lekcia 2

Polovodiče

Materiál, ktorého vodivosť sa nachádza medzi vodivosťou kovov a izolantov. Ďalej možno
meniť vlastnosti materiálu pridaním cudzích látok. Základnými charakteristikami polovodiča
sú poriadok na malú vzdialenosť a energetická medzera v rozsahu 0,1 až 2 eV.
Z prvej charakteristiky vyplýva, že polovodič nemusí byť nevyhnutne monokryštalický či
polykryštalický. Stačí, aby materiál mal pravidelné usporiadanie v pomerne malom okolí.
Druhá charakteristika súvisí so vzdialenosťou valenčného a vodivostného pásma. Ak by sa
tieto pásma prekrývali, materiál by mal veľkú vodivosť. Ak by energetická medzera bola
veľká, bol by prechod elektrónov z valenčného do vodivostného pásma vplyvom tepelnej
energie, fotónov a pod. málo pravdepodobný. Významnou vlastnosťou polovodičov je, že sa
na vedení prúdu podieľajú dva typy nosičov náboja – záporne nabité elektróny a kladne nabité
diery. Diera

je fiktívna častica, predstavuje chýbajúci valenčný elektrón. Pohyb elektrónov voľnými
miestami vo valenčnom pásme má podstatne iný charakter ako pohyb elektrónov vo voľnom
priestore vodivostného pásma.
Polovodičové materiály
Z atomárnych polovodičových materiálov sú najznámejšie selén, germánium a kremík.
Kremík bol nosným materiálom rozvoja mikroelektroniky a doteraz si udržiava dominantné
postavenie. Ďalšou skupinou sú polovodičové zlúčeniny, môžu byť binárne (dvojzložkové),
ternárne (trojzložkové) atď. – ide o viaczložkové polovodiče. Zaraďujú sa do tried podľa toho,
do ktorých skupín periodickej sústavy patria jednotlivé zložky. Zložky sa označujú
symbolicky začiatočnými písmenami veľkej abecedy, skupiny periodickej sústavy rímskymi
číslicami. Napr. do triedy AlllBV patrí arzenid gália (GaAs), z triedy AllBVl sú známe sírnik
kadmia (CdS), selenid kadmia (CdSe) a ďalšie.
Dotovanie polovodiča
Čistý polovodič má pomerne veľký odpor, na vedení prúdu sa podieľajú len tie nosiče, ktoré
vznikli tepelnou generáciou. Každý polovodič charakterizuje koncentrácia týchto nosičov. Ide
o intrinzickú koncentráciu nosičov a čistý polovodič sa nazýva intrinzický. Ak sa do kremíka
pridá prvok z 3. skupiny, napr. bór, hliník, ktorý má len 3 valenčné elektróny, kým kremík
vytvára 4 valenčné väzby, nenasýtená väzba má tendenciu prijať z okolia elektrón. Takáto
prímes z 3. skupiny sa nazýva akceptor. Chýbajúci elektrón sa správa ako diera. Pridaním
akceptorov do čistého, intrinzického polovodiča sa zvýši koncentrácia dier. Získa sa
prímesový polovodič, v tomto prípade

13

Ak sa pridá do intrinzického polovodiča prvok z 5. skupiny, napr. fosfor alebo arzén, ktorý
má 5 valenčných elektrónov, jeden elektrón nebude viazaný. Tieto prímesy dodávajú
elektróny, sú preto donormi. Donormi dotovaný polovodič obsahuje podstatne viac
elektrónov, je to

PN priechod

Oblasť polovodiča (najčastejšie monokryštalického), v ktorej sa mení vodivosť (prechod

z vodivosti P na vodivosť N).

14

V časti monokryštálu označenej P kladné diery tvoria majoritné nosiče náboja. Ich zdrojom sú
trojmocné atómy akceptorov, napr. bór. Zdrojom majoritných elektrónov na strane N sú
päťmocné atómy donorov, napr. fosfor. Dotujúce atómy sú zabudované do monokryštálu už
pri jeho výrobe, resp. pri výrobe PN priechodu. V dôsledku rozdielnej koncentrácie
elektrónov a dier na obidvoch stranách PN priechodu, v okamihu vytvorenia priechodu
a teda aj rozhrania, začne difúzny pohyb majoritných nosičov na opačnú stranu priechodu.
Odchádzajúce majoritné nosiče zanechávajú za sebou nevykompenzovaný priestorový náboj
ionizovaných donorov, resp. akceptorov (vytvorí sa oblasť priestorového náboja – PN).
Vzniká vnútorné elektrické pole. Tak sa na PN priechode vytvorí potenciálová bariéra. Ak
nie je na PN priechode pripojené vonkajšie napätie, potenciálová bariéra zabraňuje ďalšiemu
difúznemu prúdu. Šírku oblasti priestorového náboja (OPN), a teda aj výšku potenciálovej
bariéry, možno ovplyvňovať pripojením vonkajšieho napätia rôznej hodnoty a polarity. Ak sa
priechod polarizuje tak, že vonkajšie elektrické pole je súhlasné s vnútorným poľom,
potenciálová bariéra na priechode a šírka OPN

Dióda polovodičová

Súčiastka s jedným PN priechodom, ktorá má nelineárnu, asymetrickú voltampérovú
charakteristiku.

Podstata činnosti polovodičovej diódy je vo využití elektrofyzikálnych vlastností PN
priechodov v objeme polovodiča alebo priechodov vznikajúcich na styku kovu
s polovodičom. K polovodičovým diódam patria všetky druhy diód, ktoré využívajú
nesymetrickú vodivosť, rôzne druhy elektrických prierezov, existenciu kapacity PN
priechodu, fotoelektrický jav na PN priechode.

Z funkčného hľadiska sa rozlišuje stabilizačná, lavínová, kapacitná, tunelová dióda,
fotodióda, Schottkyho dióda, luminiscenčná dióda a ďalšie.
Dióda usmerňovacia je druh polovodičovej diódy, ktorá využíva nesymetrickú vodivosť PN
priechodu alebo styku kov – polovodič (Schottkyho kontakt). Usmerňovacie diódy sú určené

15

na usmerňovanie striedavých prúdov. Vyznačujú sa zanedbateľným odporom pri prechode
prúdu jednej polarity a veľkým odporom pri prechode prúdu opačnej polarity. Na výrobu
usmerňovacích diód sa najčastejšie využíva monokryštalický kremík (Si). Podľa
charakteristických vlastností a usporiadania vrstiev štruktúry možno rozlíšiť tieto typy
usmerňovacích diód – výkonové, rýchle, lavínové a Schottkyho.
Dióda spínacia je súhrnným názvom pre polovodičové diódy zhotovené na spínacie účely.
Vyznačujú sa osobitne upravenou konštrukciou a vhodne prispôsobeným – technologickým
postupom, aby sa dosiahla malá kapacita PN priechodu a krátky čas života minoritných
nosičov náboja. Spínacie diódy sa vyrábajú v rôznych modifikáciách, napr. epitaxne planárne
diódy, Schottkyho diódy a pod. Východiskovým materiálom na ich výrobu je kremík (Si),
prípadne arzenid gália (GaAs). Najčastejšie sa využívajú v spínacej a impulzovej technike.
Dióda stabilizačná

sa vyznačuje prudkým zlomom závernej časti voltampérovej charakteristiky. V priamom
smere majú stabilizačné diódy rovnaké vlastnosti ako usmerňovacie diódy. V spätnom smere
pracujú v oblasti nedeštruktívneho prierezu spôsobeného prevažne lavínovým javom alebo
Zennerovým javom. V prechodnej oblasti sa uplatňujú obidva javy. základným materiálom na
výrobu stabilizačných diód je monokryštalický kremík (Si). Tieto diódy sú určené na
stabilizáciu napätia alebo ako napäťový normál na získanie referenčného napätia, ďalej sa
používajú v generátoroch „sínusových priebehoch napätia“, pri istení elektronických obvodov
proti prepätiu a pod.
Fotodióda je druh polovodičovej diódy, v ktorej pohlcované svetelné žiarenie vyvoláva
zmenu jej elektrických vlastností. Pôsobením dopadajúceho žiarenia vznikajú v polovodiči
dvojice elektrón – diera. Na svorkách vzniká pôsobením žiarenia fotoelektromotorické napätie
a dopadajúce žiarenie ovplyvňuje odpor PN priechodu v spätnom smere. Z princípu fotodiódy
vyplýva, že môže pracovať bez vonkajšieho zdroja elektrického napätia – hradlové fotodiódy
(fotoelektrické články) alebo s vonkajším predpätím v spätnom smere – odporové fotodiódy.
Hradlové fotodiódy sa využívajú na konštrukciu kremíkových slnečných batérií (premena
žiarivej – svetelnej energie na elektrickú). Odporové fotodiódy sa používajú na
zaznamenávanie modulovaného svetla, ako detektory v meracej a regulačnej technike atď.
Schottkyho dióda je polovodičová dióda, ktorá využíva usmerňovacie vlastnosti rozhrania
kov – polovodič (Schottkyho bariéry). V porovnaní s bežnými polovodičovými diódami sa
Schottkyho diódy porovnateľných rozmerov vyznačujú kratším časom zotavenia v spätnom
smere a menším úbytkom napätia v priamom smere.
Na výrobu Schottkyho diódy sa používa najčastejšie monokryštalický kremík (Si) alebo
arzenid gália (GaAs), kovový kontakt tvorí napr. zlato (Au), hliník (Al) alebo iný kov, resp.
kombinácia kovov.
Schottkyho diódy majú veľmi dobré dynamické a statické vlastnosti. Používajú sa ako
detektory, ako spínacie diódy, tiež na usmerňovanie a pod. Ďalej sa využívajú
v integrovaných obvodoch na zvýšenie spínacej rýchlosti tranzistorov a v optoelektronike.

16

Tranzistor

Aktívna polovodičová súčiastka prevažne s tromi elektródami, ktorá slúži na spracovanie
signálov, napr. generovanie, resp. zosilnenie elektrických signálov, premenu neelektrických
signálov na elektrické a pod. Objav tranzistora má veľký význam nielen pre oblasť
elektroniky a techniky. Americkí fyzici John Bardeen a Walter Brattain svojím objavom
v decembri r. 1947, ako aj William Schockley a ďalší, umožnili svojimi výskumami rozvoj
polovodičovej techniky a od začiatku 60. rokov aj mikroelektroniky.

Základnou aktívnou súčiastkou prvej polovice tohto storočia bola elektrónka. Aj keď
tranzistor zo začiatku nedosahoval vo všetkých smeroch parametre elektróny, ďalším
vývojom sa podarilo ju nielen nahradiť, ale aj prekonať všetky jej funkcie a parametre.
Využitie tranzistora, či už v diskrétnej forme, ale najmä ako základného prvku integrovaného
obvodu, predstavuje výrazné zmenšenie rozmerov a hmotnosti, spotreby energie a zvýšenie
životnosti a spoľahlivosti zariadení.
Po prvom hrotovom a zlievanom tranzistore sa objavili ďalšie typy. Z hľadiska princípu
činnosti možno tranzistory rozdeliť do dvoch základných skupín: bipolárne a unipolárne.
Do r. 1960 boli známe prakticky len bipolárne tranzistory, hoci už v r. 1952 bol analyzovaný
a v r. 1953 aj vyrobený prvý unipolárny tranzistor – JFET. V unipolárnom tranzistore vytvára
prúd len jeden typ nosičov náboja – elektróny alebo diery. V bipolárnom tranzistore sa na
vedení prúdu podieľajú oba typy nosičov náboja.

V roku 1960 bol vyrobený prvý MOS tranzistor ako druhý zástupca širokej skupiny
unipolárnych tranzistorov. Unipolárne tranzistory sa nazývajú aj tranzistory riadené poľom
a označujú sa medzinárodne zaužívanou skratkou FET (Field-Effect Transistor). Tento
názov vystihuje základnú podstatu činnosti tranzistorov – riadenie činnosti tranzistora
elektrickým poľom. Dôležité kritérium rozdelenia tranzistorov je hľadiska praktického
použitia. Základnou skupinou sú nízkofrekvenčné tranzistory, ktoré pracujú pri frekvenciách
rádovo do 10 MHz s výkonovou stratou zvyčajne do 1 W, niekedy niekoľko W. Na tieto účely
sa používajú bipolárne tranzistory PNP aj NPN, MOS tranzistory a tranzistory JFET

17

Bipolárny Tranzistor

Je polovodičová súčiastka, ktorá v podstate predstavuje antisériovú kombináciu dvoch
prechodov PN, ktoré sú v jednom monokryštáli usporiadané tak, že jedna z oblastí je spoločné
pre obidva prechody. Táto spoločná oblasti sa nazýva báza (B). Ďalšie dve oblasti majú
opačný typ vodivosti ako báza a nazývajú sa emitor (E) a kolektor (C). Emitor má podstatne
väčšiu koncentráciu prímesí ako kolektor. Jeho výroba sa začala objavom v r. 1948 a je
najstarším sériovo vyrábaným tranzistorom.
Bipolárny tranzistor je trojvrstvová štruktúra s dvoma PN priechodmi. Podľa usporiadania
jednotlivých oblastí existuje NPN tranzistor a PNP tranzistor

Princíp činnosti obidvoch je rovnaký, líšia sa opačnou polaritou pripojených napätí a typom
vodivosti jednotlivých oblastí.
Zapojenie SE: a)

18

toto zapojenie dobre zosilňuje napätie, prúd i výkon. Vstupný aj výstupný odpor je približne
rovnaký.
Zapojenie SB: b)
Zapojenie SB zosilňuje napätie aj výkon asi 10x. Prúdové zosilnenie je menšie ako 1.
Výstupný odpor tohto zapojenia je veľký, vstupný odpor je malý.
Zapojenie SC – emitorový sledovač c)
Napäťové zosilnenie je o málo väčšie ako 1. Prúdové a výkonové zosilnenie je veľké.
Vstupný odpor je veľmi veľký a výstupný malý.

MOS Tranzistor

MOS štruktúra (z angl. Metal Oxide Semiconductor) – Základný stavebný prvok MOS
tranzistora a súčasne významný prostriedok skúmania niektorých vlastností povrchu
polovodiča a kontroly kvality technologického procesu výroby.
Štruktúra MOS pozostáva z polovodičového substrátu, na ktorom je tenká vrstva oxidu
kremíka (hrúbky 100nm a menej) a na nej potom vrstva kovu.

Často sa používa aj všeobecnejšie označenie MIS štruktúra (Metal Insulator Semiconductor).
MOS štruktúru možno chápať ako kondenzátor, ktorého elektródy tvoria elektróda G (Gate –
hradlo) a polovodič B (Bulk – substrát).
Kremíkový substrát (polovodič s vodivosťou P) sa uzemní a na hradlo G privedie záporné
napätie. Na povrchu polovodiča sa nahromadí kladný náboj, tvorený majoritnými dierami.
Pretože koncentrácia majoritných nosičov na povrchu polovodiča je vyššia ako v objeme,
vytvorí sa akumulovaná (obohatená) vrstva.
MOS tranzistor (z angl. Metal Oxide Semiconductor) – Najviac používaný typ unipolárneho
tranzistora, ktorého prúd sa vedie len jedným typom nosičov náboja. Pretože veľkosť prúdu
medzi kolektorom D (Drain) a emitorom S (Source) je ovládaná len veľkosťou napätia na
riadiacej elektróde – hradle G (Gate), patrí aj do skupiny tranzistorov riadených poľom –
FET tranzistory (Field Effect Transistor). Podobne ako pri MOS štruktúre, ktorá je
principiálnym základom činnosti MOS tranzistora, sa používa alternatívne označenie MIS
tranzistor. Osobitné postavenie má tranzistor NMOS s izolačnou dvojvrstvou oxidu
a nitridu kremíka (SIO2 – Si3N4). Vytvorením dvoch oblastí s opačnou vodivosťou ako je
vodivosť substrátu, po okrajoch MOS štruktúry, získa sa MOS tranzistor.

19

Ak sa pripojí napätie ľubovoľnej polarity medzi emitor a kolektor tranzistora, jeden PN
priechod je vždy polarizovaný záverne. Tranzistorom nebude pretekať prúd. Ak sa na hradlo
G MOS tranzistora privedie dostatočné napätie, vytvorí sa inverzná vrstva – kanál, ktorý
prepojí oblasti emitora a kolektora. Napätie na hradle, ktoré práve vytvorí kanál, sa nazýva
prahové napätie UT. Ak sa hodnota prahového napätia prekročí, tranzistor je vodivý, je
v zapnutom stave. Čím vyššie napätie bude na hradle, tým vyššia bude koncentrácia
elektrónov v kanáli a tým bude tranzistor vodivejší. Po pripojení napätia medzi emitor
a kolektor tečie tranzistorom kolektorový prúd.

Nelineárne impulzné obvody

Na spracovanie impulzných signálov sa najčastejšie používajú obvody s polovodičovými
prvkami. Pritom sa využíva ich nelineárna charakteristika. Podľa druhu použitých
polovodičových prvkov, obvody delíme na diódové a tranzistorové impulzné obvody.
Diódové impulzné obvody:
Ukážeme na príklade logického diódového obvodu prenosové vlastnosti týchto obvodov.

Dva vstupné obvody A, B. Výstup bod D. Úrovne signálov zvoľme L=0V, H=+15V.
Predpokladajme idealizované vlastnosti diód a rezistora, ďalej zanedbáme indukčnosti obvodu
a kapacitu celej výstupnej časti obvodu zahrnieme do náhradnej kapacity Cp. Ak je na
vstupoch A, B úroveň L obe diódy sú bez napätia. Na výstupe je L. Diagram napätí na
diódovom logickom obvode (viď obrázok hore).
Snahou je dosiahnuť čo najkratšie dobehové doby. Volíme čo najmenšiu hodnotu pracovného
odporu R a konštrukčnou úpravou sa snažíme dosiahnuť čo najmenšiu hodnotu parazitnej
kapacity.

20

Tranzistorové bipolárne impulzné obvody
V tejto časti ukážeme dynamické vlastnosti bipolárneho spínacieho stupňa. Vychádzame zo
zapojenia na obr.

Pri náhlom prechode vstupného napätia z jednej úrovne do druhej sa zmena výstupného
napätia oneskoruje. To spôsobujú dynamické vlastnosti stupňa. Na diagrame na obr.

si zobrazíme jednotlivé vodivostné oblasti tranzistora.

Unipolárne integrované obvody
V krátkosti uvedieme činnosť unipolárnych obvodov. Unipolárne stupne (invertory) sa robia
pri sériovom zapojení tranzistorov. Okrem aktívneho tranzistora sa používa ďalší FET vo
funkcii pracovného odporu namiesto odporníka. Schéma zapojenia takého obvodu je na obr.

21

Uvažujeme, že kanály oboch tranzistorov sú typu N, vtedy je napájacie napätie Ucc=+5V.
Úrovne signálov sú blízke hodnotám H=5V, L=5V. Stupeň má funkciu invertora. Na výstupe
je signál vždy opačný. Prevodová charakteristika takéhoto stupňa je na obr.(viď hore). Na
báze takýchto unipolárnych stupňov je možné zostavovať integrované obvody. Touto
technológiou sú zostavené hlavne obvody – pamäťové a to typu CMOS, PMOS, NMOS.

22