1. Princip činnosti polovodičových prvků (dioda, bipolární a unipolární tranzistor ve spínacím režimu, realizace logických členů NAND a NOR v technologii CMOS).

• elektrony tečou od - k +, proud značíme, že teče od + k -.
• Základem jsou polokovy, hlavně křemík (Si).
• Existují 2 typy polovodičových materiálů založených na příměsích:
  • N (negativní) - při vazbě atomů vzniká v polokovu volný elektron, který je schopen vést proud - elektronová vodivost. Dopování fosforem (P).
    • majoritní: elektrony
    • minoritní: díry

• • P (pozitivní) - při vazbě vzniká “díra” (místo, kde chybí elektron) pro vedení proudu. Dopování borem (B). - majoritní: díry - minoritní: elektrony

• Oba typy polovodičových materiálů nemají na venek elektrický náboj (uvnitř materiálů je stejný počet protonů jako elektronů). Pokud se spojí na mikroskopické úrovni, dojde k přesunu části (maličko) elektronů z N do P. V P vznikne záporný náboj a v N kladný náboj. Tomuto jevu se říká rekombinace.
• V místě dotyku vzniká potenciálová bariéra (~0,7 V u křemíku).
• Přechod v propustném směru (anoda = kladná, katoda = záporná)
• Připojíme-li napětí podle obrázku, nosiče náboje se odpuzují a jsou vytlačovány do vyprázdněné vrstvy, která se tím zužuje.

Polovodičová dioda

Obsahuje PN přechod a propouští proud pouze v jednom směru. Ideální dioda by propouštěla proud pouze v jednom směru, ale reálná dioda propouští v jednom lépe než v druhém. V závěrném směru prakticky nepropouští proud (Reverse Saturation Current) až do tzv. průrazného napětí, poté začne procházející proud strmě narůstat (Avalanche Breakdown, Tunneling Breakdown), což obvykle vede k zničení diody (přehřátí a spálení). Pokud k tomu není dioda určená (Zenerova dioda), ale i ty lze spálit příliš velkým proudem, musí být omezen prvky v obvodu (rezistor). V propustném směru začne proud strmě narůstat po překonání potenciálové bariéry (0.7V pro křemík, 0.3V pro germanium). How Diodes Work - The Learning Circuit

• Přechodová (voltampérová) charakteristika diody - (obr.)
• Existuje více druhů diod (usměrňovací, spínací, fotodiody, luminiscenční…)

Druhy diod

Usměrňovací diody (výkonové): Slouží především k usměrňování střídavého proudu (napětí) na stejnosměrný. Nejčastěji se s nimi setkáme v napájecích zdrojích ve formě jednocestných či dvoucestných usměrňovačů.

Zenerovy a referenční (lavinové) diody: Na rozdíl od běžných diod jsou sestrojeny tak, aby mohly nedestruktivně fungovat v závěrném směru i při průrazu. Používají se pro stabilizaci a vytváření konstantního napětí nebo jako ochrana obvodů proti přepětí.

Luminiscenční diody (LED): Slouží k vyzařování světla, nejčastěji se využívají k vizuální indikaci stavů nebo k osvětlování.

Fotodiody: Fungují jako senzory dopadajícího světla nebo detektory radiace, kde dopadající foton dokáže v polovodiči vygenerovat volný náboj. Využívají se jako IR přijímače v telekomunikacích nebo ve fotovoltaice (solární panely).

Schottkyho diody: Využívají odlišný princip na bázi přechodu kov-polovodič. Mají výrazně menší úbytek napětí v propustném směru a velmi malou dobu potřebnou pro změnu přechodu. Používají se zejména pro usměrňování vyšších frekvencí.

Kapacitní diody (varikapy a varaktory): Využívají skutečnosti, že PN přechod diody má elektrickou kapacitu, kterou lze navíc řídit a měnit pomocí velikosti přiloženého napětí. Jsou nezbytné ve vysokofrekvenčních laděných obvodech (např. při ladění přijímačů).

Detekční, spínací a směšovací diody: Používají se jako rychlé spínače (např. ve spínaných zdrojích nebo pro ochranu vstupů integrovaných obvodů) a v roli detektorů a demodulátorů.

Speciální diody: K dalším účelům se používají diody jako přesná čidla k měření teploty, PIN diody, tunelové diody, inverzní diody nebo Gunnovy diody, které se obvykle vyskytují ve vysílačích či při měření.

Tranzistor

Elektronická součástka, která má schopnost zesilovat proud.

Tranzistor jako spínač (spínací režim) - dokáže spínat velké proudy a pracuje velmi rychle. Pokud do báze teče proud (stačí malý), tak začne mezi kolektorem a emitorem a tedy i spotřebičem procházet velký proud. Malým proudem spínáme velký proud.

Pomůcka: u šipky je emitor, na druhé straně je kolektor a třetí je báze.

Bipolární tranzistor BJT (Bipolar Junction Transistor)

Přenos proudu uskutečňují oba nosiče: N i P. Jedná se o 2 PN přechody vedle sebe - PNP nebo NPN tranzistor.

• E - Emitor je hodně nadopovaný, B - Báze je málo nadopovaná a velmi tenká, C - Kolektor je středně nadopovaný
• Princip NPN - emitor je připojen na katodu (elektrodu uvolňující elektrony) a společně s bází tvoří diodu v propustném směru. Pokud je na bázi přivedeno napětí o ~0,7 V větší než na emitoru, začne touto diodou procházet proud. Díky tomu, že emitor je daleko více dopován než báze, dostává se do báze mnohonásobně větší množství elektronů než je zde děr. Protože báze je navíc tenká, jsou tyto elektrony přitahovány kladným elektrickým nábojem vznikajícím na kolektoru, který je připojen na anodu, a tranzistorem tak prochází proud. Pokud není napětí na bázi vyšší alespoň o ~0,7 V oproti emitoru, nedojde k překonání potenciálové bariéry a celým tranzistorem proud neteče. https://youtu.be/DXvAlwMAxiA
• Princip PNP - emitor musí být připojen na anodu, kolektor na katodu a napětí mezi bází a emitorem musí být ~0,7 V (mezi emitorem a bází ~0,7 V), jinak je princip obdobný s tím, že uvažujeme pohyb děr…

Unipolární tranzistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Přenos proudu uskutečňuje pouze jeden nosič - N-channel nebo P-channel; dále jsou děleny na enhancement (nevedou proud a musí se zapnout) a depletion (vedou proud a musí se vypnout). Jsou řízeny napětím.

• Gate - řídicí elektroda - přes vrstvu dielektrika (metal: hliník, oxid: izolace, oxid křemičitý) připojena k substrátu, Source - zdrojová elektroda - silně dopovaná, Drain - výstupní elektroda - silně dopovaná, Body/Substrate - málo dopovaný.
• Princip NPN enhancement - na Source je přivedeno záporné napětí (stejné jako na Bulk/Body) a na Drain je přivedeno kladné napětí (Drain a Source lze zaměnit). Aby tekl ze Source do Drain proud, musí být na Gate dovedeno kladné napětí (řádově menší než mezi Source a Drain). Kolem Gate tak vznikne kladný náboj a začne přitahovat elektrony ze Substrate/Body (díry se přesunují dolů) a zároveň přitahovat elektrony ze Source. Začne se vytvářet postupně od Source k Drain kanál (trojúhelníkový tvar). Při dostatečném napětí na Gate je elektrické pole natolik velké, že kanál propojí Source s Drain a začne téct proud (s vyšším Gate napětím se dále zvyšuje). Zvyšování napětí mezi Source a Drain způsobuje i zvyšování potenciálové bariéry kolem Drain, což způsobí saturační fázi (Saturation Region - nezvyšuje se prakticky protékající proud).
  • Source a Bulk jsou spojené, aby neměly různé potenciály, jinak záporné napětí může být různé, ale právě Source a Bulk musí mít to stejné záporné napětí, aby nevznikl žádný tok proudu (aby tranzistor nefungoval jako dioda).
  • Bulk a Drain vytváří tzv. parazitní diodu.

How Does a MOSFET Work?

CMOS

CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) je technologie výroby logických členů za pomoci párů P-channel (PMOS) a N-channel (NMOS) MOSFET tranzistorů. Nízká spotřeba, odolnost proti šumu a méně se zahřívá. Dělí se na (a) PMOS a (b) NMOS.

• PMOS - záporné (low - 0) napětí na gate sepne tranzistor - děrová vodivost. Source a Body/Substrate se zapojují na kladný pól zdroje, Drain se zapojuje na záporný pól zdroje. Source a Drain jsou typu P, Substrate je typu N. Na Source je menší napětí než na drain.
  

• NMOS - kladné (high - 1) napětí na gate sepne tranzistor - elektronová vodivost. Source a Body/Substrate se zapojují na záporný pól zdroje, Drain se zapojuje na kladný pól zdroje. Source a Drain jsou typu N, Substrate je typu P. Na Source je větší napětí než na Drain.

  

Proces výroby CMOS je takový, že se celý čip nadopuje na typ P. NMOS tranzistory lze pak vytvořit přímo přidáním N kanálů. PMOS se musí vytvořit tak, že se nadopuje oblast v čipu (well - studna) na typ N a až do ní se vkládají P kanály. Výhodné je to proto, že obvykle je potřeba více NMOS tranzistorů (např. SRAM používá 4x NMOS a 2x PMOS, DRAM používá 1x NMOS, …) https://www.montana.edu/aolson/eele414/lecture_notes/eele414_module_04_CMOS_FAB.pdf

• NAND, NOR A INVERTOR (Technologie CMOS)

Z hradla NAND lze záměnou PMOS za NMOS a naopak vytvořit OR, z hradla NOR lze záměnou PMOS za NMOS a naopak vytvořit AND.

Z NANDu a NORu jde udělat všechny ostatní logické členy:

NAND (Shefferova funkce) logika

$\neg p\equiv \neg (p\wedge p)$

$p\wedge q\equiv \neg (\neg (p\wedge q))\equiv \neg (\neg (p\wedge q)\wedge \neg (p\wedge q))$

$p\vee q\equiv \neg (\neg p\wedge \neg q)\equiv \neg (\neg (p\wedge p)\wedge \neg (q\wedge q))$

$p\to q\equiv \neg p\vee q\equiv \neg (p\wedge \neg q)\equiv \neg (p\wedge \neg (q\wedge q))$

NOR (Peirceova funkce) logika

$\neg p\equiv \neg (p\vee p)$

$p\wedge q\equiv \neg (\neg p\vee \neg q)\equiv \neg (\neg (p\vee p)\vee \neg (q\vee q))$

$p\vee q\equiv \neg (\neg (p\vee q))\equiv \neg (\neg (p\vee q)\vee \neg (p\vee q))$

$p\to q\equiv \neg p\vee q\equiv \neg (p\vee p)\vee q\equiv \neg (\neg (\neg (p\vee p)\vee q)\vee \neg (\neg (p\vee p)\vee q))$

Odkazy:

• Jak funguje tranzistor - Transistors, How do they work ?
• VA charakteristika - https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/43/Threshold_formation_nowatermark.gif
• Working of Transistor as a Switch - NPN and PNP Transistors
• http://old.spsemoh.cz/vyuka/zel/tranzistory-bip.htm
• Transistor Logic NOT Gate - Inverter
• Prakticky polovodiče a tranzistory - kapitola 7
  • https://elektrokniha.cz/ebook/index.html