Polovodičové prvky V současných počítačových systémech jsou logické obvody realizovány polovodičovými prvky. Základem polovodičových prvků je obvykle čtyřmocný (obsahuje 4 valenční elektrony) krystal křemíku (Si). Čisté krystaly křemíku mají za pokojové teploty jen velmi malou elektrickou vodivost. Pokud ale do jejich krystalové mřížky zabudujeme některé jiné prvky (tzv. příměsy), jejich vodivost se podstatně zvýší.
Rozdělení látek podle elektrické vodivosti
křemík
-1-
Typy polovodičů Pokud dotujeme krystal křemíku pětimocným prvkem (např arsenem (As) nebo fosforem (P) ), zůstanou v krystalu, po zabudování příměsi do atomové mřížky, volné elektrony.
Pokud takto dotovaný krystal vložíme do elektrického pole, volné elektrony se začnou pohybovat. Elektrická vodivost krystalu se podstatně zvýší. Takto dotovaný krystal se nazývá polovodič typu N. Prvek, kterým jsme křemík dotovali, se nazývá donor. Pokud krystal křemíku dotujeme třímocným prvkem (např. galiem (Ga) nebo indiem (In)), zůstanou v krystalové mřížce křemíku některé vazby neobsazeny. V místě těchto neobsazených vazeb vzniknou tzv. díry.
Pokud krystal vložíme do elektrického pole, jsou některé elektrony z krystalové mřížky vytrženy, začnou se pohybovat ve směru elektrického pole a záhy jsou pohlceny některou ze sousedních děr. Elektrický proud tedy vzniká přesunem elektronů mezi sousedními atomy krystalové mřížky. Tento proud se jeví také tak, jako kdyby se díry pohybovaly v opačném směru než se přemisťují elektrony. Takto dotovaný krystal se také nazývá polovodič typu P. Prvek, kterým byl krystal dotován se nazývá akceptor.
-2-
Základní polovodičové prvky Dioda
difuze (průnik) děr N − − −
+
−
+
−
+
−
+
−
difuze elektronů
P + + +
Nevodivá oblast
Dioda v propustném a závěrném směru Dioda bez vnějšího elektrického pole
Dioda v propustném směru - diodou prochází elektrický proud
Dioda v závěrném směru - diodou neprochází elektrický proud
-3-
Tranzistor Tranzistory se dělí na dvě základní skupiny: Transistory řízené proudem (bipolární tranzistory): typ NPN typ PNP
Tranzistory řízené elektrickým polem : FET (field effect transistors) MOSFET , MOS (metal oxide transistors)
Bipolární tranzistory Funkce tranzistoru (typu NPN) spočívá v tranzistorovém jevu: Pokud přechod emitor-báze polarizujeme v propustném směru a přechod bázekolektor v závěrném směru, začne tranzistorem téci bázový proud (Ib) a kolektorový proud (Ic).
-4-
Ic = h Ib , kde h je tzv. stejnosměrný zesilovací činitel tranzistoru.
emitor
báze
kolektor
N
P
N
Schematická značka tranzistoru NPN kolektor
emitor
Ic
Ic
Rb
Ib
Rc báze
−
+
−
+
-5-
Bipolární tranzistor jako zesilovač:
+Uc vout
>
vin Rc
vout
Rb vin
~
Realizace invertoru bipolárním tranzistorem Pokud je vstup tranzistoru vin na úrovni L, je tranzistor uzavřen a jeho výstup vout je roven napětí zdroje Uc a je tedy na úrovni H. Pokud je vstup tranzistoru vin na úrovni H, je tranzistor otevřen. Průchod kolektorového proudu Ic odporem Rc způsobí úbytek napětí na výstupu: vout = Uc - Rc·Ic Parametry obvodu musí být stanoveny tak, aby v tomto případě výstup vout byl na úrovni L.
+Uc Rc vin
L H
Ic vout
-6-
vin
0 1
H L
vout
1 0
Realizace NAND a NOR bipolárními tranzistory Varianta A
V positivní logice obvod realizuje NAND: v2 vout v1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
+U c Rc
v out
v2 v1
v1 L L H H
v2 L H L H
V negativní logice obvod realizuje NOR: v2 vout v1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
vout H H H L
Varianta B
+Uc Rc
vout
v1
v2
v1 L L H H
v2 L H L H
vout H L L L
V positivní logice obvod realizuje NOR: v1 v2 vout 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 V negativní logice obvod realizuje NAND: v1 1 1 0 0
-7-
v2 1 0 1 0
vout 0 1 1 1
Příklad – realizace obvodu p ⇔ q Zapojení logického obvodu složeného pouze z hradel NAND
xp q
y
f
Realizace obvodu bipolárními tranzistory (v pozitivní logice)
-8-
Konkrétní výroba invertoru - ukázka
Tranzistory řízené elektrickým polem - MOS tranzistory Tranzistory MOS (Metal Oxid Semiconductor) jsou dvojího druhu: s indukovaným kanálem. s vodivým kanálem. Oba druhy mohou mít indukovaný nebo vodivý kanál typu N a pak je označujeme jako NMOS (Negative MOS) typu P a pak je označujeme jako PMOS (Positive MOS)
-9-
NMOS transistor s indukovaným kanálem Tranzistor je vytvořen na nosné destičce polovodiče typu P, který je zároveň velmi slabě dotován donorem. Na destičce je vytvořena oblast emitoru (angl. source) a kolektoru (angl. drain) silnou dotací donorem. Nosná destička polovodiče P je pokryta izolační vrstvou z oxidu křemíku (SiO2). Řídící elektroda (gate, hradlo) leží těsně nad izolační vrstvou mezi emitorem a kolektorem. S polovodičovou destičkou nemá žádné vodivé spojení.
Schematická značka NM OS transistoru
D
G
S K ov (hliník) S
N+
D
G (+)
isolátor SiO 2 N
N+ P Indukovaný kanál N
Při přiložení kladného Ug napětí na hradlo (G) se vytvoří (indukuje) kanál N mezi emitorem (S) a kolektorem (D). Pokud přiložíme zároveň kladné napětí na kolektor, začne tranzistorem protékat proud Id , pro který platí: Id = ( 1 / rd ,ON ) Ug
kde konstanta úměrnosti rd ,ON se nazývá kolektorový odpor (drain resistance) a její hodnota se pohybuje v rozmezí 100 Ω -100 kΩ . Velikost napětí na hradle Ug tedy řídí velikost kolektorového proudu Id . Tranzistor pracuje jako zesilovač řízený napětím.
- 10 -
Realizace NAND a NOR tranzistory MOS
V positivní logice NAND
V positivní logice NOR
+Uc
+Uc
vout
v1
vout v1
v2
v2
Obvody CMOS (Complementary MOS) Je-li na vstupu vin úroveň H, je tranzistor T2 otevřen. Na řídící elektrodě je kladné napětí vzhledem k polovodičové destičce a mezi emitorem a kolektorem vznikne proto vodivý kanál typu N, který vodivě spojuje výstup vout se zemí. Tranzistor T1 je uzavřen, protože potenciál na vstupu a na polovodičové destičce je zhruba stejný a vodivý kanál P (jedná se o PMOS tranzistor) nemůže vzniknout. Výstup vout je proto na potenciálu země a tedy na úrovni L . Je-li na vstupu vin úroveň L, je tranzistor T1 otevřen a tranzistor T2 uzavřen. Výstup vout je proto na potenciálu Uc a tedy na úrovni H.
Invertor +Uc
T1
vin
T2
- 11 -
vout
hradlo NAND
hradlo NOR
- 12 -
