Transistorer. Del 3. Vad transistorer är gjorda av

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

Rena halvledare har samma mängd fria elektroner och hål. Sådana halvledare används inte för tillverkning av halvledaranordningar, som sagt i den föregående delen av artikeln.

För produktion av transistorer (i detta fall betyder de också dioder, mikrokretsar och faktiskt alla halvledaranordningar), n och p-typer av halvledare används: med elektronisk ledning och hålkonduktivitet. I halvledare av n-typ är elektroner de viktigaste laddningsbärarna och hål i halvledare av p-typ.

Halvledare med den erforderliga typen av konduktivitet erhålls genom dopning (tillsats av föroreningar) till rena halvledare. Mängden av dessa föroreningar är liten, men egenskaperna hos halvledaren förändras bortom erkännande.

dopämnen

Transistorer skulle inte vara transistorer om de inte använde tre och pentavalenta element, som används som legeringsföroreningar. Utan dessa element skulle det helt enkelt ha varit omöjligt att skapa halvledare med olika konduktivitet, skapa en pn (läser pe - en) -korsning och transistor som helhet.

Å ena sidan används indium, gallium och aluminium som trivalenta föroreningar. Deras yttre skal innehåller bara tre elektroner. Sådana föroreningar tar bort elektroner från halvledarens atomer med resultatet att ledningsförmågan hos halvledaren blir hål. Sådana element kallas acceptorer - "taker".

Å andra sidan är detta antimon och arsenik, som är pentavalenta element. De har 5 elektroner i sin yttre bana. När de kommer in i de ordnade raderna med kristallgitteret kan de inte hitta en plats för den femte elektronen, den förblir fri, och konduktiviteten hos halvledaren blir elektron eller typ n. Sådana föroreningar kallas givare - ”givaren”.

Figur 1 visar en tabell över kemiska element som används vid produktion av transistorer.

Figur 1. Effekten av föroreningar på egenskaperna hos halvledare

Även i en kemiskt ren kristall från en halvledare, till exempel, germanium, finns föroreningar. Deras antal är liten - en föroreningsatom per en miljard atomer i Tyskland själv. Och på en kubikcentimeter visar det sig om femtiotusen miljarder främmande organ, som kallas föroreningsatomer. Gillar du mycket?

Här är tiden att komma ihåg att vid en ström av 1 A passerar en laddning på 1 Coulomb, eller 6 * 10 ^ 18 (sex miljarder miljarder) elektron per sekund, genom ledaren. Med andra ord finns det inte så många föroreningsatomer och de ger halvledaren mycket liten konduktivitet. Det visar sig antingen vara en dålig ledare eller inte en särskilt bra isolator. I allmänhet en halvledare.

Hur är en halvledare med konduktivitet n

Låt oss se vad som händer om en pentavalent atom av antimon eller arsenik införs i en germaniumkristall. Detta visas ganska tydligt i figur 2.

Bild 2. Introduktion av en 5-valensförorening i en halvledare.

En kort kommentar till figur 2, som borde ha gjorts tidigare. Varje linje mellan intilliggande atomer i halvledaren i figuren bör vara dubbel, vilket visar att två elektroner är involverade i bindningen. En sådan bindning kallas kovalent och visas i figur 3.

Figur 3. Kovalent bindning i en kiselkristall.

För Tyskland skulle mönstret vara exakt detsamma.

Den pentavalenta föroreningsatomen införs i kristallgitteret, för den har helt enkelt ingenstans att gå.Han använder fyra av sina fem valenselektroner för att skapa kovalenta bindningar med angränsande atomer och införs i kristallgitteret. Men den femte elektronen kommer att förbli fri. Det mest intressanta är att själva föroreningarnas atom i detta fall blir en positiv jon.

Föroreningen i detta fall kallas en givare, den ger halvledaren ytterligare elektroner, som kommer att vara huvudladdningsbärarna i halvledaren. Halvledaren själv, som fick ytterligare elektroner från givaren, kommer att vara en halvledare med elektronisk konduktivitet eller av typ n - negativ.

Föroreningar införs i halvledare i små mängder, endast en atom per tio miljoner atomer av germium eller kisel. Men detta är hundratals udda gånger mer än innehållet av inneboende föroreningar i den renaste kristallen, som skrivits precis ovan.

Om vi ​​nu fäster en galvanisk cell till den resulterande typen n halvledare, som visas i figur 4, kommer elektronerna (cirklar med ett minus inuti) under batteriets elektriska fält att rusa till sin positiva utgång. Den negativa polen för den aktuella källan kommer att ge lika många elektroner till kristallen. Därför kommer en elektrisk ström att flyta genom halvledaren.

Figur 4

Sexhörningar, som har ett plustecken inuti, är inget annat än föroreningsatomer som donerar elektroner. Nu är det positiva joner. Resultatet av det föregående är följande: införandet av en orenhetsgivare i halvledaren säkerställer injektion av fria elektroner. Resultatet är en halvledare med elektronisk konduktivitet eller typ n.

Om atomer av ett ämne med tre elektroner i en extern omloppsbana, såsom indium, läggs till en halvledare, germanium eller kisel, blir resultatet helt uppriktigt tvärtom. Denna förening visas i figur 5.

Bild 5. Introduktion av en 3-valensförorening i en halvledare.

Om en nuvarande källa nu är ansluten till en sådan kristall, kommer rörelsen av hål att få en ordnad karaktär. Förskjutningsfaser visas i figur 6.

Figur 6. Hålledningsfaser

Hålet som ligger i den första atomen till höger, detta är bara den trivalenta atomen i föroreningen, fångar elektron från grannen till vänster, vilket resulterar i att hålet kvarstår i det. Detta hål är i sin tur fylld med en elektron som rivits från sin granne (i figuren är det igen till vänster).

På detta sätt skapas rörelsen av positivt laddade hål från den positiva till den negativa polen på batteriet. Detta fortsätter tills hålet kommer nära den aktuella källans negativa pol och fylls med en elektron från den. Samtidigt lämnar elektronen sin atom från källan närmast den positiva terminalen, ett nytt hål erhålls och processen upprepas igen.

För att inte bli förvirrad över vilken typ av halvledare som erhålls när en orenhet införs är det tillräckligt att komma ihåg att ordet "givare" har bokstaven en (negativ) - en halvledare av typ n erhålls. Och i ordet acceptor finns bokstaven pe (positiv) - en halvledare med konduktivitet p.

Konventionella kristaller, till exempel Tyskland, i den form de existerar i naturen, är olämpliga för framställning av halvledaranordningar. Faktum är att en vanlig naturlig germaniumkristall består av små kristaller som odlas tillsammans.

Först renades utgångsmaterialet från föroreningar, varefter germanium smältes och ett frö sänktes ned i smältan, en liten kristall med ett vanligt gitter. Fröet roterade långsamt i smältan och steg gradvis upp. Smältan omslöt fröet och kylningen bildade en stor enkelkristallstav med ett vanligt kristallgitter. Utseendet på den erhållna enkristallen visas i figur 7.

Figur 7

Vid tillverkningen av en enda kristall tillsattes ett dopmedel av typen p eller n till smältan, varigenom kristallens önskade konduktivitet erhölls. Denna kristall skars i små plattor, som i transistorn blev basen.

Samlaren och emittern gjordes på olika sätt. Det enklaste var att små bitar indium placerades på motsatta sidor av plattan, som svetsades, varmed kontaktpunkten blev 600 grader. Efter kylning av hela strukturen erhöll de indiummättade regionerna konduktivitet av p-typ. Den erhållna kristallen installerades i höljet och ledningarna var anslutna, vilket resulterade i att legerade plana transistorer erhölls. Utformningen av denna transistor visas i figur 8.

Figur 8

Sådana transistorer producerades på sextiotalet av det tjugonde århundradet under varumärket MP39, MP40, MP42, etc. Nu är det nästan en museumutställning. De mest använda transistorerna i p-n-p-kretsstrukturen.

1955 utvecklades en diffusionstransistor. Enligt denna teknik placerades en germaniumplatta i en gasatmosfär innehållande ångor med önskad orenhet för att bilda uppsamlare- och emitterregionerna. I denna atmosfär upphettades plattan till en temperatur strax under smältpunkten och hölls under den erforderliga tiden. Som ett resultat penetrerade föroreningsatomer kristallgitteret och bildade pn-korsningar. En sådan process kallas diffusionsmetoden, och transistorerna själva kallas diffusion.

Frekvensegenskaperna hos legeringstransistorer, måste sägas, lämna mycket att önska: avstängningsfrekvensen är inte mer än flera tiotals megahertz, vilket gör att du kan använda dem som en nyckel vid låga och medelhöga frekvenser. Sådana transistorer kallas lågfrekvens och förstärker med säkerhet bara frekvenserna för ljudområdet. Även om kisel-germanium-transistorer länge har ersatts av kisel-transistorer, tillverkas germanium-transistorer fortfarande för speciella tillämpningar där låg spänning krävs för att förspänna sändaren i framåtriktningen.

Kiseltransistorer produceras enligt plan teknik. Detta innebär att alla övergångar går till en yta. De ersatte nästan fullständigt Germanium-transistorer från diskreta elementkretsar och används som komponenter i integrerade kretsar där Germanium aldrig har använts. För närvarande är en germanium-transistor mycket svår att hitta.

Läs vidare i nästa artikel.

Boris Aladyshkin