01 - Princip činnosti polovodičových prvků

• Polovodiče:
  • látky, jejichž elektrické vlastnosti závisejí na vnějších podmínkách (teplota, osvětlení, …)
  •  za normálních podmínek nevedou elektrický proud tak, jako vodiče (nízké teploty ⇒ izolanty)

• vodivost se dá ovlivnit:
  1. 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
       
  2. změna vnitřních podmínek
     •  přidáním příměsí ⇒ vznikají nevlastní/příměsové polovodiče ⇒ nevlastní vodivost
     1. 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
          
     2. 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
          
• 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

• vznikne spojením nevlastních polovodičů typu N (katoda) a P (anoda)
• můžeme ji zapojit dvěma způsoby ⇒ diodový jev:
  1. propustný směr - P → N
  2. závěrný směr - N → P
• typy diod:
  • usměrňovací
  • detekční a spínací
  • stabilizační
  • kapacitní
  • luminiscenční (LED)
  • fotodiody

• 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

1. 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
   
2. 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
   

1. Uf, If … propustná napětí, proud (minimální hodnota, při které začne dioda fungovat)
2. Ur, Ir … závěrné napětí, proud, průrazné napětí (proud tekoucí v závěrném směru, zničení diody)

• 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)

• 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

• 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)

1. bez připojené báze se tranzistor chová jako obyčejný odpor
2. 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

• U_BE - napěti mezi bází a emitorem
• U_EC - napěti mezi emitorem a kolektorem
• U_BC - napěti mezi bází a kolektorem

• to same plati pro proud.
  • mezi proudy je vztah: I_E = I_B + I_C

• 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

• najčastejšie sa zapája v zapojení so spoločním emitorom, kde dochádza k zosilneniu prúdu
• používané je aj zapojenie so spoločnou bázou, pri ktorej sa zosiluje napätie
• zapojenie so spoločným kolektorom zosiluje výkon U.I

• 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)
• ve většině případů se vyrabějí s přechodem PN, v praxi oznacovane jako JFET
• Pokud na řídicí elektrodu přivedeme kladné napětí, začneme vytlačovat kladné díry do kanálu N, kde se začnou rekombinovat s volnými elektrony čímž dojde ke snížení vodivosti. Pokud přivedeme napětí záporné, vytlačí se do kanálu N elektrony čímž se vodivost zvýší. U kanálu P je to přesně naopak.

• spínací režimy:
  1. rozpojeno (proud neteče)
  2. sepnuto (proud teče)
• pracovní bod tranzistoru
  • takový bod, ve kterém tranzistor pracuje řádně.

Technologie CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor, doplňující se kov-oxid-polovodič) je používaná na převážnou většinu integrovaných obvodů. Mezi nejdůležitější vlastnosti CMOS patří vysoká odolnost proti šumu a nízká spotřeba ve statickém stavu. Více energie se spotřebovává pouze na přepínání mezi zapnutým a vypnutým stavem tranzistoru, proto CMOS nespotřebovává tolik energie jako například nMOS nebo TTL. CMOS také umožňuje vyšší hustotu prvků na čipu.