Transistor Bahagian 2. Pengalir, penebat dan semikonduktor

Permulaan rencana: Sejarah transistor, Transistor: tujuan, peranti dan prinsip operasi

Dalam kejuruteraan elektrik, pelbagai bahan digunakan. Sifat elektrik bahan ditentukan oleh bilangan elektron dalam orbit valensi luar. Elektron kurang berada di orbit ini, semakin lemah mereka dikaitkan dengan nukleus, semakin mudah mereka boleh pergi ke perjalanan.

Di bawah pengaruh turun naik suhu, elektron melepaskan diri dari atom dan bergerak di ruang interatomik. Elektron tersebut dipanggil bebas, dan mereka membuat arus elektrik di konduktor. Adakah terdapat ruang interatom yang besar, adakah terdapat ruang untuk elektron bebas untuk bergerak di dalam perkara?

Struktur pepejal dan cecair nampaknya berterusan dan padat, mengingatkan struktur struktur bola. Tetapi sebenarnya, walaupun pepejal lebih seperti memancing atau bola tampar. Sudah tentu, ini tidak dapat dilihat di peringkat isi rumah, tetapi ia telah ditubuhkan oleh kajian saintifik yang tepat bahawa jarak antara elektron dan nukleus atom jauh lebih besar daripada dimensi mereka sendiri.

Jika saiz nukleus atom diwakili dalam bentuk bola saiz bola sepak, maka elektron dalam model ini akan menjadi saiz kacang, dan setiap kacang itu terletak dari "inti" pada jarak beberapa ratus bahkan ribuan meter. Dan di antara nukleus dan elektron adalah kekosongan - hanya ada apa-apa! Jika kita bayangkan jarak antara atom-atom bahan pada skala yang sama, dimensi akan menjadi hebat sekali - puluhan dan ratusan kilometer!

Konduktor elektrik yang baik adalah logam. Sebagai contoh, atom emas dan perak hanya mempunyai satu elektron di orbit luar, oleh itu mereka adalah konduktor terbaik. Besi juga menjalankan elektrik, tetapi sedikit lebih buruk.

Menjalankan elektrik lebih buruk lagi aloi rintangan yang tinggi. Ini adalah nichrome, manganin, constantan, fechral dan lain-lain. Berbagai aloi rintangan tinggi ini disebabkan oleh hakikat bahawa mereka direka untuk menyelesaikan pelbagai masalah: elemen pemanasan, tolok terikan, perintang rujukan untuk instrumen pengukur, dan banyak lagi.

Untuk menilai keupayaan sesuatu bahan untuk menjalankan elektrik, konsep "Kekonduksian elektrik". Nilai pulangan adalah ketahanan. Dalam mekanik, konsep ini sesuai dengan graviti tertentu.

Penebat, tidak seperti konduktor, tidak cenderung untuk kehilangan elektron. Di dalamnya, ikatan elektron dengan nukleus sangat kuat, dan hampir tidak ada elektron bebas. Lebih tepat lagi, tetapi sangat sedikit. Pada masa yang sama, dalam beberapa penebat terdapat lebih banyak daripada mereka, dan kualiti penebat mereka, dengan itu, lebih buruk. Ia cukup untuk membandingkan, sebagai contoh, seramik dan kertas. Oleh itu, penebat boleh secara kondisional dibahagikan kepada yang baik dan buruk.

Kemunculan caj percuma walaupun dalam penebat disebabkan oleh getaran haba elektron: di bawah pengaruh suhu tinggi, sifat penebat merosot, beberapa elektron masih berjaya melepaskan diri dari nukleus.

Begitu juga, resistiviti konduktor ideal akan menjadi sifar. Tetapi mujurlah tidak ada konduktor sedemikian: bayangkan apa hukum Ohm ((I = U / R) kelihatan seperti sifar dalam penyebut !!! Selamat tinggal kepada matematik dan kejuruteraan elektrik.

Dan hanya pada suhu sifar mutlak (-273.2 ° C) turun naik terma berhenti sepenuhnya, dan penebat terburuk menjadi cukup baik. Untuk menentukan secara numerik "ini" adalah buruk - menggunakan konsep resistivitas yang baik. Ini adalah rintangan dalam Ohms kiub dengan panjang kelebihan 1 cm, dimensi resistivitas diperolehi dalam ohms / cm. Rintangan spesifik beberapa bahan ditunjukkan di bawah.Konduktiviti adalah kebalikan dari resistivity, adalah unit ukuran Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Mereka mempunyai kekonduksian yang baik atau kerintangan yang rendah: perak 1.5 * 10 ^ (- 6), baca bagaimana (satu setengah hingga sepuluh untuk kuasa tolak enam), tembaga 1.78 * 10 ^ (- 6), aluminium 2.8 * 10 ^ (- 6). Kekonduksian aloi dengan rintangan yang tinggi lebih teruk: constantan 0.5 * 10 ^ (- 4), nichrome 1.1 * 10 ^ (- 4). Aloi ini boleh dipanggil konduktor yang buruk. Selepas semua nombor kompleks ini, masukkan Ohm / cm.

Selanjutnya, semikonduktor boleh dibezakan sebagai kumpulan berasingan: germanium 60 Ohm / cm, silikon 5000 Ohm / cm, selenium 100 000 Ohm / cm. Resistivitas kumpulan ini adalah lebih besar daripada konduktor yang buruk, tetapi kurang daripada penebat buruk, tidak kira yang baik. Mungkin, dengan kejayaan yang sama, semikonduktor boleh dipanggil separuh penebat.

Selepas pengetahuan yang singkat dengan struktur dan sifat atom, seseorang harus mempertimbangkan bagaimana atom berinteraksi antara satu sama lain, bagaimana atom berinteraksi antara satu sama lain, bagaimana molekul dibuat daripada mereka, dari mana pelbagai bahan disusun. Untuk melakukan ini, anda perlu ingat lagi elektron di orbit luar atom. Lagipun, mereka yang mengambil bahagian dalam ikatan atom menjadi molekul dan menentukan sifat fizikal dan kimia bahan.

Bagaimana atom dibuat daripada atom

Mana-mana atom berada dalam keadaan stabil jika terdapat 8 elektron di orbit luarnya. Dia tidak berusaha untuk mengambil elektron dari atom-atom jiran, tetapi dia tidak menyerah diri sendiri. Untuk mengesahkan ini, cukup dalam jadual berkala untuk melihat gas lengai: neon, argon, krypton, xenon. Setiap daripada mereka mempunyai 8 elektron di orbit luar, yang menjelaskan keengganan gas ini untuk memasuki sebarang hubungan (reaksi kimia) dengan atom lain, untuk membina molekul bahan kimia.

Keadaan ini agak berbeza bagi atom-atom yang tidak mempunyai 8 elektron yang dihargai di orbit luarnya. Atom sedemikian lebih suka bersatu dengan orang lain untuk menambah orbit luar mereka dengan sehingga 8 elektron dan mencari keadaan stabil yang tenang.

Sebagai contoh, molekul air yang terkenal H2O. Ia terdiri daripada dua atom hidrogen dan satu atom oksigen, seperti ditunjukkan dalam gambar. 1.

Lukisan 1. Bagaimana molekul air dicipta.

Di bahagian atas angka, dua atom hidrogen dan satu atom oksigen ditunjukkan secara berasingan. Terdapat 6 elektron di orbit luar oksigen dan dua elektron di dua atom hidrogen berada berdekatan. Oksigen sehingga bilangan yang dihargai 8 hilang hanya dua elektron di orbit luar, yang mana ia akan menerima dengan menambahkan dua atom hidrogen kepada dirinya sendiri.

Setiap atom hidrogen tidak mempunyai 7 elektron di orbit luarnya untuk kebahagiaan lengkap. Atom hidrogen pertama menerima di orbit luarnya 6 elektron daripada oksigen dan elektron lain dari kembarannya - atom hidrogen kedua. Sekarang terdapat 8 elektron di orbit luar bersama dengan elektronnya. Atom hidrogen kedua juga melengkapkan orbit luarnya ke nombor yang dihargai. 8. Proses ini ditunjukkan di bahagian bawah angka. 1.

Dalam gambar 2 Proses penggabungan atom natrium dan klorin ditunjukkan. Hasilnya ialah natrium klorida, yang dijual di kedai-kedai yang disebut garam.

Lukisan 2. Proses menggabungkan atom-atom natrium dan klorin

Di sini juga, setiap peserta menerima bilangan elektron yang hilang dari yang lain: klorin melekatkan satu elektron natrium ke tujuh elektronnya sendiri, sementara ia memberikan atom-atomnya ke atom natrium. Kedua-dua atom di orbit luar mempunyai 8 elektron, dimana kesepakatan dan kemakmuran penuh dicapai.

Valensi atom

Atom dengan 6 atau 7 elektron di orbit luarnya cenderung untuk melampirkan 1 atau 2 elektron kepada diri mereka sendiri. Mereka mengatakan tentang atom sedemikian bahawa mereka adalah satu atau divalen. Tetapi jika di orbit luar elektron atom 1, 2 atau 3, maka atom sedemikian cenderung untuk memberikannya. Dalam kes ini, atom dianggap satu, dua atau trivalen.

Sekiranya terdapat 4 elektron di orbit luar atom, maka atom tersebut lebih suka menggabungkan dengan yang sama, yang juga mempunyai 4 elektron. Inilah bagaimana atom germanium dan silikon yang digunakan dalam penghasilan transistor menggabungkan. Dalam kes ini, atom dipanggil tetravalen. (Atom germanium atau silikon boleh digabungkan dengan unsur-unsur lain, sebagai contoh, oksigen atau hidrogen, tetapi sebatian ini tidak menarik dalam rancangan cerita kita.)

Dalam gambar 3 atom germanium atau silikon ditunjukkan yang ingin bergabung dengan atom yang sama. Bulatan hitam kecil adalah elektron sendiri atom, dan bulatan cahaya menunjukkan tempat di mana elektron empat atom - jiran - jatuh.

Lukisan 3. Atom germanium (silikon).

Struktur kristal semikonduktor

Atom germanium dan atom silikon dalam jadual berkala adalah dalam kumpulan yang sama dengan karbon (formula kimia berlian C hanyalah kristal karbon besar yang diperolehi dalam keadaan tertentu), oleh itu, apabila digabungkan, membentuk struktur kristal seperti berlian. Pembentukan struktur sedemikian ditunjukkan, dalam bentuk ringkas, tentu saja, dalam angka tersebut 4.

Lukisan 4.

Di tengah kiub adalah atom germanium, dan 4 lagi atom terletak di sudut. Atom yang digambarkan di tengah kiub terikat oleh elektron valensinya kepada jiran terdekatnya. Seterusnya, atom sudut memberikan elektron valensi mereka kepada atom yang terletak di tengah kiub dan jirannya - atom tidak ditunjukkan dalam angka tersebut. Oleh itu, orbit luar ditambah dengan lapan elektron. Sudah tentu, tidak ada kiub dalam kekisi kristal, ia hanya ditunjukkan dalam angka supaya susunan atom volumetrik bersama jelas.

Tetapi untuk memudahkan cerita mengenai semikonduktor sebanyak mungkin, kisi kristal boleh digambarkan dalam bentuk lukisan skematik yang rata, walaupun fakta bahawa bon interatom tetap terletak di ruang angkasa. Litar sedemikian ditunjukkan dalam angka tersebut. 5.

Lukisan 5. Kisi kristal germanium dalam bentuk yang rata.

Di dalam kristal sedemikian, semua elektron terikat dengan atom dengan ikatan valensi mereka, oleh itu nampaknya tidak ada elektron bebas di sini. Ternyata di hadapan kita adalah penebat dalam angka ini, kerana tidak ada elektron bebas di dalamnya. Tetapi, sebenarnya, ini tidak begitu.

Kekonduksian intrinsik

Hakikatnya adalah di bawah pengaruh suhu, beberapa elektron masih dapat melepaskan diri dari atomnya, dan untuk beberapa waktu membebaskan diri dari ikatan dengan nukleus. Oleh itu, sejumlah kecil elektron bebas dalam kristal germanium wujud, kerana ia adalah mungkin untuk menjalankan arus elektrik. Berapa banyak elektron bebas wujud dalam kristal germanium dalam keadaan normal?

Tidak ada lebih dari dua elektron bebas sedemikian per atom 10 ^ 10 (sepuluh bilion), jadi germanium adalah konduktor yang lemah, atau seperti biasa untuk mengatakan semikonduktor. Perlu diingatkan bahawa hanya satu gram germanium mengandungi atom 10 ^ 22 (sepuluh ribu bilion), yang membolehkan anda "mendapatkan" kira-kira dua ribu bilion elektron bebas. Nampaknya cukup untuk lulus arus elektrik yang besar. Untuk menangani isu ini, sudah cukup untuk mengingati arus 1 A.

Arus 1 A sepadan dengan melewati konduktor dalam satu saat cas elektrik 1 Coulomb, atau 6 * 10 ^ 18 (enam bilion bilion) elektron setiap saat. Dengan latar belakang ini, dua ribu bilion elektron bebas, dan bahkan bertaburan di atas kristal yang besar, tidak mungkin untuk memastikan aliran arus tinggi. Walaupun, disebabkan oleh gerakan termal, kekonduksian kecil wujud di Jerman. Ini adalah kekonduksian intrinsik yang dipanggil.

Kekonduksian elektronik dan lubang

Apabila suhu meningkat, tenaga tambahan dipindahkan ke elektron, getaran haba mereka menjadi lebih bertenaga, sebagai akibatnya beberapa elektron berjaya melepaskan diri dari atom mereka.Elektron ini menjadi bebas dan, jika tidak ada medan elektrik luar, membuat gerakan kacau dan bergerak di ruang bebas.

Atom yang telah kehilangan elektron tidak boleh membuat pergerakan rawak, tetapi hanya sedikit berayun berbanding kedudukan normalnya dalam kekisi kristal. Atom sedemikian, yang telah kehilangan elektron, dipanggil ion positif. Kita boleh mengandaikan bahawa sebagai ganti elektron yang terkoyak dari atom mereka, ruang bebas diperolehi, yang biasanya dipanggil lubang.

Secara umum, bilangan elektron dan lubang adalah sama, jadi lubang boleh menangkap elektron yang berdekatan. Akibatnya, atom dari ion positif sekali lagi menjadi neutral. Proses menggabungkan elektron dengan lubang dipanggil pengkombinan.

Pada frekuensi yang sama, elektron dipisahkan daripada atom, oleh itu, secara purata, bilangan elektron dan lubang untuk semikonduktor tertentu sama dengan, adalah tetap dan bergantung kepada keadaan luaran, terutamanya suhu.

Sekiranya voltan digunakan pada kristal semikonduktor, maka gerakan elektron akan diarahkan, arus akan mengalir melalui kristal kerana elektron dan kekonduksian lubangnya. Kekonduksian ini dipanggil intrinsik, ia telah disebutkan sedikit lebih tinggi.

Tetapi semikonduktor dalam bentuk tulen mereka, mempunyai kekonduksian elektronik dan lubang, tidak sesuai untuk pembuatan dioda, transistor, dan butiran lain, kerana asas peranti ini adalah persimpangan p-n (baca "pe-en").

Untuk mendapatkan peralihan sedemikian, dua jenis semikonduktor diperlukan, dua jenis kekonduksian (p - positif - positif, lubang) dan (n - negatif - negatif, elektronik). Jenis-jenis semikonduktor ini diperolehi oleh doping, menambah kekotoran kepada germanium tulen atau kristal silikon.

Walaupun jumlah kekotoran sangat kecil, kehadiran mereka sebahagian besarnya mengubah sifat-sifat semikonduktor, membolehkan anda mendapatkan semikonduktor dari kekonduksian yang berbeza. Ini akan dibincangkan di bahagian seterusnya artikel ini.

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