Tranzistori 3. daļa. No kā tiek izgatavoti tranzistori

Raksta sākums: Tranzistora vēsture, Tranzistori: mērķis, ierīce un darbības principi, Diriģenti, izolatori un pusvadītāji

Tīriem pusvadītājiem ir vienāds daudzums brīvo elektronu un caurumu. Kā jau tika teikts, šādus pusvadītājus pusvadītāju ierīču ražošanā neizmanto iepriekšējā raksta daļā.

Tranzistoru ražošanai (šajā gadījumā tie nozīmē arī diodes, mikroshēmas un faktiski visas pusvadītāju ierīces) tiek izmantoti n un p pusvadītāju veidi: ar elektronisko un caurumu vadītspēju. N tipa pusvadītājos elektroni ir galvenie lādiņu nesēji un caurumi p veida pusvadītājos.

Pusvadītājus ar vajadzīgo vadītspējas veidu iegūst, pieliekot dopingu (pievienojot piemaisījumus) tīriem pusvadītājiem. Šo piemaisījumu daudzums ir mazs, bet pusvadītāja īpašības mainās līdz nepazīšanai.

Dopanti

Tranzistori nebūtu tranzistori, ja tie neizmantotu trīs un piecvērtīgus elementus, kurus izmanto kā leģējošos piemaisījumus. Bez šiem elementiem vienkārši nebūtu bijis iespējams izveidot pusvadītājus ar atšķirīgu vadītspēju, izveidot pn (skan pe - en) krustojumu un tranzistoru kopumā.

No vienas puses, indiju, galliju un alumīniju izmanto kā trīsvērtīgus piemaisījumus. Viņu ārējā apvalkā ir tikai 3 elektroni. Šādi piemaisījumi atņem elektronus no pusvadītāja atomiem, kā rezultātā pusvadītāja vadītspēja kļūst cauruma. Šādus elementus sauc par akceptoriem - "ņēmējiem".

No otras puses, tie ir antimons un arsēns, kas ir pentavalenti elementi. Viņu ārējā orbītā ir 5 elektroni. Ieejot kristāla režģa slaidās rindās, viņi nevar atrast vietu piektajam elektronam, tas paliek brīvs, un pusvadītāja vadītspēja kļūst par elektronu vai n tipu. Šādus piemaisījumus sauc par donoriem - “devējiem”.

1. attēlā parādīta ķīmisko elementu tabula, ko izmanto tranzistoru ražošanā.

1. attēls. Piemaisījumu ietekme uz pusvadītāju īpašībām

Pat ķīmiski tīrā pusvadītāja kristālā, piemēram, germānijā, ir piemaisījumi. To skaits ir mazs - viens piemaisījumu atoms uz vienu miljardu Vācijas atomu. Un vienā kubikcentimetrā izrādās apmēram piecdesmit tūkstoši miljardu svešķermeņu, kurus sauc par piemaisījumu atomiem. Patīk daudz?

Šeit ir laiks atcerēties, ka ar strāvu 1 A caur diriģentu iet 1 kulona lādiņš jeb 6 * 10 ^ 18 (seši miljardi miljardu) elektronu sekundē. Citiem vārdiem sakot, piemaisījumu atomu nav tik daudz, un tie pusvadītājam piešķir ļoti mazu vadītspēju. Izrādās vai nu slikts vadītājs, vai arī ne pārāk labs izolators. Kopumā pusvadītājs.

Kā pusvadītājs ir ar vadītspēju n

Redzēsim, kas notiek, ja germānijas kristālā ievada pentavalentu antimona vai arsēna atomu. Tas ir diezgan skaidri parādīts 2. attēlā.

2. attēls. 5 valences piemaisījuma ievadīšana pusvadītājā.

Īss komentārs par 2. attēlu, kas būtu bijis jādara agrāk. Katrai līnijai starp blakus esošajiem pusvadītāja atomiem attēlā jābūt divkāršai, parādot, ka saitē ir iesaistīti divi elektroni. Šādu saiti sauc par kovalentu un parādīts 3. attēlā.

3. attēls. Kovalentā saite silīcija kristālā.

Vācijai modelis būtu tieši tāds pats.

Kristāla režģī tiek ievadīts pentavalents piemaisījumu atoms, jo tam vienkārši nav kur iet.Viņš izmanto četrus no pieciem valences elektroniem, lai izveidotu kovalentās saites ar blakus esošajiem atomiem, un tiek ievests kristāla režģī. Bet piektais elektrons paliks brīvs. Interesantākais ir tas, ka pats piemaisījumu atoms šajā gadījumā kļūst par pozitīvu jonu.

Piemaisījumu šajā gadījumā sauc par donoru; tas pusvadītājam piešķir papildu elektronus, kas būs galvenie lādiņa nesēji pusvadītājā. Pats pusvadītājs, kurš no donora saņēma papildu elektronus, būs pusvadītājs ar elektronisko vadītspēju vai n veida negatīvs.

Piemaisījumus pusvadītājos ievada mazos daudzumos, tikai viens atoms uz desmit miljoniem germija vai silīcija atomu. Bet tas ir simtkārtīgi vairāk nekā iekšējo piemaisījumu saturs tīrākajā kristālā, kā rakstīts tieši virs.

Ja tagad pievienojam galvanisko elementu n tipa pusvadītājam, kā parādīts 4. attēlā, tad elektroni (apļi ar mīnusu iekšpusē), darbojoties akumulatora elektriskajam laukam, uzbruks uz tā pozitīvo izlaidi. Pašreizējā avota negatīvais pols piešķirs kristālam tikpat daudz elektronu. Tāpēc caur pusvadītāju plūst elektriskā strāva.

4. attēls

Sešstūri, kuru iekšpusē ir plus zīme, nav nekas cits kā piemaisījumu atomi, kas ziedo elektronus. Tagad šie ir pozitīvie joni. Iepriekšminētā rezultāts ir šāds: piemaisījumu donora ievadīšana pusvadītājā nodrošina brīvo elektronu ievadīšanu. Rezultāts ir pusvadītājs ar elektronisko vadītspēju vai tips n.

Ja pusvadītājam, germānijam vai silīcijam pievieno vielas atomus ar trim elektroniem ārējā orbītā, piemēram, indiju, tad rezultāts, godīgi sakot, būs pretējs. Šī saistība ir parādīta 5. attēlā.

5. attēls. 3 valences piemaisījuma ievadīšana pusvadītājā.

Ja tagad šādam kristālam ir pievienots strāvas avots, tad urbumu kustībai būs pasūtīts raksturs. Pārvietošanas fāzes ir parādītas 6. attēlā.

6. attēls. Caurumu vadīšanas fāzes

Caurums, kas atrodas pirmajā atomā labajā pusē, tas ir tikai trīsvērtīgais piemaisījumu atoms, uztver elektronu no kaimiņa kreisajā pusē, kā rezultātā caurums tajā paliek. Šis caurums savukārt ir piepildīts ar elektronu, kas noplēsts no kaimiņa (attēlā tas atkal ir pa kreisi).

Tādā veidā tiek radīta pozitīvi lādētu caurumu kustība no akumulatora pozitīvā uz negatīvo polu. Tas turpinās, kamēr caurums pietuvojas strāvas avota negatīvajam polam un no tā tiek piepildīts ar elektronu. Tajā pašā laikā elektrons atstāj savu atomu no avota, kas ir vistuvāk pozitīvajam terminālim, tiek iegūts jauns caurums, un process tiek atkārtots vēlreiz.

Lai nemulsinātu par to, kāda veida pusvadītāju iegūst, ieviešot piemaisījumu, pietiek atcerēties, ka vārdam “donors” ir burts en (negatīvs) - tiek iegūts n veida pusvadītājs. Un vārdu akceptorā ir burts pe (pozitīvs) - pusvadītājs ar vadītspēju p.

Parastie kristāli, piemēram, Vācija tādā formā, kādā tie pastāv dabā, nav piemēroti pusvadītāju ierīču ražošanai. Fakts ir tāds, ka parasts dabīgais germānija kristāls sastāv no maziem kristāliem, kas audzēti kopā.

Vispirms izejmateriālu attīra no piemaisījumiem, pēc tam germānija tika izkausēta un sēkla tika nolaista kausējumā - nelielā kristālā ar parastu režģi. Sēkla lēnām rotēja kausējumā un pakāpeniski cēlās augšup. Kausējums ieskauj sēklu un atdzesē, veidojot lielu monokristālu stieni ar regulāru kristāla režģi. Iegūtā monokristāla izskats ir parādīts 7. attēlā.

7. attēls

Viena kristāla ražošanas procesā kausējumam tika pievienots p vai n tipa palīgviela, tādējādi iegūstot vēlamo kristāla vadītspēju. Šis kristāls tika sagriezts mazās plāksnēs, kuras tranzistorā kļuva par pamatni.

Kolektors un emitētājs tika izgatavoti dažādos veidos. Vienkāršākais bija tas, ka plāksnes pretējās pusēs tika novietoti mazi indija gabali, kas tika metināti, sasildot kontaktpunktu līdz 600 grādiem. Pēc visas struktūras atdzišanas indija piesātinātie reģioni ieguva p veida vadītspēju. Iegūtais kristāls tika uzstādīts korpusā un savienoti vadi, kā rezultātā tika iegūti leģēti plakani tranzistori. Šī tranzistora dizains ir parādīts 8. attēlā.

8. attēls

Šādi tranzistori tika ražoti divdesmitā gadsimta sešdesmitajos gados ar zīmoliem MP39, MP40, MP42 utt. Tagad tas ir gandrīz muzeja eksponāts. Visplašāk izmantotie p-n-p ķēdes struktūras tranzistori.

1955. gadā tika izstrādāts difūzijas tranzistors. Saskaņā ar šo tehnoloģiju, lai veidotu kolektora un emitētāja reģionus, germānija plāksni ievietoja atmosfērā, kurā bija vēlamo piemaisījumu tvaiki. Šajā atmosfērā plāksni uzsildīja līdz temperatūrai tieši zem kušanas temperatūras un turēja nepieciešamo laiku. Tā rezultātā piemaisījumu atomi iekļuva kristāla režģī, veidojot pn savienojumus. Šāds process ir pazīstams kā difūzijas metode, un paši tranzistori tiek saukti par difūziju.

Sakaramo tranzistoru frekvences īpašības, jāsaka, atstāj daudz ko vēlēties: robežfrekvence nav lielāka par vairākiem desmitiem megahercu, kas ļauj tos izmantot kā atslēgu zemās un vidējās frekvencēs. Šādus tranzistorus sauc par zemfrekvences, un tie pārliecinoši pastiprinās tikai audio diapazona frekvences. Lai arī silīcija sakausējumu tranzistorus jau sen ir aizstājuši ar silīcija tranzistoriem, germānija tranzistori joprojām tiek ražoti īpašiem lietojumiem, kur ir nepieciešams zems spriegums, lai novirzītu emitētāju uz priekšu.

Silīcija tranzistori tiek ražoti pēc plakanas tehnoloģijas. Tas nozīmē, ka visas pārejas notiek uz vienas virsmas. Viņi gandrīz pilnībā aizstāja germānija tranzistorus no diskrētu elementu shēmām un tiek izmantoti kā integrētu shēmu komponenti, kur germānija nekad nav izmantots. Pašlaik germānijas tranzistoru ir ļoti grūti atrast.

Lasiet nākamajā rakstā.

Boriss Aladyshkin