Polovodičov ové prvky 4.přednáška
Polovodiče 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. Buchtela@pef.czu.cz 2
Donor 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. Buchtela@pef.czu.cz 3
Akceptor 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. Buchtela@pef.czu.cz 4
Základní polovodičov ové prvky
PN přechod p - dioda difuze (průnik) děr N + + + P + + + + difuze elektronů Buchtela@pef.czu.cz 6
Dioda v propustném m směru N + + + + + + + + P + Buchtela@pef.czu.cz 7
Dioda v závěrnz rném m směru N + P + + + + + + + Buchtela@pef.czu.cz 8
Zapojení diody Polarizace diody v propustném směru, obvodem teče proud + I Polarizace diody v závěrném směru, obvodem proud neteče + Buchtela@pef.czu.cz 9
Tranzistor Tranzistory se dělí na dvě základní skupiny: Tranzistory řízené proudem (bipolární tranzistory): typ NPN typ PNP Tranzistory řízené elektrickým polem : FET (field effect transistors) MOSFET, MOS (metal oxide transistors) Buchtela@pef.czu.cz 10
Bipolárn rní tranzistory
Bipolárn rní tranzistor typ NPN Funkce tranzistoru spočívá v tranzistorovém jevu: Pokud přechod emitorbáze polarizujeme v propustném směru a přechod báze-kolektor v závěrném směru, začne tranzistorem téci bázový proud (I b ) a kolektorový proud (I c ). emitor báze kolektor Buchtela@pef.czu.cz 12
Bipolárn rní tranzistor Platí: 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 + + Buchtela@pef.czu.cz 13
Tranzistor jako zesilovač +U c v out > v in R b R c v out v in ~ Buchtela@pef.czu.cz 14
Realizace invertoru tranzistorem Pokud je vstup tranzistoru v in na úrovni L, je tranzistor uzavřen a jeho výstup v out je roven napětí zdroje U c a je tedy na úrovni H. R c +U c I c 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: v out = U c - R c I c v in v out Parametry obvodu musí být stanoveny tak, aby v tomto případě výstup v out byl na úrovni L. v in v out L 0 H 1 H 1 L 0 Buchtela@pef.czu.cz 15
Realizace NAND a NOR v 2 v 1 R c +U c v out V pozitivní logice obvod realizuje NAND: v 1 v 2 v out 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 v 1 v 2 v out L L H L H H H L H H H L V negativní logice obvod realizuje NOR: v 1 v 2 v out 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Buchtela@pef.czu.cz 16
R c +U c v 2 v 1 v 1 v 2 v out L L H L H L H L L H H L Realizace NAND a NOR v out V pozitivní logice obvod realizuje NOR: v 1 v 2 v out 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 V negativní logice obvod realizuje NAND: v 1 v 2 v out 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 Buchtela@pef.czu.cz 17
Příklad realizace obvodu p q x p q y f Buchtela@pef.czu.cz 18
Příklad realizace obvodu p q Buchtela@pef.czu.cz 19
Konkrétn tní výroba invertoru Buchtela@pef.czu.cz 20
Tranzistory řízené elektrickým polem
MOS tranzistory Tranzistory MOS (Metal Oxid Semiconductor) jsou dvojího druhu: s indukovaným kanálem. s vodivým kanálem. Oba druhy mohou mít kanál typu N a pak je označujeme jako NMOS (Negative MOS) typu P a pak je označujeme jako PMOS (Positive MOS) Buchtela@pef.czu.cz 22
NMOS tranzistor 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 tranzistoru G S D Kov (hliník) S G (+) D isolátor SiO 2 N + N N + P Indukovaný kanál N Buchtela@pef.czu.cz 23
Funkce NMOS tranzistoru 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,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 I d. Tranzistor pracuje jako zesilovač řízený napětím. Buchtela@pef.czu.cz 24
Realizace NAND a NOR tranzistory MOS V pozitivní logice NAND V pozitivní logice NOR +U c +U c v 1 v out v out v 2 v 1 v 2 Buchtela@pef.czu.cz 25
Obvody CMOS 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 v out 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 v out je proto na potenciálu země a tedy na úrovni L. ( Complementary MOS ) Invertor +U c T 1 v in v out T 2 Je-li na vstupu v in úroveň L, je tranzistor T 1 otevřen a tranzistor T 2 uzavřen. Výstup v out je proto na potenciálu U c a tedy na úrovni H. Buchtela@pef.czu.cz 26
Obvody CMOS hradlo NAND hradlo NOR Buchtela@pef.czu.cz 27
Integrované obvody
Integrované obvody Integrovaný obvod (chip, čip) je čtvercová destička křemíku o rozměru kolem 5 5 mm, umístěná v plastovém nebo keramickém pouzdru. Keramické pouzdro má určitý počet nožiček (pinů), typicky 14, 16, 18, 22, 24, 28, 40 nebo 64. Nožičky jsou vodivě spojeny se vstupy a výstupy na destičce realizovaného obvodu a s místy na čipu, kam je třeba přivést napájecí napětí a zem. Pohled shora Pohled dovnitř destička s hradly Buchtela@pef.czu.cz 29
Stupeň integrace čipu SSI (Small scale integration) Tyto obvody obsahují zhruba 1-10 hradel. Typický SSI obvod je obvod 7400 firmy Texas Instruments, na kterém jsou realizována 4 hradla NAND. MSI (Medium scale Integration) Tyto obvody obsahují 10-100 hradel. Tuto integraci vyžaduje realizace dekodérů, čítačů, multiplexorů atd. LSI (Large scale integration) Tyto obvody obsahují 100-100 000 hradel. S touto integrací bývají realizovány jednoduché mikroprocesory (např. osmibitový procesor Intel 8080) a paměti s menší kapacitou. VLSI (Very large scale integration ) Tyto obvody obsahují více než 100 000 hradel. S touto integrací jsou realizovány velké paměti a složité mikroprocesory jako např. procesor PENTIUM firmy Intel. Buchtela@pef.czu.cz 30
Integrovaný obvod 4 x NAND 7400 Texas Instruments SN74LS00 Motorola Buchtela@pef.czu.cz 31
Technologie integrovaných obvodů TTL (Transistor Transistor Logic) nejstarší a dosud nejrozšířenější technologie při výrobě obvodů SSI a MSI základním prvkem bipolární tranzistory rychlá hradla zpoždění okolo 12 ns jediné napájecí napětí +5V velká spotřeba elektrické energie velké zahřívání obvodů velmi rychlé malé paměti a rychlé a relativně výkonné pomocné obvody Buchtela@pef.czu.cz 32
Technologie integrovaných obvodů ECL (Emitor Coupled Logic ) hradla opět realizována bipolárními tranzistory tranzistory se nedostávají do stavu úplného uzavření nebo do stavu úplného otevření velmi rychlá hradla zpoždění okolo 1 ns velká spotřeba elektrické energie velké zahřívání obvodů rychlé paměti RWM a rychlé měřící a řídící počítače Buchtela@pef.czu.cz 33
Technologie integrovaných obvodů MOS-P, MOS-N hradla realizována PMOS a NMOS tranzistory doba odezvy 1-5 µs malá spotřeba elektrické energie menší zahřívání obvodů vyšší stupeň integrace než TTL technologie se již příliš nepoužívá monolitické mikroprocesory a paměti RWM-RAM s kapacitou 1Mb Buchtela@pef.czu.cz 34
Technologie integrovaných obvodů CMOS (Complementary MOS) použití tranzistoru NMOS jako základního spínacího prvku s aktivní zátěží tvořenou tranzistorem PMOS napájecí napětí 3-18V doba odezvy řádově ns velmi nízká spotřeba energie obvody malé až velmi vysoké hustoty integrace náchylné na vysoké statické napětí většina logických obvodů, operační paměti, mikroprocesory Buchtela@pef.czu.cz 35
Technologie integrovaných obvodů CCD (charge coupled devices) přenos náboje na parazitních kapacitách soustavou elektrod vytvořených technologií MOS pro velkokapacitní dynamické posuvné registry možná konkurence diskových pamětí Buchtela@pef.czu.cz 36
Historie vývoje integrovaných obvodů 1960 1968 1969 1980 1985 1993 Integrované obvody: J.Kilby, R.A.Noyce (Fairchaild) Založení firmy INTEL (R. Noyce, G. Moore) T. Hoff navrhuje mikroprocesor (INTEL 4004) pro kalkulačky Vývoj mikroprocesorů: Motorola(Apple), INTEL( IBM PC) RISC procesory (ALPHA firmy DEC, POWER PC IBM) procesor Intel 386 technologie CMOS procesor Pentium mikrometrová technologie CMOS Buchtela@pef.czu.cz 37
Děkuji za pozornost! Příští přednáška: Kombinační logické obvody