Transistorer. Del 2. Ledare, isolatorer och halvledare

Artikelens början: Transistorhistoria, Transistorer: syfte, enhet och principer för drift

I elektroteknik används olika material. De elektriska egenskaperna hos ämnen bestäms av antalet elektroner i den yttre valensbanan. Ju färre elektroner finns i denna bana, desto svagare är de förknippade med kärnan, desto lättare kan de gå att resa.

Under påverkan av temperatursvingningar bryter elektronerna bort från atomen och rör sig i det interatomiska rymden. Sådana elektroner kallas fria och de skapar en elektrisk ström i ledarna. Finns det ett stort interatomiskt utrymme, finns det plats för fria elektroner att resa inuti materien?

Strukturen hos fasta och vätskor verkar kontinuerlig och tät, vilket påminner om strukturen på en trådkula. Men i själva verket är även fasta partiklar mer som ett fiske- eller volleybollnät. Naturligtvis kan detta inte urskiljas på hushållsnivå, men det har fastställts genom exakta vetenskapliga studier att avståndet mellan elektronerna och atomkärnan är mycket större än deras egna dimensioner.

Om storleken på atomkärnan presenteras i form av en boll på en fotbolls storlek, kommer elektronerna i denna modell att vara en ärts storlek, och varje sådan ärt ligger från "kärnan" på ett avstånd av flera hundra och till och med tusentals meter. Och mellan kärnan och elektronen är tomhet - det finns helt enkelt ingenting! Om vi ​​föreställer oss avståndet mellan materiens atomer i samma skala, kommer dimensionerna att visa sig vara fantastiska - tiotals och hundratals kilometer!

Bra elledare är metaller. Till exempel har atomerna i guld och silver bara en elektron i den yttre bana, därför är de de bästa ledarna. Järn leder också el, men något sämre.

Leda el ännu värre legeringar med hög resistens. Dessa är nikrom, manganin, konstantan, fechral och andra. En sådan variation av legeringar med hög resistens beror på det faktum att de är utformade för att lösa olika problem: värmeelement, dragmätare, referensmotstånd för mätinstrument och mycket mer.

För att utvärdera förmågan hos ett material att leda elektricitet, begreppet "Elektrisk konduktivitet". Returvärdet är resistivitet. I mekanik motsvarar dessa begrepp den specifika tyngdkraften.

isolatorer, till skillnad från ledare, är inte benägna att förlora elektroner. I dem är elektronens bindning med kärnan mycket stark, och det finns nästan inga fria elektroner. Mer exakt, men mycket få. Samtidigt finns det i vissa isolatorer fler av dem, och deras isoleringskvalitet är följaktligen sämre. Det räcker med att jämföra till exempel keramik och papper. Därför kan isolatorer villkorligt delas upp i gott och dåligt.

Utseendet på fria laddningar även i isolatorer beror på termiska vibrationer hos elektroner: under påverkan av hög temperatur försämras isoleringsegenskaperna, vissa elektroner lyckas fortfarande bryta bort från kärnan.

På liknande sätt skulle resistiviteten hos en idealledare vara noll. Men lyckligtvis finns det ingen sådan ledare: föreställ dig hur Ohms lag ((I = U / R) skulle se ut med noll i nämnaren !!! Farväl till matematik och elektroteknik.

Och endast vid en absolut noll temperatur (-273,2 ° C) upphör värmefluktuationerna helt och den värsta isolatorn blir tillräckligt bra. För att numeriskt kunna fastställa "detta" är dåligt - använd bra begreppet resistivitet. Detta är motståndet i kubens ohm med en kantlängd av 1 cm, resistivitetsdimensionen erhålls i ohm / cm. Den specifika resistensen för vissa ämnen visas nedan.Konduktivitet är det ömsesidiga motståndet, är mätenheten för Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

De har god konduktivitet eller låg resistivitet: silver 1,5 * 10 ^ (- 6), läs hur (en och en halv till tio till effekten minus sex), koppar 1,78 * 10 ^ (- 6), aluminium 2,8 * 10 ^ (- 6). Konduktiviteten hos legeringar med hög resistens är mycket sämre: konstant 0,5 * 10 ^ (- 4), nikrom 1,1 * 10 ^ (- 4). Dessa legeringar kan kallas dåliga ledare. Efter alla dessa komplexa siffror, ersätt Ohm / cm.

Vidare, i en separat grupp, kan halvledare särskiljas: germanium 60 Ohm / cm, kisel 5000 Ohm / cm, selen 100 000 Ohm / cm. Resistiviteten hos denna grupp är större än dåliga ledare, men mindre än dåliga isolatorer, för att inte nämna goda. Förmodligen, med samma framgång, kunde halvledare kallas halvisolatorer.

Efter en så kort kännedom om en atoms struktur och egenskaper bör man överväga hur atomer interagerar med varandra, hur atomer interagerar med varandra, hur molekyler är gjorda av dem, från vilka olika ämnen är sammansatta. För att göra detta måste du åter komma ihåg elektronerna i atomens yttre omloppsbana. Det är ju de som deltar i bindningen av atomer till molekyler och bestämmer de fysiska och kemiska egenskaperna hos materien.

Hur atomer tillverkas av atomer

Varje atom är i stabilt tillstånd om det finns 8 elektroner i dess yttre bana. Han försöker inte ta elektroner från angränsande atomer, men han ger inte upp sina egna. För att verifiera detta räcker det i den periodiska tabellen att titta på inerta gaser: neon, argon, krypton, xenon. Var och en av dem har 8 elektroner i den yttre omloppsbana, vilket förklarar motståndet hos dessa gaser att ingå i några förhållanden (kemiska reaktioner) med andra atomer för att bygga kemikalier molekyler.

Situationen är helt annorlunda för de atomer som inte har 8 vårdade elektroner i sin yttre bana. Sådana atomer föredrar att förena sig med andra för att komplettera sin yttre omloppsbana med upp till 8 elektroner och hitta ett lugnt stabilt tillstånd.

Till exempel den välkända vattenmolekylen H2O. Den består av två väteatomer och en syreatom, som visas i figuren. 1.

bild 1. Hur en vattenmolekyl skapas.

I figurens övre del visas två väteatomer och en syreatom separat. Det finns 6 elektroner i den yttre omloppet av syre och två elektroner vid två väteatomer är i närheten. Syre tills det omhuldade nummer 8 saknas bara två elektroner i den yttre bana, som han kommer att få genom att lägga till två väteatomer till sig själv.

Varje väteatom saknar 7 elektroner i sin yttre bana för fullständig lycka. Den första väteatomen tar emot i sin yttre omloppsbana 6 elektroner från syre och en annan elektron från dess tvilling - den andra väteatomen. Det finns nu 8 elektroner i dess yttre bana tillsammans med dess elektron. Den andra väteatomen fullbordar också sin yttre omloppsbana till det uppskattade numret 8. Denna process visas i den nedre delen av figuren. 1.

På bilden 2 Processen att kombinera natrium- och kloratomer visas. Resultatet är natriumklorid, som säljs i butiker som kallas salt.

bild 2. Processen att kombinera natrium- och kloratomer

Även här får var och en av deltagarna det saknade antalet elektroner från den andra: klor fäster en enda natriumelektron till sina egna sju elektroner, medan den ger sina atomer till natriumatom. Båda atomerna i den yttre omloppsbana har åtta elektroner, det är där fullständig överenskommelse och välstånd uppnås.

Atomers valens

Atomer med 6 eller 7 elektroner i sin yttre bana tenderar att fästa 1 eller 2 elektroner till sig själva. De säger om sådana atomer att de är en eller tvåvärdig. Men om det finns en yttre omloppsbana i en atom 1, 2 eller 3 elektroner, så tenderar en sådan atom att ge dem bort. I detta fall betraktas atomen som en, två eller trivalent.

Om det finns fyra elektroner i en yttre omloppsbana, föredrar en sådan atom att kombinera med samma, som också har fyra elektroner. Så här kombineras germanium- och kiselatomer som används vid produktion av transistorer. I detta fall kallas atomerna tetravalenta. (Atomerna från germanium eller kisel kan kombineras med andra element, till exempel syre eller väte, men dessa föreningar är inte intressanta i vår historia.)

På bilden 3 en germanium- eller kiselatom visas som vill kombinera med samma atom. Små svarta cirklar är atomens egna elektroner, och ljuscirklar indikerar de platser där elektronerna från de fyra atomerna - grannarna - faller.

bild 3. Germanium Atom (kisel).

Halvledarnas kristallstruktur

Atomerna av germanium och kisel i den periodiska tabellen är i samma grupp med kol (den kemiska formeln för diamant C är helt enkelt stora kolkristaller erhållna under vissa förhållanden) och bildar därför, när de kombineras, en diamantliknande kristallstruktur. Bildandet av en sådan struktur visas, i en förenklad, givetvis form i figuren 4.

bild 4.

I mitten av kuben finns en germaniumatom och ytterligare 4 atomer finns i hörnen. Atomen som visas i mitten av kuben är bunden av dess valenselektroner till sina närmaste grannar. I sin tur ger de vinklade atomerna sina valenselektroner till atomen som ligger i mitten av kuben och dess grannar - atomer som inte visas i figuren. Således kompletteras de yttre banorna med upp till åtta elektroner. Naturligtvis finns det ingen kub i kristallgitteret, det visas bara i figuren så att det ömsesidiga, volymetriska arrangemanget av atomer är tydligt.

Men för att förenkla berättelsen om halvledare så mycket som möjligt kan kristallgittret avbildas i form av en platt schematisk ritning, trots att de interatomiska bindningarna ändå finns i rymden. En sådan krets visas i figuren. 5.

bild 5. Germaniumkristallgitteret i platt form.

I en sådan kristall är alla elektroner ordentligt fästa vid atomerna genom deras valensbindningar, därför finns det tydligen inga fria elektroner här. Det visar sig att framför oss finns en isolator i figuren, eftersom det inte finns några fria elektroner i den. Men i själva verket är detta inte så.

Inneboende konduktivitet

Faktum är att under påverkan av temperatur lyckas vissa elektroner fortfarande bryta sig loss från sina atomer och under en tid befria sig från bindningen med kärnan. Därför finns en liten mängd fria elektroner i en germaniumkristall, på grund av vilken det är möjligt att leda en elektrisk ström. Hur många fria elektroner finns i en germaniumkristall under normala förhållanden?

Det finns inte mer än två sådana fria elektroner per 10 ^ 10 (tio miljarder) atomer, så germanium är en dålig ledare, eller som är vanligt att säga en halvledare. Det bör noteras att endast ett gram germanium innehåller 10 ^ 22 (tio tusen miljarder miljarder) atomer, vilket gör att du kan "få" cirka två tusen miljarder gratiselektron. Det verkar som tillräckligt för att passera en stor elektrisk ström. För att hantera denna fråga räcker det att komma ihåg vilken ström av 1 A.

En ström på 1 A motsvarar att passera genom en ledare på en sekund en elektrisk laddning på 1 Coulomb, eller 6 * 10 ^ 18 (sex miljarder miljarder) elektron per sekund. Mot denna bakgrund är det osannolikt att två tusen miljarder gratiselektron, och till och med spridda över en enorm kristall, kommer att garantera att höga strömmar passerar. Även på grund av termisk rörelse finns det liten konduktivitet i Tyskland. Detta är den så kallade inneboende konduktiviteten.

Elektronisk och hålkonduktivitet

När temperaturen stiger överförs ytterligare energi till elektronerna, deras termiska vibrationer blir mer energiska, vilket resulterar i att vissa elektroner lyckas bryta sig loss från sina atomer.Dessa elektroner blir fria och, i frånvaro av ett externt elektriskt fält, gör slumpmässiga rörelser och rör sig i fritt utrymme.

Atomer som har tappat elektroner kan inte göra slumpmässiga rörelser, utan bara svänga något relativt deras normala position i kristallgitteret. Sådana atomer, som har tappat elektroner, kallas positiva joner. Vi kan anta att i stället för elektroner rivna från deras atomer erhålls fria utrymmen, som vanligtvis kallas hål.

I allmänhet är antalet elektron och hål detsamma, så ett hål kan fånga en elektron som är i närheten. Som ett resultat blir en atom från en positiv jon återigen neutral. Processen att kombinera elektroner med hål kallas rekombination.

Vid samma frekvens separeras elektroner från atomer, därför är antalet elektroner och hål för en viss halvledare i genomsnitt lika med, är konstant och beroende av yttre förhållanden, särskilt temperatur.

Om en spänning appliceras på halvledarkristallen kommer elektronrörelsen att beställas, en ström kommer att strömma genom kristallen på grund av dess elektron- och hålkonduktivitet. Denna konduktivitet kallas iboende, den nämndes redan lite högre.

Men halvledare i sin rena form, med elektronisk ledning och hålkonduktivitet, är olämpliga för tillverkning av dioder, transistorer och andra detaljer, eftersom grunden för dessa enheter är p-n (läs "pe-en") -korsningen.

För att få en sådan övergång behövs två typer av halvledare, två typer av konduktivitet (p - positiv - positiv, hål) och (n - negativ - negativ, elektronisk). Dessa typer av halvledare erhålls genom dopning, tillsättning av föroreningar till rena kristaller av germanium eller kisel.

Även om mängden föroreningar är mycket liten, förändrar deras närvaro till stor del egenskaperna hos halvledaren, så att du kan få halvledare med olika konduktivitet. Detta kommer att diskuteras i nästa del av artikeln.

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