Princip činnosti polovodičových prvků

Základem funkce všech logických obvodů jsou polovodičové součástky. Využívá se hlavně příměsoých polovodičů: do krystalické mřížky například křemíku se přidává lehká příměs (třeba i jen tisícina procenta), která výrazně upravuje vodivost polovodiče. Ke křemíku se často přidává třímocný prvek, třeba hliník, pro vznik tzv. děr (polovodič se stává akceptorem), nebo pětimocný prvek, např. germanium, pro přebytek elektronů (polovodič se nazývá donor, dárce).

Diode

Realizována jako PN přechod. P a N jsou polovodiče, většinou z křemíku. P (pozitivní, anoda, +) obsahuje díry, N (negativní, katoda, −) elektrony. Při přívedení napětí ve správném směru, dioda proud propouští, v opačném směru ne (pokud nedojde k proražení diody). Slouží tedy jako usměrňovač. Aby dioda proud propouštěla, musí na ní být nějaké minimální napětí, aby elektrony zaplnily díry. Toto napětí bývá většinou kolem 0,7 V.

Dioda je propustná ve směru P→N. Pokud přivedeme dostatečný proud v nepropustném směru, diodu „propálíme“ (jsou ale i diody, které to přežijou a pak můžou dál fungovat).

Transistor

Bipolar junction transistor

Bipolární tranzistor si lze představit jako dvě diody se společnou anodou. Je to součástka se třemi nožičkami, označenými jako kolektor, báze a emitor. Tranzistory se vyrábějí ve dvou variantách NPN¹⁾ (častější, symbol na obrázku) a PNP. O jeho činnosti můžeme zjednodušeně říct, že z kolektoru na emitor propustí βnásobek proudu na bázi. β je katalogová hodnota, většinou se pohybuje v rozsahu 50–150. Pokud je tedy β například 100, a na bázi přivedeme 1 mA, může být proud z kolektoru na emitor až 100 mA.

Trocha fyziky: bipolární tranzistor používá k přenosu proudu jak elektrony (volné elektrony v materiálu N), tak díry (chybějící elektrony materiálu P). Po přivedení dostatečného napětí na bázi se stane přechod NPN vodivým.

Tranzistor lze také použít jako spínač. V tomto zapojení bude malý (snížený pomocí rezistoru) proud I_BE řídit větší proud I_CE.

Unipolární tranzistor je dnes hodně používaný například v počítačích – téměř nahradil bipolární tranzistory. Hlavní rozdíl z fyzikálního hlediska je takový, že unipolární tranzistor používá buď jen díry, nebo jen elektrony pro přenos náboje. Tyto tranzistory se nazývají také „polem řízené“. Hlavní výhodou v užití je to, že unipolární tranzistory generují o hodně méně tepla, než bipolární, takže se hodí lépe do čipů. Taky mají vysoké použití v zesilovací technice, protože způsobují malé zkreslení.

Příklad unipolárního tranzistoru je MOSFET.

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (ehm, doplňující se kov-oxid-polovodič?) je technologie používaná na většině integrovaných obvodů. Využívá tranzistorů MOSFET typu n a p. MOSFET mají podstatnou výhodu v tom, že jsou oproti jiným tranzistorům efektivnější – žerou prostě míň proudu.

Důležité je v obvodech rozpoznávat značky negace. Pro negaci se používá kolečko na vstupech nebo výstupech. Negace převrací signál z logické 0 na 1 a naopak. Jinak vám obvody nebudou vycházet . Taky je potřeba rozpoznat, jestli tranzistor propouští proud při 0 nebo při 1 (na bázi). Na obrázku s NAND je toto řešeno tak, že pokud má propouštět tranzistor při 0 na bázi, je tam ještě znaménko negace. U NOR je typ tranzisotru rozlišen šipkou – pokud vede doprava, propouští při 0.

Dokud je alespoň jeden ze vstupů nastavený na nízké napětí, je výstup skrze alespoň jeden vrchní tranzistor připojen na vysoké napětí a tedy ve stavu logické 1. Jakmile jsou oba vstupy v logické 1, je vysoké napětí nahoře odstriženo a výstup je spojený skrze spodní tranzistory k zemi, tedy 0 V, logická 0.

Interaktivní ukázka

Pokud je přivedeno vysoké napětí na jeden ze vstupů, je otevřen tranzistor, který spojí výstup se zemí (nastaví na výstupu 0 V, logická 0). Pokud jsou oba vstupy nastavené na 0, jsou oba vrchní tranzistory v propustném stavu a spojí vysoké napětí s výstupem (+5 V, logická 1).

Interaktivní ukázka

• polovodič: používají se nevlastní (příměsové) polovodiče, většinou je základem křemík, typ P a N ⇒ PN přechod, hradlová vrstva
• logické obvody používají polovodičové součástky
• dioda: průchodná ve směru P-N, čili na P přivedeme kladné napětí, většinou je třeba 0,6-0,7V minimálně
• bipolární tranzistor: nosičem jsou díry i elektrony
• unipolární tranzistor: nosičem je jen jeden z výše zmíněných, efektivnější, přesnější
• pokud přivedeme napětí na bázi (oproti emitoru), tranzistor se ve směru kolektor-emitor otevírá (u unipolárního přivádíme na gate, aby se otevřel směr source-drain)
• tranzistor může sloužit jako zesilovač proudu, nebo jako přepínač
• 2 typy, buď propouští při log 0, nebo při log 1
• CMOS: technologie pro výrobu logických hradel pomocí tranzistorů MOSFET
• MOSFET: někdy nazývané „řízené polem“, efektivní, málo tepla, typ N nebo P
• NAND a NOR hradla - zapojení tranzistorů za cílem realizace log. funkce

• Diodu lze prorazit, tj. vést proud i v závěrném směru, v propustném směru vede proud běžně od napětí asi 0,7 voltu²⁾, jinak nevodí vůbec, dioda, kterou lze nedestruktivně prorazit je Zenerova
• důvod použití unipolárních (MOSFET) v čipech – méně tepla, menší spotřeba
• při použití tranzistoru jako zesilovače vodí násobek proudu přiváděného na bázi-gate
• log. hradla mají obvykle 2 vstupy, hodnoty jsou log. 0 nebo 1, čemuž odpovídá nějaké napětí (např 0 V a 5 V), dále do hradla vede zvlášť vstupní napětí (log 1) a uzemnění (log 0), tyto 2 hodnoty se na základě vstupů připojují na výstup (tedy nepřipojují se na výstup vstupy)