Transistoren Teil 3. Woraus bestehen Transistoren?

Beginn des Artikels: Transistorgeschichte, Transistoren: Zweck, Vorrichtung und Funktionsprinzipien, Leiter, Isolatoren und Halbleiter

Reine Halbleiter haben die gleiche Menge an freien Elektronen und Löchern. Solche Halbleiter werden, wie gesagt, nicht zur Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet im vorherigen Teil des Artikels.

Für die Herstellung von Transistoren (in diesem Fall auch Dioden, Mikroschaltungen und eigentlich alle Halbleiterbauelemente) werden n- und p-Halbleitertypen verwendet: mit elektronischer Leitfähigkeit und Lochleitfähigkeit. In n-Halbleitern sind Elektronen die Hauptladungsträger und Löcher in p-Halbleitern.

Halbleiter mit der erforderlichen Leitfähigkeit werden durch Dotieren (Hinzufügen von Verunreinigungen) zu reinen Halbleitern erhalten. Die Menge dieser Verunreinigungen ist gering, aber die Eigenschaften des Halbleiters ändern sich bis zur Unkenntlichkeit.

Dotierstoffe

Transistoren wären keine Transistoren, wenn sie nicht drei und fünfwertige Elemente verwenden würden, die als Legierungsverunreinigungen verwendet werden. Ohne diese Elemente wäre es einfach unmöglich gewesen, Halbleiter mit unterschiedlicher Leitfähigkeit zu erzeugen, um einen pn-Übergang (Read Pe-En) und einen Transistor als Ganzes zu erzeugen.

Einerseits werden Indium, Gallium und Aluminium als dreiwertige Verunreinigungen verwendet. Ihre äußere Hülle enthält nur 3 Elektronen. Solche Verunreinigungen entfernen Elektronen von den Atomen des Halbleiters, so dass die Leitfähigkeit des Halbleiters zu einem Loch wird. Solche Elemente werden Akzeptoren genannt - "Nehmer".

Andererseits sind dies Antimon und Arsen, die fünfwertige Elemente sind. Sie haben 5 Elektronen in ihrer äußeren Umlaufbahn. Wenn sie in die schlanken Reihen des Kristallgitters eintreten, können sie keinen Platz für das fünfte Elektron finden, es bleibt frei und die Leitfähigkeit des Halbleiters wird zu Elektron oder Typ n. Solche Verunreinigungen werden Spender genannt - der „Geber“.

1 zeigt eine Tabelle chemischer Elemente, die bei der Herstellung von Transistoren verwendet werden.

Figure 1. Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von Halbleitern

Selbst in einem chemisch reinen Kristall eines Halbleiters, beispielsweise Germanium, sind Verunreinigungen enthalten. Ihre Zahl ist gering - ein Verunreinigungsatom pro eine Milliarde Atome in Deutschland. Und in einem Kubikzentimeter ergeben sich etwa fünfzigtausend Milliarden Fremdkörper, die als Verunreinigungsatome bezeichnet werden. Wie viel?

Hier ist die Zeit, sich daran zu erinnern, dass bei einem Strom von 1 A eine Ladung von 1 Coulomb durch den Leiter fließt oder 6 * 10 ^ 18 (sechs Milliarden Milliarden) Elektronen pro Sekunde. Mit anderen Worten, es gibt nicht so viele Verunreinigungsatome und sie geben dem Halbleiter sehr wenig Leitfähigkeit. Es stellt sich entweder als schlechter Leiter oder als nicht sehr guter Isolator heraus. Im Allgemeinen ein Halbleiter.

Wie ist ein Halbleiter mit einer Leitfähigkeit n

Mal sehen, was passiert, wenn ein fünfwertiges Atom Antimon oder Arsen in einen Germaniumkristall eingeführt wird. Dies ist in Abbildung 2 recht deutlich dargestellt.

Figure 2. Einführung einer 5-Valenz-Verunreinigung in einen Halbleiter.

Ein kurzer Kommentar zu Abbildung 2, der früher hätte erfolgen sollen. Jede Linie zwischen benachbarten Atomen des Halbleiters in der Figur sollte doppelt sein, was zeigt, dass zwei Elektronen an der Bindung beteiligt sind. Eine solche Bindung wird als kovalent bezeichnet und ist in Abbildung 3 dargestellt.

Figure 3. Kovalente Bindung in einem Siliziumkristall.

Für Deutschland wäre das Muster genau das gleiche.

Ein fünfwertiges Verunreinigungsatom wird in das Kristallgitter eingeführt, weil es einfach nirgendwo hin muss.Er verwendet vier seiner fünf Valenzelektronen, um kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen herzustellen, und wird in das Kristallgitter eingeführt. Das fünfte Elektron bleibt jedoch frei. Das Interessanteste ist, dass das Atom der Verunreinigung selbst in diesem Fall ein positives Ion wird.

Die Verunreinigung wird in diesem Fall als Donor bezeichnet und gibt dem Halbleiter zusätzliche Elektronen, die die Hauptladungsträger im Halbleiter sein werden. Der Halbleiter selbst, der zusätzliche Elektronen vom Donor erhalten hat, wird ein Halbleiter mit elektronischer Leitfähigkeit oder vom Typ n - negativ sein.

Verunreinigungen werden in geringen Mengen in Halbleiter eingebracht, nur ein Atom pro zehn Millionen Atome Germanium oder Silizium. Dies ist jedoch hundertmal mehr als der Gehalt an intrinsischen Verunreinigungen im reinsten Kristall, wie oben geschrieben wurde.

Wenn wir nun eine galvanische Zelle an den resultierenden Halbleiter vom Typ n anschließen, wie in Abbildung 4 gezeigt, werden die Elektronen (Kreise mit einem Minus im Inneren) unter Einwirkung des elektrischen Feldes der Batterie auf ihren positiven Ausgang stürzen. Der negative Pol der Stromquelle gibt dem Kristall so viele Elektronen wie möglich. Daher fließt ein elektrischer Strom durch den Halbleiter.

Abbildung 4

Sechsecke, die ein Pluszeichen enthalten, sind nichts anderes als Verunreinigungsatome, die Elektronen abgeben. Das sind nun positive Ionen. Das Ergebnis des Vorstehenden ist wie folgt: Die Einführung eines Verunreinigungsdonors in den Halbleiter gewährleistet die Injektion von freien Elektronen. Das Ergebnis ist ein Halbleiter mit elektronischer Leitfähigkeit oder Typ n.

Wenn Atome einer Substanz mit drei Elektronen in einer externen Umlaufbahn wie Indium zu einem Halbleiter, Germanium oder Silizium hinzugefügt werden, ist das Ergebnis ganz offen das Gegenteil. Diese Zuordnung ist in Abbildung 5 dargestellt.

Figure 5. Einführung einer 3-Valenz-Verunreinigung in einen Halbleiter.

Wenn jetzt eine Stromquelle an einen solchen Kristall angeschlossen ist, nimmt die Bewegung der Löcher einen geordneten Charakter an. Verschiebungsphasen sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Lochleitungsphasen

Das Loch im ersten Atom rechts, dies ist nur das dreiwertige Atom der Verunreinigung, fängt das Elektron vom Nachbarn links ein, wodurch das Loch darin verbleibt. Dieses Loch ist wiederum mit einem Elektron gefüllt, das von seinem Nachbarn gerissen wurde (in der Abbildung ist es wieder links).

Auf diese Weise wird die Bewegung positiv geladener Löcher vom positiven zum negativen Pol der Batterie erzeugt. Dies setzt sich fort, bis sich das Loch dem negativen Pol der Stromquelle nähert und mit einem Elektron von dieser gefüllt ist. Gleichzeitig verlässt das Elektron sein Atom von der Quelle, die dem positiven Anschluss am nächsten liegt, es wird ein neues Loch erhalten und der Vorgang wird erneut wiederholt.

Um nicht zu verwechseln, welcher Halbleitertyp beim Einbringen einer Verunreinigung erhalten wird, genügt es, sich daran zu erinnern, dass das Wort „Donor“ den Buchstaben en (negativ) hat - ein Halbleiter vom Typ n wird erhalten. Und im Wort Akzeptor steht der Buchstabe pe (positiv) - ein Halbleiter mit der Leitfähigkeit p.

Herkömmliche Kristalle, beispielsweise Deutschland, in der Form, in der sie in der Natur existieren, sind für die Herstellung von Halbleiterbauelementen ungeeignet. Tatsache ist, dass ein gewöhnlicher natürlicher Germaniumkristall aus kleinen zusammengewachsenen Kristallen besteht.

Zuerst wurde das Ausgangsmaterial von Verunreinigungen gereinigt, wonach Germanium geschmolzen und ein Keim in die Schmelze abgesenkt wurde, ein kleiner Kristall mit einem regelmäßigen Gitter. Der Samen drehte sich langsam in der Schmelze und stieg allmählich auf. Die Schmelze umhüllte den Keim und die Abkühlung bildete einen großen Einkristallstab mit einem regelmäßigen Kristallgitter. Das Aussehen des erhaltenen Einkristalls ist in 7 gezeigt.

Abbildung 7

Bei der Herstellung eines Einkristalls wurde der Schmelze ein Dotierstoff vom p- oder n-Typ zugesetzt, wodurch die gewünschte Leitfähigkeit des Kristalls erhalten wurde. Dieser Kristall wurde in kleine Platten geschnitten, die im Transistor zur Basis wurden.

Der Sammler und der Emitter wurden auf unterschiedliche Weise hergestellt. Das einfachste war, dass kleine Indiumstücke auf gegenüberliegenden Seiten der Platte platziert wurden, die geschweißt wurden, wodurch der Kontaktpunkt auf 600 Grad erwärmt wurde. Nach dem Abkühlen der gesamten Struktur nahmen die indiumgesättigten Bereiche eine Leitfähigkeit vom p-Typ an. Der erhaltene Kristall wurde in das Gehäuse eingebaut und die Leitungen wurden verbunden, wodurch legierte planare Transistoren erhalten wurden. Der Aufbau dieses Transistors ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8

Solche Transistoren wurden in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts unter den Markennamen MP39, MP40, MP42 usw. hergestellt. Jetzt ist es fast eine Museumsausstellung. Die am weitesten verbreiteten Transistoren der pnp-Schaltungsstruktur.

1955 wurde ein Diffusionstransistor entwickelt. Gemäß dieser Technologie wurde zur Bildung der Kollektor- und Emitterbereiche eine Germaniumplatte in eine Gasatmosphäre gebracht, die Dämpfe der gewünschten Verunreinigung enthielt. In dieser Atmosphäre wurde die Platte auf eine Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt erhitzt und für die erforderliche Zeit gehalten. Infolgedessen drangen Verunreinigungsatome in das Kristallgitter ein und bildeten pn-Übergänge. Ein solcher Prozess ist als Diffusionsverfahren bekannt, und die Transistoren selbst werden als Diffusion bezeichnet.

Die Frequenzeigenschaften von Legierungstransistoren lassen zu wünschen übrig: Die Grenzfrequenz beträgt nicht mehr als einige zehn Megahertz, sodass Sie sie bei niedrigen und mittleren Frequenzen als Schlüssel verwenden können. Solche Transistoren werden als Niederfrequenz bezeichnet und verstärken nur die Frequenzen des Audiobereichs. Obwohl Siliziumlegierungstransistoren seit langem durch Siliziumtransistoren ersetzt wurden, werden Germaniumtransistoren immer noch für spezielle Anwendungen hergestellt, bei denen eine niedrige Spannung erforderlich ist, um den Emitter in Vorwärtsrichtung vorzuspannen.

Siliziumtransistoren werden nach planarer Technologie hergestellt. Dies bedeutet, dass alle Übergänge zu einer Oberfläche gehen. Sie ersetzten Germaniumtransistoren fast vollständig von Schaltkreisen mit diskreten Elementen und werden als Komponenten von integrierten Schaltkreisen verwendet, bei denen Germanium noch nie verwendet wurde. Derzeit ist ein Germaniumtransistor sehr schwer zu finden.

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Boris Aladyshkin