Transistoren Teil 2. Leiter, Isolatoren und Halbleiter

Beginn des Artikels: Transistorgeschichte, Transistoren: Zweck, Vorrichtung und Funktionsprinzipien

In der Elektrotechnik werden verschiedene Materialien verwendet. Die elektrischen Eigenschaften von Substanzen werden durch die Anzahl der Elektronen in der äußeren Valenzbahn bestimmt. Je weniger Elektronen sich in dieser Umlaufbahn befinden, desto schwächer sind sie mit dem Kern verbunden, desto leichter können sie sich fortbewegen.

Unter dem Einfluss von Temperaturschwankungen brechen die Elektronen vom Atom ab und bewegen sich im interatomaren Raum. Solche Elektronen werden als frei bezeichnet und erzeugen in den Leitern elektrischen Strom. Gibt es einen großen interatomaren Raum, gibt es Raum für freie Elektronen, um sich in der Materie zu bewegen?

Die Struktur von Feststoffen und Flüssigkeiten scheint kontinuierlich und dicht zu sein und erinnert an die Struktur eines Fadenballens. Tatsächlich ähneln sogar Feststoffe eher einem Angel- oder Volleyballnetz. Natürlich kann dies auf Haushaltsebene nicht festgestellt werden, aber durch genaue wissenschaftliche Studien wurde festgestellt, dass die Abstände zwischen den Elektronen und dem Atomkern viel größer sind als ihre eigenen Dimensionen.

Wenn die Größe des Atomkerns in Form eines Balls von der Größe eines Fußballs dargestellt wird, haben die Elektronen in diesem Modell die Größe einer Erbse, und jede dieser Erbsen befindet sich vom "Kern" in einer Entfernung von mehreren hundert und sogar Tausenden von Metern. Und zwischen Kern und Elektron ist Leere - es gibt einfach nichts! Wenn wir uns die Abstände zwischen den Atomen der Materie im gleichen Maßstab vorstellen, werden sich die Dimensionen als fantastisch herausstellen - Dutzende und Hunderte von Kilometern!

Gute Stromleiter sind Metalle. Zum Beispiel haben die Atome von Gold und Silber nur ein Elektron in der äußeren Umlaufbahn, daher sind sie die besten Leiter. Eisen leitet auch Strom, aber etwas schlechter.

Strom noch schlimmer leiten hochbeständige Legierungen. Dies sind Nichrom, Manganin, Konstantan, Fechral und andere. Eine solche Vielzahl hochohmiger Legierungen beruht auf der Tatsache, dass sie zur Lösung verschiedener Probleme ausgelegt sind: Heizelemente, Dehnungsmessstreifen, Referenzwiderstände für Messinstrumente und vieles mehr.

Um die Fähigkeit eines Materials zu bewerten, Elektrizität zu leiten, wird das Konzept von "Elektrische Leitfähigkeit". Der Rückgabewert ist spezifischer Widerstand. In der Mechanik entsprechen diese Konzepte dem spezifischen Gewicht.

IsolatorenIm Gegensatz zu Leitern neigen sie nicht dazu, Elektronen zu verlieren. In ihnen ist die Bindung des Elektrons an den Kern sehr stark und es gibt fast keine freien Elektronen. Genauer gesagt, aber nur sehr wenige. Gleichzeitig gibt es in einigen Isolatoren mehr von ihnen, und ihre Isolationsqualität ist dementsprechend schlechter. Es reicht aus, zum Beispiel Keramik und Papier zu vergleichen. Daher können Isolatoren bedingt in gut und schlecht unterteilt werden.

Das Auftreten freier Ladungen selbst in Isolatoren ist auf thermische Schwingungen von Elektronen zurückzuführen: Unter dem Einfluss hoher Temperaturen verschlechtern sich die Isoliereigenschaften, einige Elektronen können sich immer noch vom Kern lösen.

In ähnlicher Weise wäre der spezifische Widerstand eines idealen Leiters Null. Aber zum Glück gibt es keinen solchen Leiter: Stellen Sie sich vor, wie das Ohmsche Gesetz ((I = U / R) mit Null im Nenner aussehen würde !!! Abschied von Mathematik und Elektrotechnik.

Und nur bei einer absoluten Nulltemperatur (-273,2 ° C) hören die thermischen Schwankungen vollständig auf und der schlechteste Isolator wird gut genug. Um numerisch zu bestimmen, ist „dies“ schlecht - gut, verwenden Sie das Konzept des spezifischen Widerstands. Dies ist der Widerstand in Ohm eines Würfels mit einer Kantenlänge von 1 cm, die Abmessung des spezifischen Widerstands wird in Ohm / cm erhalten. Die spezifische Beständigkeit einiger Substanzen ist unten gezeigt.Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands, ist die Maßeinheit von Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Sie haben eine gute Leitfähigkeit oder einen niedrigen spezifischen Widerstand: Silber 1,5 * 10 ^ (- 6), lesen wie (eineinhalb bis zehn hoch minus sechs), Kupfer 1,78 * 10 ^ (- 6), Aluminium 2,8 * 10 ^ (- 6). Die Leitfähigkeit von Legierungen mit hohem Widerstand ist viel schlechter: Konstantan 0,5 * 10 ^ (- 4), Nichrom 1,1 * 10 ^ (- 4). Diese Legierungen können als schlechte Leiter bezeichnet werden. Ersetzen Sie nach all diesen komplexen Zahlen Ohm / cm.

Ferner können in einer separaten Gruppe Halbleiter unterschieden werden: Germanium 60 Ohm / cm, Silizium 5000 Ohm / cm, Selen 100 000 Ohm / cm. Der spezifische Widerstand dieser Gruppe ist größer als der von schlechten Leitern, aber geringer als der von schlechten Isolatoren, ganz zu schweigen von guten. Mit dem gleichen Erfolg könnten Halbleiter wahrscheinlich als Halbisolatoren bezeichnet werden.

Nach einer so kurzen Bekanntschaft mit der Struktur und den Eigenschaften eines Atoms sollte man überlegen, wie Atome miteinander interagieren. wie Atome miteinander interagieren, wie Moleküle aus ihnen bestehen, aus denen verschiedene Substanzen bestehen. Dazu müssen Sie sich erneut an die Elektronen in der äußeren Umlaufbahn des Atoms erinnern. Schließlich sind sie an der Bindung von Atomen zu Molekülen beteiligt und bestimmen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materie.

Wie Atome aus Atomen gemacht werden

Jedes Atom befindet sich in einem stabilen Zustand, wenn sich 8 Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn befinden. Er versucht nicht, Elektronen von benachbarten Atomen zu nehmen, aber er gibt seine eigenen nicht auf. Um dies zu überprüfen, reicht es im Periodensystem aus, Inertgase zu betrachten: Neon, Argon, Krypton, Xenon. Jeder von ihnen hat 8 Elektronen in der äußeren Umlaufbahn, was die Zurückhaltung dieser Gase erklärt, Beziehungen (chemische Reaktionen) mit anderen Atomen einzugehen, um Moleküle von Chemikalien aufzubauen.

Die Situation ist völlig anders für jene Atome, die keine 8 geschätzten Elektronen in ihrer äußeren Umlaufbahn haben. Solche Atome verbinden sich lieber mit anderen, um ihre äußere Umlaufbahn mit bis zu 8 Elektronen zu ergänzen und einen ruhigen stabilen Zustand zu finden.

Zum Beispiel das bekannte Wassermolekül H2O. Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, wie in der Abbildung gezeigt. 1.

Zeichnen 1. Wie ein Wassermolekül entsteht.

Im oberen Teil der Figur sind zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom getrennt dargestellt. Es gibt 6 Elektronen in der äußeren Umlaufbahn des Sauerstoffs und zwei Elektronen an zwei Wasserstoffatomen sind in der Nähe. Sauerstoff, bis der geschätzten Zahl 8 nur noch zwei Elektronen in der äußeren Umlaufbahn fehlen, die er durch Hinzufügen von zwei Wasserstoffatomen zu sich selbst erhält.

Jedem Wasserstoffatom fehlen 7 Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn, um vollkommen glücklich zu sein. Das erste Wasserstoffatom empfängt in seiner äußeren Umlaufbahn 6 Elektronen von Sauerstoff und ein weiteres Elektron von seinem Zwilling - das zweite Wasserstoffatom. Es gibt jetzt 8 Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn zusammen mit seinem Elektron. Das zweite Wasserstoffatom vervollständigt ebenfalls seine äußere Umlaufbahn bis zur begehrten Zahl 8. Dieser Vorgang ist im unteren Teil der Abbildung dargestellt. 1.

Auf dem Bild 2 Der Prozess der Kombination von Natrium- und Chloratomen wird gezeigt. Das Ergebnis ist Natriumchlorid, das in Geschäften verkauft wird, die als Salz bezeichnet werden.

Zeichnen 2. Der Prozess der Kombination von Natrium- und Chloratomen

Auch hier erhält jeder Teilnehmer die fehlende Anzahl von Elektronen vom anderen: Chlor bindet ein einzelnes Natriumelektron an seine eigenen sieben Elektronen, während es seine Atome an das Natriumatom abgibt. Beide Atome in der äußeren Umlaufbahn haben 8 Elektronen, wo volle Übereinstimmung und Wohlstand erreicht werden.

Wertigkeit von Atomen

Atome mit 6 oder 7 Elektronen in ihrer äußeren Umlaufbahn neigen dazu, 1 oder 2 Elektronen an sich selbst zu binden. Sie sagen über solche Atome, dass sie ein oder zweiwertig sind. Befindet sich jedoch in der äußeren Umlaufbahn eines Atoms 1, 2 oder 3 Elektronen, so neigt ein solches Atom dazu, diese zu verschenken. In diesem Fall wird das Atom als eins, zwei oder dreiwertig betrachtet.

Befinden sich 4 Elektronen in der äußeren Umlaufbahn eines Atoms, zieht es ein solches Atom vor, sich mit demselben zu verbinden, das ebenfalls 4 Elektronen hat. So verbinden sich Germanium- und Siliziumatome, die bei der Herstellung von Transistoren verwendet werden. In diesem Fall werden die Atome als vierwertig bezeichnet. (Die Atome von Germanium oder Silizium können mit anderen Elementen kombiniert werden, zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoff, aber diese Verbindungen sind im Plan unserer Geschichte nicht interessant.)

Auf dem Bild 3 Dargestellt ist ein Germanium- oder Siliziumatom, das sich mit demselben Atom verbinden möchte. Kleine schwarze Kreise sind die eigenen Elektronen des Atoms, und helle Kreise zeigen die Stellen an, an denen die Elektronen der vier Atome - Nachbarn - fallen.

Zeichnen 3. Atom von Germanium (Silizium).

Die Kristallstruktur von Halbleitern

Die Germanium- und Siliciumatome im Periodensystem gehören zur gleichen Gruppe wie Kohlenstoff (die chemische Formel von Diamant C sind einfach große Kohlenstoffkristalle, die unter bestimmten Bedingungen erhalten werden) und bilden daher in Kombination eine diamantartige Kristallstruktur. Die Bildung einer solchen Struktur ist in der Figur natürlich vereinfacht dargestellt 4.

Zeichnen 4.

In der Mitte des Würfels befindet sich ein Germaniumatom, und 4 weitere Atome befinden sich in den Ecken. Das in der Mitte des Würfels dargestellte Atom ist durch seine Valenzelektronen an seine nächsten Nachbarn gebunden. Die eckigen Atome geben wiederum ihre Valenzelektronen an das Atom in der Mitte des Würfels und seine Nachbarn ab - Atome, die in der Abbildung nicht dargestellt sind. Somit werden die äußeren Bahnen durch bis zu acht Elektronen ergänzt. Natürlich gibt es keinen Würfel im Kristallgitter, es ist nur in der Figur gezeigt, damit die gegenseitige volumetrische Anordnung der Atome klar ist.

Um die Geschichte über Halbleiter so weit wie möglich zu vereinfachen, kann das Kristallgitter in Form einer flachen schematischen Zeichnung dargestellt werden, obwohl sich die interatomaren Bindungen dennoch im Raum befinden. Eine solche Schaltung ist in der Figur gezeigt. 5.

Zeichnen 5. Das Germaniumkristallgitter in flacher Form.

In einem solchen Kristall sind alle Elektronen durch ihre Valenzbindungen fest an die Atome gebunden, daher gibt es hier anscheinend einfach keine freien Elektronen. Es stellt sich heraus, dass vor uns ein Isolator in der Figur ist, da keine freien Elektronen darin sind. Tatsächlich ist dies jedoch nicht der Fall.

Eigenleitfähigkeit

Tatsache ist, dass es einigen Elektronen unter dem Einfluss der Temperatur immer noch gelingt, sich von ihren Atomen zu lösen und sich für einige Zeit von der Bindung mit dem Kern zu befreien. Daher existiert in einem Germaniumkristall eine geringe Menge an freien Elektronen, wodurch es möglich ist, einen elektrischen Strom zu leiten. Wie viele freie Elektronen gibt es unter normalen Bedingungen in einem Germaniumkristall?

Es gibt nicht mehr als zwei solcher freien Elektronen pro 10 ^ 10 (zehn Milliarden) Atome, daher ist Germanium ein schlechter Leiter oder, wie es üblich ist, ein Halbleiter. Es sollte beachtet werden, dass nur ein Gramm Germanium 10 ^ 22 (zehntausend Milliarden Milliarden) Atome enthält, wodurch Sie ungefähr zweitausend Milliarden freie Elektronen "erhalten" können. Es scheint genug zu sein, um einen großen elektrischen Strom durchzulassen. Um dieses Problem zu lösen, reicht es aus, sich daran zu erinnern, was für ein Strom von 1 A.

Ein Strom von 1 A entspricht dem Durchleiten einer elektrischen Ladung von 1 Coulomb oder 6 * 10 ^ 18 (sechs Milliarden Milliarden) Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter in einer Sekunde. Vor diesem Hintergrund ist es unwahrscheinlich, dass zweitausend Milliarden freie Elektronen, die sogar über einen riesigen Kristall verstreut sind, den Durchgang hoher Ströme gewährleisten. Obwohl aufgrund der thermischen Bewegung in Deutschland eine geringe Leitfähigkeit besteht. Dies ist die sogenannte intrinsische Leitfähigkeit.

Elektronische und Lochleitfähigkeit

Mit steigender Temperatur wird zusätzliche Energie auf die Elektronen übertragen, deren thermische Schwingungen energetischer werden, wodurch es einigen Elektronen gelingt, sich von ihren Atomen zu lösen.Diese Elektronen werden frei und machen in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes chaotische Bewegungen und bewegen sich im freien Raum.

Atome, die Elektronen verloren haben, können keine zufälligen Bewegungen ausführen, sondern schwingen relativ zu ihrer normalen Position im Kristallgitter nur geringfügig. Solche Atome, die Elektronen verloren haben, werden positive Ionen genannt. Wir können annehmen, dass anstelle von Elektronen, die aus ihren Atomen herausgerissen wurden, freie Räume erhalten werden, die üblicherweise als Löcher bezeichnet werden.

Im Allgemeinen ist die Anzahl der Elektronen und Löcher gleich, sodass ein Loch ein Elektron in der Nähe einfangen kann. Infolgedessen wird ein Atom aus einem positiven Ion wieder neutral. Der Prozess der Kombination von Elektronen mit Löchern wird als Rekombination bezeichnet.

Bei der gleichen Frequenz werden Elektronen von Atomen getrennt, daher ist die Anzahl der Elektronen und Löcher für einen bestimmten Halbleiter im Durchschnitt gleich, konstant und hängt von den äußeren Bedingungen, insbesondere der Temperatur, ab.

Wenn eine Spannung an den Halbleiterkristall angelegt wird, wird die Elektronenbewegung geordnet, und aufgrund seiner Elektronen- und Lochleitfähigkeit fließt ein Strom durch den Kristall. Diese Leitfähigkeit nennt man intrinsisch, sie wurde bereits etwas höher erwähnt.

Halbleiter in ihrer reinen Form mit elektronischer Leitfähigkeit und Lochleitfähigkeit sind jedoch für die Herstellung von Dioden, Transistoren und anderen Details ungeeignet, da die Basis dieser Bauelemente der pn-Übergang (lesen Sie „pe-en“) ist.

Um einen solchen Übergang zu erhalten, werden zwei Arten von Halbleitern benötigt, zwei Arten von Leitfähigkeit (p - positiv - positiv, Loch) und (n - negativ - negativ, elektronisch). Diese Arten von Halbleitern werden durch Dotieren erhalten, indem Verunreinigungen zu reinen Germanium- oder Siliziumkristallen hinzugefügt werden.

Obwohl die Menge an Verunreinigungen sehr gering ist, verändert ihr Vorhandensein in hohem Maße die Eigenschaften des Halbleiters und ermöglicht es Ihnen, Halbleiter mit unterschiedlicher Leitfähigkeit zu erhalten. Dies wird im nächsten Teil des Artikels besprochen.

Boris Aladyshkin, https://i.electricianexp.com/de