Princip činnosti polovodičových prvků

Otázka

Princip činnosti polovodičových prvků (dioda, bipolární a unipolární tranzistor ve spínacím režimu, realizace logických členů NAND a NOR v technologii CMOS)

Polovodiče

Základem polovodičových materiálů jsou prvky ze IV. skupiny Mendelejevovy periodické soustavy (germanium, křemík). V praxi se ustálilo používání křemíku. Pro prvky IV. skupiny Mendelejevovy periodické soustavy je charakteristické, že jejich atomy obsahují ve valenční sféře 4 elektrony, kterými uskutecnují krystalickou vazbu se sousedními atomy. Významným technologickým krokem bylo vytvoření dvou typu polovodičových materiálů:

• tzv. polovodiče s vodivostí typu N
• tzv. polovodiče s vodivostí typu P

Jedná se o speciální technologický proces, při kterém se k pravidelné krystalické struktuře některých atomů křemíku přidá při vysoké teplotě (a) pětimocný prvek (s pěti valenčními elektrony), který vytvoří vazbu svými čtyřmi elektrony, takže vzniká "volný elektron" pro případné vedení proudu (jde o tzv. elektronovou vodivost a vytváří se polovodiče typu N – negativní). (b) třímocný prvek (se třemi valenčními elektrony), který vytvoří vazbu svými třemi elektrony, takže vzniká "volná díra" pro případné vedení proudu (jde o tzv. děrovou vodivost a vytváří se polovodiče typu P – pozitivní).

Pozn.: V souvislosti s materiálem typu N a P se hovoří o tzv. majoritních (většinových) a minoritních (menšinových) nosičích proudu. V polovodičích typu N jsou majoritními nosiči elektrony a minoritními nosiči díry (minoritní nosiče vznikají nepravidelností krystalické mrížky). Podobně v polovodičích typu P jsou majoritními nosiči díry a minoritními nosiči elektrony.