATF04000E@istruzione.it - 74028 SAVA (TA) L


1
ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA
SUPERIORE TATF04000E_at_istruzione.it - 74028 SAVA
(TA)LEvoluzione della componentistica
elettronica dai tubi a vuoto agli attuali
circuiti integrati
Classe IV A Sirio
2
(No Transcript)
3
Introduzione

Tra la fine dellOttocento e linizio del
Novecento (1870-1914), la società industriale
assume dimensioni mondiali. Questo periodo,
conosciuto come Belle Époque, è caratterizzato da
un intenso sviluppo economico, tecnico-scientifico
e culturale garantendo alle fasce più alte della
popolazione europea prosperità e benessere.
Allinterno delle grandi città, i progressi
materiali sono più evidenti. Si assiste ad un
essenziale miglioramento delle condizioni di
vita, grazie ad una serie di servizi prima
sconosciuti lilluminazione pubblica, il sistema
fognario, la strada asfaltata, gli ospedali, le
scuole e i trasporti pubblici. Tra le invenzioni
che hanno cambiato maggiormente il modo di vivere
si può annoverare lenergia elettrica e la
lampadina elettrica come fonte di illuminazione.
4
... Tutto iniziò con la lampadina
  • Joseph Wilson Swan
  • Chimico, medico e inventore inglese. Inizia a
    lavorare sulla lampada ad incandescenza nel
    1850, nel 1860 dimostra che può funzionare e nel
    1878 la brevetta utilizzando il filamento di
    carbonio ,è il prototipo della lampadina.


5
Thomas Alva Edison (11 Febbraio 1847-18 Ottobre
1931) T. Edison migliora la lampada ad
incandescenza inventata da Swan. Durante i suoi
esperimenti si accorge che la lampadina tende ad
annerirsi diminuendo lefficienza, ciò dipende
dal filamento in carbonio. Pensa così di
modificarlo inserendo allinterno della lampada
un elettrodo per catturare le particelle
prodotte. Non accade ciò che si aspetta nota che
vi è un passaggio di corrente quando si applica
una differenza di potenziali tra i due elettrodi
cosi ottenuti (effetto Edison). Nasce cosi il
primo prototipo di diodo.
6
Joseph John Thomson (18 Dicembre 1856- 30 Agosto
1940)
Il fisico J. J. Thomson, premio Nobel per la
fisica nel 1906, deduce che i raggi catodici,
emessi da metalli riscaldati, sono composti da
particelle con carica negativa aprendo la strada
allo studio delle particelle subatomiche e
dellelettrone. Dà così una spiegazione
delleffetto Edison.
7
L emissione termoionica
  • Quando un corpo metallico, come il filamento
    della lampadina di Edison, viene portato ad alta
    temperatura, gli elettroni più esterni, del
    metallo, subiscono un innalzamento della loro
    energia cinetica. Laumento di energia è così
    elevato che moltissimi elettroni riescono ad
    abbandonare gli atomi che li ospitano formando
    una nube di carica negativa nello spazio intorno
    al filamento caldo.
  • Questo fenomeno è chiamato emissione
    termoelettronica o effetto
    termoionico. Si verifica quando lenergia
    somministrata a ciascun elettrone supera quella
    di ionizzazione tipica dellelemento chimico
    utilizzato per costruire il filamento.
  • La legge matematica che regola questo fenomeno
    detta legge di Richardson è
  • J A T2 e W/K T

8
  • Dove
  • J è la densità di corrente emessa espressa in
    A/m2
  • A è una costante
  • T è temperatura assoluta in gradi Kelvin
    dellelemento emittente
  • W è il lavoro di estrazione del metallo,
    variabile in relazione al materiale usato
  • k la costante di Boltzmann pari a 1.380

9
Il diodo
Nel 1889 John Ambrose Fleming, consulente
scientifico della Marconi Wireless Telegraph
Company, ricerca un dispositivo più affidabile
del coherer a limatura, per la rivelazione delle
onde radio, sviluppando i tubi a vuoto a due
elementi, i cosiddetti diodi. Nasce così nel
1904 un dispositivo consistente in una lampadina
con una piastrina aggiuntiva. Si scopre che dando
tensione alla lampada, il suo filamento si
riscalda fino allincandescenza emettendo
elettroni catturati dalla piastrina metallica a
cui è data carica positiva da una seconda
batteria, è il primo diodo. Questa valvola, detta
tubo di Fleming,verrà utilizzata come elemento
rivelatore nei ricevitori telegrafici.
10
John Ambrose Fleming (29 Novembre 1849- 18
Aprile 1945 )
Schema applicativo del Diodo di Fleming
Diodo di Fleming
11
Pertanto se lanodo è polarizzato positivamente
rispetto al catodo (polarizzazione diretta) si
ottiene un flusso di elettroni, quindi una
corrente elettrica (fig.1). Se, invece, la
polarizzazione è opposta (polarizzazione
inversa), non si avrà alcuna corrente in quanto
lanodo tenderà a respingere gli elettroni
(fig.2). Il dispositivo lascia così passare la
corrente in un solo senso e il suo uso è di
rettificatore o di rivelatore.
Fig. 1
Fig. 2
12
Dal diodo al triodo
Nel 1907 Lee de Forest scopre che,
interponendo un filo tra il filamento e la placca
(anodo), è possibile controllare la corrente che
passa fra gli elettrodi (anodo e catodo) e
brevetta il suo audion (triodo), usato come
amplificatore e oscillatore negli apparati radio
dellepoca. Si tratta di un tubo elettronico che,
invece di avere due elettrodi come il diodo di
Fleming, ne ha un terzo, la cosiddetta griglia di
comando, riuscendo così non solo a decodificare
i segnali radio, ma anche ad amplificarli.
CURIOSITÀ Lee De Forest è stato uno scienziato,
inventore, regista, anche produttore
cinematografico e direttore della
fotografia statunitense.  Ha brevettato più di
trecento invenzioni nel campo della telegrafia, te
lefonia, della radio, del cinema sonoro e della 
televisione.
13
Audion (triodo) di Lee De Forest
Nellimmagine si può notare che il catodo a
riscaldamento diretto è costituito dal filamento
di una lampada ad incandescenza, la griglia di
controllo da un filo ripiegato ad elica e
lanodo da una placchetta metallica.
14
Questo dispositivo ha permesso la realizzazione
di circuiti che hanno determinato la nascita di
una nuova disciplina, lelettronica. Il terzo
elettrodo aggiunto permette, grazie alla sua
forma e posizione, il controllo del flusso degli
elettroni generato dal catodo. Piccole variazioni
di tensione sulla griglia generano grandi
variazioni di corrente anodica quindi di tensioni
anodiche. La tecnologia elettrica di quel tempo
può così utilizzare un nuovo ed importante
effetto lamplificazione. Ai triodi, seguono
altri tipi di tubi elettronici con
caratteristiche molto diversificate e laggiunta
di ulteriori griglie (tetrodi, pentodi, eptodi)
che prendono il nome dal numero di elettrodi
presenti nel tubo. Sono utilizzati nel campo
dellamplificazione, della rivelazione e della
conversione di segnale.
Schema di amplificatore con triodo termoionico
15
  • Parallelamente a questi congegni, vengono
    realizzati anche dispositivi a gas ottenuti dai
    precedenti con laggiunta di vapori di mercurio
    per i diodi rettificatori di potenza o di miscela
    di gas nobili nei triodi a gas (Thyratron).

16
  • Unaltra tipologia di tubi è quella ad onda
    viaggiante (TWT) che sfrutta le proprietà delle
    cavità risonanti, ancora oggi utilizzati per
    lamplificazione di segnali nel campo delle
    microonde per elevate potenze.
  • Tra queste valvole, il più noto è il magnetron
    che trova applicazione nei dispositivi radar e
    nel campo della cottura degli alimenti ( forno a
    microonde).

17
Impiego in alta fedeltà
Ancora oggi nellambito della riproduzione di
audio musicale, nonostante le valvole siano state
soppiantate dai circuiti a semiconduttore,
vengono prodotti amplificatori a tubi per
limpiego nella riproduzione musicale ad alto
livello di fedeltà. Queste apparecchiature,
caratterizzate dallessere pesanti, costose ed
ingombranti, sono però contraddistinte da una
grande morbidezza del suono e da unassoluta
fedeltà, in maniera tale che le caratteristiche
fisiche del suono originario siano conservate con
elevata precisione nel suono riprodotto, per
rendere più gradevole lascolto. Anche nel campo
della strumentazione musicale (chitarra e basso)
luso dei tubi in condizioni di saturazione
permette ai musicisti la sperimentazione di
nuove tonalità di suono.

Amplificatori valvolari
18
(No Transcript)
19
Dal raddrizzatore a baffo di
  • Introdotto da Ferdinand Braun nel 1874, il
    rilevatore a baffo di gatto può essere
    considerato
  • lantesignano dei raddrizzatori a semiconduttori
    a punta di contatto, inventati nei laboratori
    Bell dopo tre quarti di secolo
  • utile per la rivelazione di radio-onde,
    sostituito poco dopo dalle valvole termoioniche,
    soppiantato definitivamente dalle più affidabili
    giunzioni P-N, ma di certo il primo dispositivo a
    stato solido.

20
al CATS-WHISKER DETECTOR
Dallimmagine proposta si evidenzia che il filo
del dispositivo, toccando la superficie del
cristallo, forma una primitiva ed instabile
giunzione a punta di contatto metallo
semiconduttore. Questa giunzione conduce corrente
elettrica in una sola direzione e si oppone allo
scorrere della stessa nella direzione opposta.
Nella primissima versione la giunzione, venne
realizzata con un sistema in grado di regolare la
pressione della punta sul cristallo prima di ogni
utilizzo. Infatti il filo, sospeso veniva
sostenuto da un braccio mobile, per spostarlo
sulla faccia del cristallo fino a quando il
dispositivo iniziava a funzionare.
21
I primi esperimenti con i dispositivi allo stato
solido
È Jagadish Chandra Bose, scienziato e inventore
nato nel 1858 in Bengala, che dal 1894 al
1900 conduce una serie di esperimenti sulla
propagazione delle onde elettromagnetiche e
sullutilizzo di un minerale, detto galena o
solfuro di piombo, utilizzato per la rivelazione
delle onde radio. A lui si devono i primi
esperimenti di trasmissione delle onde
elettromagnetiche.
22
Le applicazioni
23
La radio a galena
  • A partire dai primi anni del 900 la
    comunicazione si avvale dellausilio delle prime
    apparecchiature radio. Il primo modello è la
    radio a galena, nota anche come la radio dei
    poveri, che consente la ricezione delle onde
    radiofoniche e permette a tutti di ascoltare
    direttamente le voci e i suoni provenienti dal
    cielo. Il suo primissimo uso pratico mira a
    ricevere radiosegnali in codice Morse, trasmessi
    da pionieristici radioamatori con potenti
    trasmettitori a scintilla. Si costituisce di
  • una semplice cuffia telefonica
  • un pezzo di filo per antenna
  • un rilevatore a baffo di gatto.
  • l cervello del ricevitore è il rivelatore a
    cristallo, che ha il compito di estrarre le
    informazioni contenute nel segnale in alta
    frequenza della trasmissione radiotelegrafica o
    radiofonica, trasformandole in oscillazioni a
    bassa frequenza udibili.
  • Si tratta comunque di un dispositivo
    tecnologicamente semplice nella ricezione dei
    segnali in unepoca in cui lindustria
    radiofonica è ancora allo stato embrionale.

24
Alcune curiosità
Secondo alcuni storici, nellautunno del 1920
iniziano le prime trasmissioni radiofoniche a
scopi commerciali. A Pittsburgh (Pennsylvania),
la stazione radio KDKA di proprietà Westinghouse
riceve la licenza dallUnited States Departement
of Commerce, appena in tempo per trasmettere le
notizie relative alle elezioni presidenziali
negli Stati Uniti del 1920. Oltre alla cronaca di
eventi speciali, diventa un vero sevizio di
pubblica utilità perché si occupa di diffondere
utili informazioni per la comunità come, ad
esempio, la diffusione delle quotazioni dei
prodotti agricoli. La radiofonia commerciale fa
il primo passo. Nel 1921, i ricevitori radio
vengono prodotti industrialmente, ma sono ancora
costosi e in alternativa si possono utilizzare
quelli a galena. Alcuni elementi dei ricevitori,
come le bobine per la sintonia, vengono
autocostruiti utilizzando oggetti di uso comune.

25
La società dei consumi
26
1950-1973 il miracolo economico
  • Terminata, grazie agli aiuti americani, la
    ricostruzione dei Paesi devastati dalla guerra, a
    partire dal 1950 prende il via una fase di
    espansione economica senza precedenti nella
    storia dellumanità, che durerà sino al 1973.
  • Lo sviluppo dellelettronica e dellinformatica
    permette di rivoluzionare il modo di produrre e
    lavorare
  • la meccanizzazione inizia a cedere il passo
    allautomazione, cioè alla sostituzione del
    lavoro umano con sistemi di macchine in ogni fase
    del processo produttivo.

27
Il transistor
28
Lintuizione di Julius Edgar Lilienfeld
  • A questo fisico ed ingegnere, nato nel 1882 in
    Austria e operante negli Stati Uniti sin dal
    1920, va dato il merito di aver effettuato studi
    e registrato i relativi brevetti sui transistor a
    effetto di campo e sui condensatori elettrolitici
    tra il 1925 e il 1931.
  • E del 1925 infatti il brevetto relativo ad un
    apparato utile al controllo della corrente
    elettrica, progenitore del MOSFET.
  • Del 1928 è invece il brevetto di un sistema
    amplificatore per correnti elettriche allo stato
    solido, in cui la corrente veniva controllata
    utilizzando particolari metalli porosi.

29
I brevetti descrivono in dettaglio i metodi per
ottenere il transistor con una struttura a film
sottile. Il solfuro di rame è indicato come il
ltcompostogt o film semiconduttore nel primo
brevetto, con cui il MESFET è realizzato con lo
schiacciamento di un foglio di alluminio tra due
bordi di una piccola lastrina di vetro su cui il
film di rame viene depositato e solforato.
Solfuro di rame, ossido di rame e diossido di
piombo sono specificamente menzionati nel secondo
brevetto, come possibili candidati per il
composto di film a semiconduttori. Lilienfeld,
quindi, senza saperlo, introduce quelli che
diversi anni dopo saranno riconosciuti come
semiconduttori di tipo-p ed n. Inoltre, pur non
potendo ancora conoscere i reali meccanismi alla
base del funzionamento di tali materiali,
intuisce il concetto della modulazione di
conducibilità attraverso il campo elettrico
trasversale, citato nella descrizione dei
dispositivi brevettati
30
ET FIAT TRANSISTOR
Il 23 dicembre del 1947 in America, nasce il
transistor, un dispositivo amplificatore
completamente nuovo, dalla forma antiestetica
(ossia un intreccio di piastre e fili montato su
un supporto di plexiglas) e risultato di una
lunga ricerca presso il Bell Laboratories da
Shockley, Bardeen e Brattain, vincitori del
premio Nobel nel 1956. Il primo transistor è un
diretto discendente del diodo semiconduttore a
punta di contatto, consistente in una piastrina
di germanio, detta base, a una faccia della quale
è connesso un elettrodo, mentre sullaltra sono
poggiati altri due sottili elettrodi a punta,
lemettitore e il collettore. In questo modo si
hanno due punti di contatto, quello tra base ed
emettitore e quello tra base e collettore.
31
Le applicazioni
32
La radio a transistor
Nel novembre del 1954 viene commercializzato la
prima radio a transistor, che imprime allo
sviluppo tecnologico unaccelerazione mai vista
nemmeno durante la Seconda Rivoluzione
Industriale o la nascita della radio stessa.
33
Dai tascabili ai portatili
  • Le radioline a transistor o tascabili sono
  • scatolette di plastica abbellite da qualche
    fregio cromato e racchiuse in una custodia in
    cuoio in grado di sintonizzarsi con precisione su
    tante stazioni.
  • Successivamente arrivano i ricevitori portatili,
    con mobiletto in legno rivestito da una tela
    plastificata o vinilpelle, sono provvisti di
  • antenna telescopica e maniglia per il
    trasporto
  • pile a lunga durata
  • un altoparlante di grande diametro per un suono
    di alta qualità.
  • Ha inizio una guerra tra i transistor e le
    valvole che durerà per oltre un decennio. La
    nuova tecnologia ruberà terreno alla vecchia,
    fino a renderla obsoleta e inutile.

34
Lavventura della Regency Tr-1
  • Le caratteristiche dei primi transistor e la loro
    affidabilità lasciano molto a desiderare. Lunica
    tra le grandi industrie a lavorare seriamente ad
    unapplicazione che favorisce un lancio
    commerciale è la Texas Instruments, azienda
    leader nel settore dei semiconduttori. I
    prototipi, però, denotano alcuni problemi dovuti
    allalta variabilità delle caratteristiche di
    ciascuno elemento. È lidea dellingegnere Dick
    Koch a superare le difficoltà della TI
  • il montaggio dei vari componenti viene fatto
    direttamente sulla piastrina e il numero dei
    transistor ridotto da sei a quattro i
    componenti vengono miniaturizzati tanto da essere
    contenuti in una custodia delle dimensioni di
    8x12 cm.
  • Il successo commerciale è immediato. La TR-1
    resta per lungo tempo lunica radio da taschino.
    Nellagosto del 1955, viene prodotto un nuovo
    modello, il TR-55, utilizzando per la prima
    volta il marchio SONY. Seguono il TR-63 ed il
    TR-610, tipico esempio di radio a transistor
    tascabile.

35
Radio strategica i misteriosi Cd-Marks
Durante gli anni della guerra fredda tra USA e
URSS, si assiste ad una frenetica corsa agli
armamenti, dei quali i più temuti sono i missili
a testata nucleare. Si adopera infatti una
sofisticata strumentazione in grado non solo di
guidare un missile sul bersaglio, ma anche di
individuare le frequenze radio di stazioni
radio-televisive disseminate in territorio
nemico. Si decide quindi di adottare uno schema
di difesa civile, il CONELRAD , che utilizza
due frequenze di emergenza sulla banda delle onde
medie 640 e 1240 Hz. In caso di attacco
sovietico, così, tutte le radio commerciali sono
tenute a interrompere le trasmissioni regolari
utilizzando solo le due frequenze di emergenza,
contrassegnate sullapparecchio radio sotto forma
di due piccoli triangoli, i CD MARKS.
36
Il Computer
  • Dalla messa a punto dei primi calcolatori
    elettronici negli Stati Uniti nel1945 agli inizi
    degli anni 70, tre generazioni di computer si
    sono susseguite a valvola, poi, a partire dal
    1959, a transistor e, dal 1969, a circuiti
    integrati Allinizio degli anni 70, la
    comparsa dei microprocessori ha consentito la
    costruzione dei computer della quarta
    generazione, più potenti e più rapidi Dalla
    metà degli anni 80 si sono sviluppati i sistemi
    aperti che, a partire da una base di conoscenze,
    sono capaci di simulare, in parte, il
    ragionamento umano.
  • Gauthier, 1998

37
Il circuito integrato
38
Cosè un circuito integrato? Un circuito
integrato o IC (integrated circuit), detto anche
CHIP, è un dispositivo elettronico nel quale gli
elementi attivi (transistor, diodi, ecc.) e gli
elementi passivi (resistori, condensatori,ecc.)
sono contenuti allinterno di una singola
piastrina di materiale semiconduttore.
39
Nascita del circuito integrato
12 SETTEMBRE 1958
Jack Kilby (Jefferson city, 08/11/1923 - Dallas,
20/06/2005)
40
  • Nellestate del 1958 , il giovane
  • scienziato Jack Kilby è
  • appena stato assunto in Texas
  • Instrument. Non potendo
  • usufruire delle due settimane
  • di ferie come i suoi colleghi, decide di usare i
    laboratori ormai deserti per lavorare e
    sperimentare la sua idea.
  • Riesce a far stare un piccolo circuito, composto
    da un transistor e pochi altri componenti, in una
    piastrina di germanio dalle dimensioni ridotte.
  • Il 12 Settembre 1958 Jack kilby dimostra che la
    sua invenzione può generare un segnale
    sinusoidale . Nasce così il primo circuito
    integrato.
  • Nel 2000 gli viene conferito il premio Nobel per
    la Fisica.

41
  • Alcuni mesi dopo, Robert Noyce, cofondatore della
    Fairchild Semiconductor(1957) e dell Intel
    (1968), presenta una invenzione analoga. Riesce
    ad immettere un piccolo circuito su una piastrina
    di silicio.
  • Nel 1978 lo scienziato riceve una medaglia
    donore per il contributo ai circuiti integrati
    di silicio.

Robert Noyce (BURLINGTON 12/12 /1927
AUSTIN03/06/1990)
42
Conosciamo meglio i circuiti integrati
  • Nel circuito integrato si possono inserire
    facilmente transistor, come anche piccole
    resistenze e condensatori. Questi ultimi però
    occupano molto spazio sul chip, quindi, quando
    possibile, vengono sostituiti con reti di
    transistor.
  • Esiste la possibilità di inserire anche
    induttori o trasformatori, ma il valore delle
    induttanze ottenibili è molto piccolo.
  • I circuiti integrati si dividono in due categorie
    principali
  • digitali
  • analogici.

43
Il circuito integrato analogico I primi IC
analogici sono circuiti di amplificatori
operazionali, amplificatori a bassa frequenza e
circuiti oscillatori. Successivamente saranno
costruiti amplificatori audio di potenza,
alimentatori, timer ed altro, integrando circuiti
sempre più complessi.
Il circuito integrato digitale I primi IC
digitali integrano transistor e resistenze su
semiconduttore per le polarizzazioni interne.
Successivamente, le resistenze vengono sostituite
con diodi ottenendo circuiti di tipo DTL (Diode
Transistor Logic). Nel 1970 i diodi sono
sostituiti con i transtistor. I circuiti
integrati si dividono ulteriormente in BJT e CMOS
se usano transistor MOSFET.
44
1971 inizia lera dellelettronica programmabile
  • La nascita dei primi circuiti integrati
    programmabili risale ai primi anni Settanta,
    quando le schede elettroniche diventano molto
    complesse e lutilizzo dei soli classici circuiti
    integrati è proibitivo per le dimensioni e i
    consumi.
  • Nello stesso periodo si assiste alla comparsa
    dellIntel 4004, anche per merito del fisico
    italiano Federico Faggin , il primo
    microprocessore di uso generale a 4 bit,
    prodotto per realizzare calcolatrici da tavolo .
  • Ha inizio così lera dellelettronica digitale
    programmabile a cui seguirà la nascita del
    microcontrollore .

45
Le memorie programmabili
  • Le memorie programmabili si dividono in due
    categorie
  • memorie volatili (RAM)
  • memorie non volatili (ROM, PROM, EPROM, EEPROM e
    le Flash EEPROM).

46
Memorie non volatili
  • Le memorie non volatili si differenziano per le
    caratteristiche costruttive e per il modo di
    programmazione, ovvero per come vengono scritti i
    dati. Sono
  • ROM memorie non programmabili dallutente
    utilizzate per realizzare decodifiche veloci
    e per contenere programmi non modificabili.
  • PROM introdotte per superare le limitazioni
    delle ROM, possono essere programmabili
    dallutente una sola volta.
  • EPROM sono programmabili , cancellabili e
    riprogrammabili.
  • EEPROM simili alle EPROM, con la sola
    differenza che sono cancellabili elettricamente
    senza far ricorso ai raggi ultravioletti.
  • FLASH simili alle EEPROM, ma hanno tempi di
    cancellazione e scrittura più rapida.
  • Diversamente, le memorie volatili (le RAM)
    possono essere scritte e lette in continuazione
    quando è tolta lalimentazione perdono il loro
    contenuto.

47
Scale di integrazione




Il grado di integrazione di un circuito integrato
dà unindicazione della sua complessità,
indicando grosso modo quanti transistor sono
contenuti in esso. Per i circuiti digitali la
densità di integrazione , si determina in
relazione al numero di porte logiche integrate
sullo stesso chip e di operazioni logiche
elementari eseguibili. Lincremento nel
tempo del numero di componenti integrati su un
chip segue la legge di Moore
 
Denominazione scala Numero di transistor Anno Applicazioni
SSI (Small Scale of Integration) lt100 1960 Porte logiche
MSI (Medium Scale of Integration) lt1000 Fine 60 Multiplexer e decoder
LSI (Large Scale of Integration) lt10.000 1970 Memorie e processori
VLSI (Very Large Scale of Integration) lt100.000 1980 Processori
ULSI (Ultra Large Scale of Integration) gt100.000 1990 Moderni processori
WSI (Wafer Scale of Integration ), Realizzazione di circuiti completi su semiconduttore Realizzazione di circuiti completi su semiconduttore Realizzazione di circuiti completi su semiconduttore
48
Legge di Moore
La legge di Moore è una legge empirica emanata
nel 1965. Descrive la velocità di evoluzione dei
componenti microelettronici ed afferma che il
numero di transistor per chip raddoppia in un
tempo che dagli anni Ottanta è di circa 18 mesi,
mentre ai nostri giorni questo incremento avviene
circa ogni 3 anni. Al limite di implementazione,
che si raggiungerà presumibilmente tra circa 10
anni, verrà in nostro aiuto luso di nuove
tecnologie e materiali come il grafene che, dalle
prime sperimentazioni effettuate, ha portato a
nuovi sorprendenti risultati.
49
Conclusioni
  • Da quanto esposto si evidenzia che il meccanismo
    innescatosi con le prime sperimentazioni nel
    campo elettronico, non ha avuto soste sia per la
    realizzazione di nuovi componenti sempre più
    piccoli e complessi, sia per le applicazioni
    degli stessi nei campi più disparati.
  • Cosa ci riserva il futuro non lo possiamo
    prevedere, la storia delle invenzioni ha
    dimostrato infatti che una intuizione può
    modificare radicalmente la società e le
    condizioni di vita dell'uomo, a volte anche
    negativamente , visto che spesso molte scoperte
    sono scaturite da necessità di tipo bellico.
    L'evoluzione, come è noto, non conosce limiti
    l'uomo ne è l'artefice e se ne assume oneri ed
    onori!

50
Un po di English
51
From vacuum tubes to transistors
  • 1907 The problem
  • In 1906, the American inventor Lee De Forest
    developed a triode in a vacuum tube. It was a
    device that could amplify signals, and perhaps
    signals on telephone lines. ATT bought De
    Forest's patent and vastly improved the tube. It
    allowed the signal to be amplified regularly
    along the line, meaning that a telephone
    conversation could go on across any distance as
    long as there were amplifiers along the way.But
    the vacuum tubes that made that amplification
    possible were extremely unreliable, used too much
    power and produced too much heat.
  • In the 1930s, Bell Lab's director of research,
    Mervin Kelly, recognized that a better device was
    needed for the telephone business to continue to
    grow. He felt that the answer might lie in a
    strange class of materials called semiconductors.

52
Vacuum tubes of different kinds
53
1945 The solution
  • After the end of World War II, Kelly put together
    a team of scientists to develop a solid-state
    semiconductor switch to replace the problematic
    vacuum tube. The team would use some of the
    advances in semiconductor research during the war
    that had made radar possible.
  • A young, brilliant theoretician, Bill Shockley
    (William Bradford Shockley), was selected as the
    team leader.Shockley filled out his team with a
    mix of physicists, chemists and engineers. In the
    spring of 1945, Shockley designed what he hoped
    would be the first semiconductor amplifier,
    relying on something called the field effect.
    His device didn't work.

54
Radar during World War II
  • During World War II, battles were won by the side
    that was first to spot enemy airplanes, ships, or
    submarines. To give the Allies an edge, British
    and American scientists developed radar
    technology to "see" for hundreds of miles, even
    at night. The rectifier's job was to translate
    the reflected signal into the direct current
    necessary for visualization on the screen. These
    crystals often couldn't handle the quickness and
    intensity of a rapidly changing radar signal.
    They would burn out frequently.
  • Seymour Benzer found that germanium crystals made
    the best detectors. (Germanium was used to make
    the first working transistor five years later.)
    Scientists also learned new techniques on how
    best to grow and dope the crystals.

Seymour Benzer (Oct. 15, 1921 Nov. 30, 2007)
55
August 1945
As World War II came to a close Bell's president,
Mervin Kelly, suspected that solid state science
might provide a new kind of amplifier to replace
the vacuum tube in ATT's phone system. The tubes
amplified voice signals as they traveled through
the phone wires, but they were reaching the
limits of their potential. A solid state
amplifier, sturdier and more efficient than a
vacuum tube, might have other uses as well. Among
the most likely customers was the US military. As
the cold war got underway, military agencies
invested lavish funding into any kind of research
that might prove useful in the long run. Kelly
knew that his solid state group could help his
company, and would probably have a guaranteed
military client down the road.William Shockley
and chemist Stanley Morgan were placed in charge
of the new group. Shockley ran a subdivision
within the larger group that focused on
semiconductor research.They spent lots of time in
front of the blackboard, discussing their work
and exchanging ideas.
56
The invention of the first transistor
  • November 17 December 23, 1947
  • On November 17, 1947, Walter Brattain dumped his
    whole experiment into a thermos of water.
  • The silicon contraption he had built was supposed
    to help him study how electrons acted on the
    surface of a semiconductor but condensation kept
    forming on the silicon and messing up the
    experiment. To get rid of that condensation,
    Brattain dumped the whole experiment under water.
  • Out of the blue, the wet device created the
    largest amplification he had seen so far.

57
Putting the idea to use
  • On November 21, Bardeen suggested pushing a metal
    point into the silicon surrounded by distilled
    water. The tough part was that the contact point
    couldn't touch the water, it must only touch the
    silicon. Brattain could build this amplifier and
    it worked. Of course, there was only a tiny bit
    of amplification but it worked.
  • Once they had gotten slight amplification with
    that tiny drop of water, Bardeen and Brattain, by
    using different materials tried to get an even
    bigger increase in current. Then on December 8,
    Bardeen suggested to replace the silicon with
    germanium. They got an amplification of some 330
    times, but in the exact opposite direction .

58
Brittain makes a mistake
  • Unfortunately this giant jump in amplification
    only worked for certain types of current ones
    with very low frequencies. That wouldn't work
    for a phone line, which has to handle all the
    complex frequencies of a person's voice. So the
    next step was to get it to work at all kinds of
    frequencies.
  • Bardeen and Brattain, by putting the point of the
    triangle gently down on the germanium, saw a
    fantastic effect signal came in through one gold
    contact . The first point-contact transistor had
    been made.
  • After the rest of the lab had a chance to look it
    over and conduct a few tests, it was official
    this tiny bit of germanium, plastic and gold was
    the first working solid state amplifier.

59
January and February 1948
  • One of Shockley's ideas was to build a
    semiconductor sandwich. On January 23, Shockley
    had a revelation. He had an idea for an improved
    transistor. This would be three-layered sandwich.
    The outermost pieces would be semiconductors with
    too many electrons, while the bit in the middle
    would have too few electrons.
  • Shockley told no one about his idea. Shockley
    wanted to test it before discussing it short
    description before using bullet points helps to
    keep your audience engaged.

60
The Eureka moment
  • Then, on February 18, when Joseph Becker and John
    Shive presented their findings to the group,
    Shockley knew he had the proof he needed. He
    jumped up and for the first time shared his
    concept of a sandwich transistor to the rest of
    his team. Bardeen and Brattain were stunned that
    they hadn't been informed before. It was clear
    that Shockley had been keeping this secret for
    weeks.

61
June 23, 1949
  • But before telling the public, they  had to check
    with the military. At the very least, the
    transistor could revolutionize communications and
    radio signals, something that would give the US
    Army an advantage if the invention was kept a
    secret from other countries.  Bell's president,
    Mervin Kelly, hoped the army wouldn't want to
    classify this research, but he knew it just might
    happen. On June 23, Ralph Bown gave a
    presentation to a group of military officers.  He
    showed the way the tiny bit of crystal and wire
    could amplify an electrical signal much more
    efficiently than a bulky vacuum tube could.  

Ralph Bown (1891 July 1971)
62
1958 Invention of the Integrated Circuit
  • Transistors had become commonplace in everything
    from radios to phones to computers, and now
    manufacturers wanted something even better.
  • Transistors were smaller than vacuum tubes, but
    for some of the newest electronics, they weren't
    small enough.
  • But scientists wanted to make a whole circuit
    the transistors, the wires, everything else they
    needed in a single blow. If they could create a
    miniature circuit in just one step, all the parts
    could be made much smaller.

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  • One day in late July, Jack Kilby was sitting
    alone at Texas Instruments. It suddenly occurred
    to him that all parts of a circuit, not just the
    transistor, could be made out of silicon. At the
    time, nobody was making capacitors or resistors
    out of semiconductors. If it could be done then
    the entire circuit could be built out of a single
    crystal, making it smaller and much easier to
    produce. Kilby's boss liked the idea, and told
    him to get to work.By September 12, Kilby had
    built a working model, and on February 6, Texas
    Instruments filed a patent.
  • Their first "Solid Circuit" the size of a pencil
    point, was shown off for the first time in March.

64
(No Transcript)
65
THE END
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