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 P difuze elektronů 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 (I b ) a kolektorový proud (I c ). - 4 -
I c = h I b, kde h je tzv. stejnosměrný zesilovací činitel tranzistoru. emitor báze kolektor N P N Schematická značka tranzistoru NPN emitor kolektor I c I b R b I c R c báze - 5 -
Bipolární tranzistor jako zesilovač: > v in R b R c v in ~ Realizace invertoru bipolárním tranzistorem Pokud je vstup tranzistoru v in na úrovni L, je tranzistor uzavřen a jeho výstup je roven napětí zdroje U c a je tedy na úrovni H. Pokud je vstup tranzistoru v in na úrovni H, je tranzistor otevřen. Průchod kolektorového proudu I c odporem R c způsobí úbytek napětí na výstupu: = U c - R c I c Parametry obvodu musí být stanoveny tak, aby v tomto případě výstup byl na úrovni L. v in R c I c v in L 0 H 1 H 1 L 0-6 -
Realizace NAND a NOR bipolárními tranzistory Varianta A R c v 2 v 1 v 1 v 2 L L H L H H H L H H H L V positivní logice obvod realizuje NAND: v 1 v 2 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 V negativní logice obvod realizuje NOR: v 1 v 2 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Varianta B R c v 2 v 1 v 1 v 2 L L H L H L H L L H H L V positivní logice obvod realizuje NOR: v 1 v 2 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 V negativní logice obvod realizuje NAND: v 1 v 2 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1-7 -
Příklad realizace obvodu p q Zapojení logického obvodu složeného pouze z hradel NAND x p 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 NMOS transistoru G S D Kov (hliník) S G () D isolátor SiO 2 N N N P Indukovaný kanál N Při přiložení kladného U g 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 I d, pro který platí: I d = ( 1 / r d,on ) U g kde konstanta úměrnosti r d,o N 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 I d. Tranzistor pracuje jako zesilovač řízený napětím. - 10 -
Realizace NAND a NOR tranzistory MOS V positivní logice NAND V positivní logice NOR v 1 v 2 v 1 v 2 Obvody CMOS (Complementary MOS) Je-li na vstupu v in úroveň H, je tranzistor T 2 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 se zemí. Tranzistor T 1 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 je proto na potenciálu země a tedy na úrovni L. Je-li na vstupu v in úroveň L, je tranzistor T 1 otevřen a tranzistor T 2 uzavřen. Výstup je proto na potenciálu U c a tedy na úrovni H. Invertor v in T 1 T 2-11 -
hradlo NAND hradlo NOR - 12 -