01 - Princip činnosti polovodičových prvků

látky, jejichž elektrické vlastnosti závisejí na vnějších podmínkách (teplota, osvětlení, …)

za normálních podmínek nevedou elektrický proud tak, jako vodiče (nízké teploty ⇒ izolanty)

Vodič je uspořádán v krystalické mřížce tak, že jeho valenční elektrony se pohybují volně a po připojení napětí dochází k jejich pohybu. x V případě polovodiče se čas od času uvolní elektron a přesune se jinam.

vodivost se dá ovlivnit:

změna vnějších podmínek

zvyšování teploty nebo přísunu fotonů se zvyšuje přesouvání elektronů (v místech uvolněných elektronů vznikají díry ⇒ vlastnost kladného částice)

např. Ge, Si ⇒ tzv. vlastní polovodiče ⇒ vzniká vlastní vodivost
Vlastní polovodiče

změna vnitřních podmínek

přidáním příměsí ⇒ vznikají nevlastní/příměsové polovodiče ⇒ nevlastní vodivost

po přidání prvků 3A skupiny (B, In, Ga, Al):

sníží se počet elektronů a polovodiče pak získávají deficit volných elektronů (nadbytek děr) a stávají se polovodiči typu P.

akceptor - příměs atomů, které mají nedostatek valenčních elektronů oproti vlastnímu polovodiči

děrová vodivost - jako nositelé elektrického proudu převažují díry
Vlastní polovodiče

po přidání prvků 5A skupiny (P, As, Sb):

se zvýší počet elektronů a vznikají polovodiče typu N

donor - příměs atomů, které mají přebytek valenčních elektronů oproti vlastnímu polovodiči

elektronová vodivost - jako nositelé elektrického proudu převažují elektrony
Vlastní polovodiče

termistor - polovodičová součástka, která se používá v obvodech k měření a regulaci teploty

fotorezistor - polovodičová součástka, která se používá v obvodech k měření a regulaci osvětlení

Obrázky typů polovodičů - http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/fyz9.htm

Dioda

vznikne spojením nevlastních polovodičů typu N (katoda) a P (anoda)

můžeme ji zapojit dvěma způsoby ⇒ diodový jev:

propustný směr - P → N

závěrný směr - N → P

používají se v usměrňovacích obvodech

Přechod PN

oblast mezi P a N

setkávají se zde volné elektrony polovodiče typu N s dírami polovodiče typu P ⇒ dochází k jejich rekombinaci ⇒ to způsobí, že polovodič typu P se nabije záporně a odpuzuje další elektrony ⇒ vzniká hradlová vrstva ⇒ brání dalšímu pronikání děr s elektronů do oblasti přechodu

připojením kladného napětí na polovodič typu N a záporného náboje na polovodič typu P dojde k tomu, že díry (+) se začnou přitahovat k zápornému pólu a elektrony (-) ke kladnému pólu, čímž dojde ke zvětšování PN přechodu a proud neprotéká ⇒ závěrný směr

při opačném zapojení se díry a elektrony naopak odpuzují od pólů, dojde k zmenšování přechodu a při určitém napětí (0.3 V, 0.6 V; podle prvku) začne protékat proud ⇒ propustný směr

Voltampérová charakteristika

Uf, If … propustná napětí, proud (minimální hodnota, při které začne dioda fungovat)

Ur, Ir … závěrné napětí, proud, průrazné napětí (proud tekoucí v závěrném směru, zničení diody)

Typy diod

detekční, spínací, směšovací (diodové detektory a demodulátory)

kapacitní diody (varikapy a varaktory) – dioda má kapacitu, která se mění podle napětí

usměrňovací výkonové (usměrňování střídavého proudu)

Zenerovy a referenční diody (vytváření konstantního napětí)

Schottkyho diody (usměrňování vyšších frekvencí – menší doba změny přechodu)

luminiscenční (LED)

fotodiody (detektory)

Tranzistor

polovodičová součástka, která tvoří dvojice přechodů PN (struktura odpovídající spojení dvou diod)

základem všech dnešních integrovaných obvodů, jako např. procesorů, pamětí atd.

základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat - malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu

Bipolární tranzistor

součástka obsahující dva PN přechody, vznikají tak dva typy, NPN a PNP.

základní zapojení tranzistoru (NPN) je kladný pól na B (báze) a E (emitor), záporný na C (kolektor)

bez připojené báze se tranzistor chová jako obyčejný odpor

po připojení malého kladného napětí na B se začne od určité hodnoty otevírat a protéká proud

dále při zvyšování napětí se zvyšuje i proud

jinými slovy, pokud je přechod EB zapojen v propustném směru, proud teče i do C a čím větší je proud přes EB (zmenšování přechodu), tím více proud je propuštěné dále do kolektoru

Tranzistorový jev: malému proudu přes přechod EB odpovídá velký proud EC

UBE - napěti mezi bází a emitorem

UEC - napěti mezi emitorem a kolektorem

UBC - napěti mezi bází a kolektorem

to same plati pro proud.

mezi proudy je vztah: IE = IB + IC

saturační proud (zbytkový): proud, jež prochází tranzistorem, když je uzavřen (to samé u diody, když je v závěrném směru)

spínací napěti: napeti, ktere musi byt mezi bazi a emitorem, aby zacal emitorem-kolektorem prochazet proud

Unipolární tranzistor

nemá dva polovodičové přechody, při řízení činnosti využívá nosiče náboje pouze jednoho druhu

není potřeba vstupní proud, ovládání je na základě elektrického pole. (Field effect tranzistors - FET)

spínací režimy:

rozpojeno (proud neteče)

sepnuto (proud teče)

pracovní bod tranzistoru

takový bod, ve kterém tranzistor pracuje řádně.

Realizace logických členů NAND a NOR v technologii CMOS

NOR

Pokud jsou oba vstupy v logické nule, oba tranzistory s P kanálem (šipka ven u báze) budou otevřené. To způsobí připojení napájecího napětí na výstup. Oba tranzistory s N kanálem (šipka dovnitř u báze) budou uzavřené takže výstup není připojen na zem. Pokud je jeden vstup v logické nule, tak se rozepne jeden z P tranzistorů a tím odpojí výstup od napájecího napětí. Zároveň se otevře jeden z N tranzistorů a uzemní výstup.

A	B	Y
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

NAND

Pokud bude alespoň jeden vstup v logické nule, tak bude jeden z P tranzistorů otevřen a přivede na výstup napájecí napětí. Zároveň bude jeden z N tranzistorů uzavřen a tím se zamezí uzemnění výstupu. Pokud budou oba vstupy v logické jedničce, tak oba P tranzistory budou uzavřené, což způsobí odpojení napájecího napětí od výstupu. Zároveň budou otevřeny oba N tranzistory, čímž se výstup uzemní.

A	B	Y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Potvrzení