1. 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.

2. 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.

3. 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

4. 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.

5. Jadual 1.1 Statistik ENIAC
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 ENIAC

6. Rajah 1.1 : ENIAC

7. Tiub kaca
Vakum
Rajah 1.2 : Tiub vakum

8. Tiub vakum mempunyai beberapa masalah seperti
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 besar
cenderung kpd sambungan longgar
mengalami kebocoran vakum.
Senang pecah
memerlukan amaun kuasa yang besar
elemen mereput dgn cepat.

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

10. 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

11. Rajah 1.3 : Transistor pertama

12. 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.

13. Rajah 1.4 : Simpangan NP dan PN
N-P
P-N
Simpangan
Rajah 1.4 : Simpangan NP dan PN

14. 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.

15. Rajah 1.5 : Peranti diskrit keadaan pepejal

16. 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 )

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

18. 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 )

19. Rajah 1.7 : Litar bersepadu pertama yg dibentuk di
atas wafer silikon oleh Fairchild Camera.

20. 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 kecil
menggurangkan penggunaan kuasa
meningkatkan keboleharapan ( reliability)
Kos rendah

21. 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 )

22. Rajah 1.8 : Output analog dan digital

23. 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.

24. Logik digital
Dalam litar logik digital terdapat dua no binari, 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.

25. 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 :

26. 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

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

28. Rajah 1.10 : Hukum Moore versi Intel.

29. 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

30. Hanya memenuhi aplikasi fungsi asas logik seperti get AND atau OR
SSI
Hanya memenuhi aplikasi fungsi asas logik seperti get AND atau OR
Memgandungi 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 get ( komponen )
CD 1 µ - 3µm

31. LSI
LSI mengandungi lebih banyak get dan memberikan fungsi seluruh litar.
Mengandungi get per cip.
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.

32. Dlm VLSI melibatkan lebih banyak fabrikasi get di atas substrak > 1000 get dan 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 µm
ULSI
Tahap pencapaian terkini bagi ‘microprocessor’ dan ‘memory’ melibatkan fabrikasi bermillion2 transistor di atas substrak cip yang sama.
CD < 0.35 µm

33. Jadual 1.2 : Aplikasi peranti semikonduktor