Транзистори Део 3. Од чега се праве транзистори

Почетак чланка: Историја транзистора, Транзистори: сврха, уређај и принципи рада, Проводници, изолатори и полуводичи

Чисти полуводичи имају исту количину слободних електрона и рупа. Такви полуводичи се не користе за производњу полуводичких уређаја, као што је речено у претходном делу чланка.

За производњу транзистора (у овом случају они подразумевају и диоде, микроцирке и заправо све полуводичке уређаје) користе се полуводичи н и п типа: са електронском и рупном проводљивошћу. У полуводичима н-типа, електрони су главни носачи набоја, а рупе у п-проводницима.

Полупроводници са потребном врстом проводљивости добијају се допингом (додавањем нечистоћа) чистим полуводичима. Количина ових нечистоћа је мала, али својства полуводича се мењају до препознавања.

Допантс

Транзистори не би били транзистори када не би користили три и пентавалентне елементе, који се користе као легирање нечистоће. Без ових елемената једноставно би било немогуће створити полуводиче различите проводљивости, створити пн (чита се пе) ен спој и транзистор у целини.

С једне стране, индијум, галијум и алуминијум се користе као тровалентне нечистоће. Њихова спољашња љуска садржи само 3 електрона. Такве нечистоће одузимају електроне од атома полуводича, што резултира да проводљивост полуводича постаје рупа. Такви елементи се називају акцептори - "такер".

С друге стране, то су антимон и арсен, који су пентавалентни елементи. Имају 5 електрона у својој спољној орбити. Улазећи у витке редове кристалне решетке, они не могу да нађу место за пети електрон, он остаје слободан, а проводљивост полуводича постаје електрон или тип н. Такве нечистоће називају се донатори - „даваоци“.

На слици 1 приказана је табела хемијских елемената који се користе у производњи транзистора.

Слика 1. Утицај нечистоћа на својства полуводича

Чак и у хемијски чистом кристалу полуводича, на пример, германијум, садрже се нечистоће. Њихов број је мали - један атом нечистоће на милијарду атома саме Немачке. И у једном кубном центиметру добијете око педесет хиљада милијарди страних тела, која се називају нечистоћи атома. Као пуно?

Ево времена да се сетимо да при струји од 1 А кроз проводник пролази наелектрисање од 1 Кулона, или 6 * 10 ^ 18 (шест милијарди милијарди) електрона у секунди. Другим речима, нема толико атома нечистоћа и они дају полуводичу веома малу проводљивост. Испада да је или лош проводник или да није баш добар изолатор. Генерално, полуводич.

Како је полуводич са проводљивошћу н

Да видимо шта се дешава ако се у кристал германијума уведе пентавалентни атом антимона или арсена. То је сасвим јасно приказано на слици 2.

Слика 2. Увођење 5-валентне нечистоће у полуводич.

Кратак коментар на слици 2, што је требало учинити раније. Свака линија између суседних атома полуводича на слици треба да буде дупла, што показује да су у вези укључена два електрона. Таква веза се зове ковалентна и приказана је на слици 3.

Слика 3. Ковалентна веза у кристалу силицијума.

За Немачку, образац би био потпуно исти.

Пентавалентни атом нечистоћа уводи се у кристалну решетку, јер једноставно нема куда.Користи четири од својих пет валентних електрона за стварање ковалентних веза са сусједним атомима и уводи се у кристалну решетку. Али пети електрон ће остати слободан. Најзанимљивије је да сам атом нечистоће у овом случају постаје позитиван јон.

Нечистоћа се у овом случају назива донор, она даје полуводичу додатне електроне, који ће бити главни носачи набоја у полуводичу. Сам полуводич, који је од донатора добио додатне електроне, биће полупроводник са електронском проводљивошћу или типа н - негативан.

Нечистоће се уводе у полуводиче у малим количинама, само један атом на десет милиона атома германијума или силицијума. Али ово је сто пута више од садржаја унутрашњих нечистоћа у најчишћем кристалу, као што је написано мало изнад.

Ако сада прикључимо галванску ћелију на резултирајући полуводич типа н, као што је приказано на слици 4, тада ће електрони (кругови са минусом унутар) под дејством електричног поља акумулатора пожурити на свој позитиван излаз. Негативни пол тренутног извора ће дати што више електрона кристалу. Због тога ће кроз полуводич тећи електрична струја.

Слика 4

Шестерокутници, који у себи имају знак плус, нису ништа друго до атоми нечистоћа који донирају електроне. Ово су позитивни јони. Резултат претходног је следећи: увођење донора нечистоћа у полуводич осигурава убризгавање слободних електрона. Резултат је полуводич са електронском проводљивошћу или тип н.

Ако се атоми материје са три електрона у спољној орбити, као што је индијум, додају полуводичу, германијуму или силицијуму, тада ће резултат бити, сасвим искрено, супротан. Ова повезаност је приказана на слици 5.

Слика 5. Увођење 3-валентне нечистоће у полуводич.

Ако је садашњи извор струје причвршћен на такав кристал, тада ће кретање рупа попримити наручени карактер. Фазе помака приказане су на слици 6.

Слика 6. Фазе проводљивости отвора

Рупа која се налази у првом атому са десне стране, ово је само тровалентни атом нечистоће, који хвата електроне од суседа са леве стране, као резултат тога рупа остаје у њему. Ову рупу заузврат испуњава електрон растрган од свог суседа (на слици је опет лево).

На овај начин се ствара кретање позитивно наелектрисаних рупа од позитивног до негативног пола батерије. То се наставља све док се рупа не приближи негативном полу тренутног извора и не испуни електрон из ње. У исто време, електрон напушта свој атом из извора најближег позитивном терминалу, добија се нова рупа и поступак се поново понавља.

Да се ​​не би збунили који тип полуводича се добија када се унесе нечистоћа, довољно је упамтити да реч „донор“ има слово ен (негативно) - добија се полуводич типа н. А у речи акцептор налази се слово пе (позитивно) - полуводич са проводљивошћу п.

Конвенционални кристали, на пример, Немачка, у облику у којем постоје у природи, нису погодни за производњу полуводичких уређаја. Чињеница је да се обичан природни кристал германијума састоји од малих кристала који су узгајани заједно.

Прво се почетни материјал очисти од нечистоће, након чега се германијум растопи и у добивену талину спусти семе, мали кристал са редовном решетком. Семе се полако ротира у талини и постепено се уздиже. Растопина је обухватила семе и хлађењем је формирала велику монокристалну шипку са правилном кристалном решетком. Изглед добијеног монокристала приказан је на слици 7.

Слика 7

У процесу производње једног кристала, растопина п или н типа је додата у талину, чиме се добија жељена проводљивост кристала. Овај кристал је исечен на мале плоче, које су у транзистору постале база.

Колектор и емитер израђени су на различите начине. Најједноставније је било да су мали комадићи индија постављени на супротне стране тањира, који су заварени, загревајући тачку контакта на 600 степени. Након хлађења целе структуре, области засићене индијумом су стекле проводљивост п типа. Добивени кристал уграђен је у кућиште и водичи су спојени, као резултат добијања легираних равних транзистора. Дизајн овог транзистора приказан је на слици 8.

Слика 8

Такви транзистори су произведени шездесетих година двадесетог века под марком МП39, МП40, МП42, итд. Сада је то скоро музејски експонат. Најраширенији транзистори структуре п-н-п склопа.

Године 1955. развијен је дифузиони транзистор. Према овој технологији, да би се формирале области сакупљача и емитера, германијум плоча је постављена у гасну атмосферу која садржи паре жељене нечистоће. У овој атмосфери плоча је загревана до температуре тачно испод тачке топљења и задржана је потребно време. Као резултат тога, атоми нечистоћа продрли су у кристалну решетку, формирајући пн спојеве. Такав поступак је познат као дифузијска метода, а сами транзистори се називају дифузија.

Морамо рећи, фреквенцијска својства легураних транзистора остављају много жељеног: фреквенција искључивања није већа од неколико десетина мегахерца, што вам омогућава да их користите као кључ на ниским и средњим фреквенцијама. Такви транзистори се називају нискофреквентни и сигурно ће појачати само фреквенције аудио опсега. Иако су транзистори од легуре силицијума одавно замењени транзисторима силицијума, транзистори германију се и даље производе за посебне примене где је потребан низак напон да би се емитер померао у правцу кретања.

Силиконски транзистори се производе по планарној технологији. То значи да сви прелази иду на једну површину. Они су готово у потпуности заменили германијумске транзисторе из дискретних елемената и користе се као компоненте интегрисаних кола где германијум никада није коришћен. Тренутно је врло тешко наћи германијум транзистор.

Прочитајте у следећем чланку.

Борис Аладисхкин