Princip činnosti polovodičových prvků

Polovodiče

Elektrické vlastnosti závisí na vnějších podmínkách. Je možné je ovlivnit:

1) Změnou vnějších podmínek – vlastní vodivost

2) Změnou vnitřních podmínek – nevlastní vodivost

• přidáním prvku 3A skupiny se sníží počet elektronů a vzniká děrová vodivost - polovodič typu P

• přidáním prvku 5A skupiny se zvýší počet elektronů a vzníká elektronová vodivost - polovodič typu N

Použití:

• termistor (měření a regulace teploty v obvodech)
• fotorezistor (měření a regulace osvětlení v obvodech)

Dioda

Vzniká spojením polovodičů typu N (katoda) a P (anoda).

Prostor mezi P a N se nazývá potenciálová bariéra.

Principem diody je lepší propustnost proudu v jednom směru:

1) Závěrný směr: N ⇒ P (U < 0.6V – dioda se chová jako rozepnutý spínač)

• 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

2) Propustný směr: P ⇒ N (U >= 0.6V – dioda se chová jako sepnutý spínač)

• při opačném zapojení se díry a elektrony odpuzují od pólů, dojde k zmenšování přechodu a při určitém napětí začne protékat proud

ukázka

Použítí:

• usměrňovací
• detekční a spínací
• stabilizační (tzv. Zenerovy diody - při Zenerově napětí dojde ke vratnému průrazu diody ukázka)
• kapacitní
• LED
• fotodiody

Tranzistor

Polovodičová součástka s dvojicí přechodů PN se schopností zesilovat proud nebo napětí na výstupu podle změn proudu nebo napětí na vstupu.

Bipolární tranzistor

Na přenosu proudu se podílí oba typy nosičů - majoritní a minoritní.

Obsahuje dva PN přechody, čímž vznikají dva různé typy – PNP a NPN. Pro vývodý se používají názvy báze (B), emitor (E) a kolektor (C).

Bez připojené báze se tranzistor chová jako obyčejný odpor. Po připojení malého kladného napětí na bázi se začne od určité hodnoty otevírat a protéká proud.

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

Unipolární tranzistor

Nemá dva PN přechody, při řízení činnosti využívá nosiče náboje pouze jednoho druhu.

Není řízený proudem - ovládání je na základě elektrického pole (FET - Field Effect Tranzistors).

Elektrody se označují jako gate (řídící elektroda), source (zdrojová elektroda) a drain (výstupní elektroda).

Pokud na elektrodu gate přivedeme kladné napětí, začnou se vytlačovat kladné díry do kanálu N, kde se začnou rekombinovat s volnými elektrony, čímž dojde ke snížení vodivosti. Naopak, přivedením záporného napětí se vytlačí do kanálu N elektrony, čímž se zvýší vodivost.

NAND a NOR v CMOS technologii

CMOS je dnes často využívaná technologie. Je úsporná, ale vytvářejí se u ní parazitní kapacity a tranzistory se zahřívají.

Zkratky:

• MOS = Metal-Oxide Semiconductor
• CMOS = Complementary MOS
• MOSFET = MOS Field Effect Transistor

Dva typy MOS tranzistorů:

1) P - channel – přivedením záporného napětí dojde k sepnutí tranzistoru (proud poteče)

2) N - channel – přivedením kladného napětí dojde k sepnutí tranzistoru

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.

ukázka

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

NOR

• Pokud jsou oba vstupy v logické nule, oba tranzistory s P kanálem (šipka ven u báze, kolečko) budou otevřené. To způsobí připojení napájecího napětí na výstup. Oba tranzistory s N kanálem (šipka dovnitř u báze, bez kolečka) 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.

ukázka

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