Τρανζίστορ Μέρος 2. Αγωγοί, μονωτήρες και ημιαγωγοί

Έναρξη του άρθρου: Ιστορικό τρανζίστορ, Τρανζίστορ: σκοπός, συσκευή και αρχές λειτουργίας

Στην ηλεκτροτεχνία, χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ουσιών καθορίζονται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων στην τροχιά του εξωτερικού σθένους. Τα λιγότερα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυτήν την τροχιά, όσο πιο αδύναμα συνδέονται με τον πυρήνα, τόσο πιο εύκολα μπορούν να πάνε να ταξιδέψουν.

Υπό την επίδραση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας, τα ηλεκτρόνια ξεσπούν από το άτομο και μετακινούνται στον διατοματοειδή χώρο. Τέτοια ηλεκτρόνια ονομάζονται ελεύθερα και δημιουργούν ένα ηλεκτρικό ρεύμα στους αγωγούς. Υπάρχει μεγάλος διατοματικός χώρος, υπάρχει χώρος για ελεύθερα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν μέσα στην ύλη;

Η δομή των στερεών και των υγρών φαίνεται συνεχής και πυκνή, που θυμίζει τη δομή μιας σφαίρας νήματος. Αλλά στην πραγματικότητα, ακόμη και τα στερεά είναι περισσότερο σαν ένα ψάρεμα ή δίχτυ βόλεϊ. Φυσικά, αυτό δεν μπορεί να διακρίνεται σε επίπεδο νοικοκυριού, αλλά έχει διαπιστωθεί με ακριβείς επιστημονικές μελέτες ότι οι αποστάσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πυρήνα των ατόμων είναι πολύ μεγαλύτερες από τις δικές τους διαστάσεις.

Εάν το μέγεθος του ατομικού πυρήνα εκπροσωπείται με τη μορφή μίας μπάλας μεγέθους μιας μπάλας ποδοσφαίρου, τότε τα ηλεκτρόνια σε αυτό το μοντέλο θα είναι το μέγεθος ενός μπιζελιού και κάθε ένα τέτοιο μπιζέλι βρίσκεται από τον πυρήνα σε απόσταση αρκετών εκατοντάδων και χιλιάδων μέτρων. Και ανάμεσα στον πυρήνα και το ηλεκτρόνιο είναι κενότητα - δεν υπάρχει τίποτα! Αν φανταστούμε τις αποστάσεις μεταξύ των ατόμων της ύλης στην ίδια κλίμακα, οι διαστάσεις θα αποδειχθούν φανταστικές - δεκάδες και εκατοντάδες χιλιόμετρα!

Καλοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας είναι μέταλλα. Για παράδειγμα, τα άτομα του χρυσού και του αργύρου έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική τροχιά, επομένως είναι οι καλύτεροι αγωγοί. Ο σίδηρος διεξάγει επίσης ηλεκτρική ενέργεια, αλλά ελαφρώς χειρότερη.

Κάντε την ηλεκτρική ενέργεια ακόμη χειρότερη κράματα υψηλής αντοχής. Αυτά είναι το νιχρώμιο, η μαγγανίνη, η σταθεράνη, η φεχρά και άλλα. Μια τέτοια ποικιλία κραμάτων υψηλής αντοχής οφείλεται στο γεγονός ότι έχουν σχεδιαστεί για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων: στοιχεία θέρμανσης, μετρητές τάσης, αντιστάσεις αναφοράς για όργανα μέτρησης και πολλά άλλα.

Προκειμένου να αξιολογηθεί η ικανότητα ενός υλικού να διεξάγει ηλεκτρική ενέργεια, η έννοια του "Ηλεκτρική αγωγιμότητα". Η τιμή επιστροφής είναι αντίσταση. Στη μηχανική, αυτές οι έννοιες αντιστοιχούν στη συγκεκριμένη βαρύτητα.

Μονωτήρες, σε αντίθεση με τους αγωγούς, δεν έχουν την τάση να χάνουν ηλεκτρόνια. Σε αυτά, ο δεσμός του ηλεκτρονίου με τον πυρήνα είναι πολύ ισχυρός και δεν υπάρχουν σχεδόν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Πιο συγκεκριμένα, αλλά πολύ λίγοι. Ταυτόχρονα, σε μερικούς μονωτήρες υπάρχουν περισσότερα από αυτά, και η ποιότητα της μόνωσης τους είναι, κατά συνέπεια, χειρότερη. Αρκεί να συγκρίνουμε, για παράδειγμα, την κεραμική και το χαρτί. Επομένως, οι μονωτήρες μπορούν να χωριστούν υπό όρους και σε κακά.

Η εμφάνιση των ελεύθερων φορτίων ακόμη και σε μονωτήρες οφείλεται σε θερμικές δονήσεις ηλεκτρονίων: υπό την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας, οι μονωτικές ιδιότητες επιδεινώνονται, μερικά ηλεκτρόνια καταφέρνουν να ξεφύγουν από τον πυρήνα.

Ομοίως, η αντίσταση ενός ιδανικού αγωγού θα ήταν μηδενική. Αλλά ευτυχώς δεν υπάρχει τέτοιος αγωγός: φανταστείτε τι νόμος του Ohm ((I = U / R) θα έμοιαζε με μηδέν στον παρονομαστή !!! Αποχαιρετισμός στα μαθηματικά και την ηλεκτρολογία.

Και μόνο σε θερμοκρασία απόλυτου μηδενός (-273.2 ° C) οι θερμικές διακυμάνσεις σταματάν εντελώς, και ο χειρότερος μονωτήρας γίνεται αρκετά καλός. Προκειμένου να καθοριστεί αριθμητικά "αυτό" είναι κακό - καλή χρήση της έννοιας της αντίστασης. Αυτή είναι η αντίσταση σε Ohms ενός κύβου με μήκος ακμής 1 cm, η διάσταση της αντίστασης λαμβάνεται σε ohms / cm. Η συγκεκριμένη αντίσταση μερικών ουσιών φαίνεται παρακάτω.Η αγωγιμότητα είναι η αμοιβαιότητα της αντίστασης, είναι η μονάδα μέτρησης της Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Έχουν καλή αγωγιμότητα ή χαμηλή ειδική αντίσταση: ασημί 1,5 * 10 ^ (- 6), διαβάστε πώς (ενάμισι έως δέκα στη δύναμη μείον έξι), χαλκός 1,78 * 10 ^ (- 6) 10 ^ (- 6). Η αγωγιμότητα των κραμάτων με υψηλή αντίσταση είναι πολύ χειρότερη: σταθερά 0,5 * 10 ^ (- 4), νιχρώμιο 1,1 * 10 ^ (- 4). Αυτά τα κράματα μπορούν να ονομαστούν κακοί αγωγοί. Μετά από όλους αυτούς τους σύνθετους αριθμούς, αντικαταστήστε Ohm / cm.

Επιπλέον, οι ημιαγωγοί διακρίνονται ως ξεχωριστή ομάδα: γερμάνιο 60 Ohm / cm, πυρίτιο 5000 Ohm / cm, σελήνιο 100 000 Ohm / cm. Η αντίσταση αυτής της ομάδας είναι μεγαλύτερη από αυτή των κακών αγωγών, αλλά λιγότερο από αυτή των κακών μονωτών, για να μην αναφέρουμε καλά. Πιθανόν, με την ίδια επιτυχία, οι ημιαγωγοί θα μπορούσαν να ονομαστούν ημι-μονωτήρες.

Μετά από μια τέτοια σύντομη εξοικείωση με τη δομή και τις ιδιότητες ενός ατόμου, θα πρέπει να εξετάσουμε πώς αλληλεπιδρούν τα άτομα μεταξύ τους, πώς τα άτομα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, πώς τα μόρια είναι κατασκευασμένα από αυτά, από τα οποία αποτελούνται διάφορες ουσίες. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει πάλι να θυμηθείτε τα ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά του ατόμου. Μετά από όλα, είναι αυτοί που συμμετέχουν στη σύνδεση των ατόμων σε μόρια και καθορίζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες της ύλης.

Πώς τα άτομα είναι κατασκευασμένα από άτομα

Οποιοδήποτε άτομο βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση αν υπάρχουν 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του τροχιά. Δεν επιδιώκει να πάρει ηλεκτρόνια από γειτονικά άτομα, αλλά δεν παραιτείται από τα δικά του. Για να το επιβεβαιώσετε αυτό, είναι αρκετό στον περιοδικό πίνακα να εξετάσετε αδρανή αέρια: νέον, αργό, κρυπτόν, ξένον. Κάθε ένα από αυτά έχει 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά, γεγονός που εξηγεί την απροθυμία αυτών των αερίων να εισέλθουν σε οποιεσδήποτε σχέσεις (χημικές αντιδράσεις) με άλλα άτομα, για να χτίσουν μόρια χημικών ουσιών.

Η κατάσταση είναι αρκετά διαφορετική για εκείνα τα άτομα που δεν έχουν 8 αγαπημένα ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά τους. Τέτοια άτομα προτιμούν να ενωθούν με άλλους για να συμπληρώσουν την εξωτερική τους τροχιά με έως και 8 ηλεκτρόνια και να βρουν μια ήρεμη σταθερή κατάσταση.

Για παράδειγμα, το γνωστό μόριο νερού H2O. Αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου, όπως φαίνεται στο σχήμα. 1.

Σχέδιο 1. Πώς δημιουργείται ένα μόριο νερού.

Στο άνω τμήμα του σχήματος, δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου παρουσιάζονται χωριστά. Υπάρχουν 6 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά του οξυγόνου και δύο ηλεκτρόνια σε δύο άτομα υδρογόνου βρίσκονται κοντά. Το οξυγόνο μέχρι τον αγαπημένο αριθμό 8 λείπει μόνο δύο ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά, τα οποία θα λάβει με την προσθήκη δύο ατόμων υδρογόνου στον εαυτό του.

Κάθε άτομο υδρογόνου στερείται 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του τροχιά για πλήρη ευτυχία. Το πρώτο άτομο υδρογόνου λαμβάνει στην εξωτερική του τροχιά 6 ηλεκτρόνια από το οξυγόνο και ένα άλλο ηλεκτρόνιο από το δίδυμο του - το δεύτερο άτομο υδρογόνου. Υπάρχουν τώρα 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του τροχιά μαζί με το ηλεκτρόνιο. Το δεύτερο άτομο υδρογόνου συμπληρώνει επίσης την εξωτερική τροχιά του στον αγαπημένο αριθμό 8. Αυτή η διαδικασία παρουσιάζεται στο κάτω μέρος του σχήματος. 1.

Στην εικόνα 2 Περιγράφεται η διαδικασία συνδυασμού ατόμων νατρίου και χλωρίου. Το αποτέλεσμα είναι το χλωριούχο νάτριο, το οποίο πωλείται σε καταστήματα που ονομάζονται αλάτι.

Σχέδιο 2. Η διαδικασία συνδυασμού ατόμων νατρίου και χλωρίου

Και εδώ, κάθε ένας από τους συμμετέχοντες λαμβάνει τον αριθμό που λείπει από τα ηλεκτρόνια από το άλλο: το χλώριο αποδίδει ένα μόνο ηλεκτρόνιο νατρίου στα δικά του ηλεκτρόνια, ενώ δίνει τα άτομα του στο άτομο νατρίου. Και τα δύο άτομα στην εξωτερική τροχιά έχουν 8 ηλεκτρόνια, όπου επιτυγχάνεται πλήρης συμφωνία και ευημερία.

Βαλερότητα των ατόμων

Τα άτομα με 6 ή 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους τροχιά τείνουν να συνδέουν μεταξύ τους 1 ή 2 ηλεκτρόνια. Λένε για τέτοια άτομα ότι είναι ένα ή δισθενές. Αλλά αν στην εξωτερική τροχιά ενός ατόμου 1, 2 ή 3 ηλεκτρόνια, τότε ένα τέτοιο άτομο τείνει να τα απομακρύνει. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο θεωρείται ένα, δύο ή τρισθενή.

Εάν υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά ενός ατόμου, τότε ένα τέτοιο άτομο προτιμά να συνδυάζεται με το ίδιο, το οποίο έχει επίσης 4 ηλεκτρόνια. Έτσι συνδυάζονται τα άτομα γερμάνιου και πυριτίου που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των τρανζίστορ. Σε αυτή την περίπτωση, τα άτομα ονομάζονται τετρασθενείς. (Τα άτομα του γερμανού ή του πυριτίου μπορούν να συνδυαστούν με άλλα στοιχεία, όπως για παράδειγμα οξυγόνο ή υδρογόνο, αλλά αυτές οι ενώσεις δεν είναι ενδιαφέρουσες στο σχέδιο της ιστορίας μας).

Στην εικόνα 3 ένα άτομο γερμάνιου ή πυριτίου παρουσιάζεται που επιθυμεί να συνδυαστεί με το ίδιο άτομο. Οι μικροί μαύροι κύκλοι είναι τα ίδια τα ηλεκτρόνια του ατόμου, και οι κύκλοι φωτός υποδεικνύουν τους τόπους όπου πέφτουν τα ηλεκτρόνια των τεσσάρων ατόμων - γείτονες.

Σχέδιο 3. Ατομ γερμανίου (πυρίτιο).

Η κρυσταλλική δομή των ημιαγωγών

Τα άτομα γερμανίου και πυριτίου στον περιοδικό πίνακα είναι στην ίδια ομάδα με τον άνθρακα (ο χημικός τύπος του διαμαντιού C είναι απλώς μεγάλοι κρύσταλλοι άνθρακα που λαμβάνονται υπό ορισμένες συνθήκες) και επομένως όταν συνδυάζονται, σχηματίζουν κρυσταλλική δομή παρόμοια με το διαμάντι. Ο σχηματισμός μιας τέτοιας δομής παρουσιάζεται, σε μια απλοποιημένη, φυσικά, μορφή στο σχήμα 4.

Σχέδιο 4.

Στο κέντρο του κύβου είναι ένα άτομο γερμάνιου και 4 ακόμα άτομα βρίσκονται στις γωνίες. Το άτομο που απεικονίζεται στο κέντρο του κύβου δεσμεύεται από τα ηλεκτρόνια του σθένους στους πλησιέστερους γείτονές του. Με τη σειρά τους, τα γωνιακά άτομα δίνουν τα ηλεκτρόνια σθένους τους στο άτομο που βρίσκεται στο κέντρο του κύβου και των γειτόνων του - άτομα που δεν φαίνονται στο σχήμα. Έτσι, οι εξωτερικές τροχιές συμπληρώνονται με έως και οκτώ ηλεκτρόνια. Φυσικά, δεν υπάρχει κύβος στο κρυσταλλικό πλέγμα, φαίνεται ακριβώς στο σχήμα έτσι ώστε η αμοιβαία, ογκομετρική διάταξη των ατόμων είναι σαφής.

Αλλά για να απλοποιηθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η ιστορία για τους ημιαγωγούς, το κρυσταλλικό πλέγμα μπορεί να απεικονιστεί με τη μορφή ενός επίπεδου σχηματικού σχεδίου, παρά το γεγονός ότι οι διατοτομικοί δεσμοί βρίσκονται ωστόσο στο διάστημα. Ένα τέτοιο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα. 5.

Σχέδιο 5. Το κρυσταλλικό πλέγμα γερμανίου σε επίπεδη μορφή.

Σε ένα τέτοιο κρύσταλλο, όλα τα ηλεκτρόνια συνδέονται στενά με τα άτομα με τους δεσμούς σθένους τους, επομένως, προφανώς, απλά δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια εδώ. Αποδεικνύεται ότι μπροστά μας είναι ένας μονωτήρας στην εικόνα, δεδομένου ότι δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια σε αυτό. Αλλά, στην πραγματικότητα, αυτό δεν συμβαίνει.

Η εγγενής αγωγιμότητα

Το γεγονός είναι ότι κάτω από την επίδραση της θερμοκρασίας, μερικά ηλεκτρόνια καταφέρνουν ακόμα να ξεφύγουν από τα άτομα τους και για κάποιο διάστημα απελευθερώνονται από τον δεσμό με τον πυρήνα. Επομένως, υπάρχει μια μικρή ποσότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων σε ένα γερμάνιο κρύσταλλο, λόγω του οποίου είναι δυνατό να διεξαχθεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Πόσα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε κρυστάλλους γερμανού υπό κανονικές συνθήκες;

Δεν υπάρχουν περισσότερα από δύο τέτοιου είδους ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά 10 ^ 10 (δέκα δισεκατομμύρια) άτομα, επομένως το γερμάνιο είναι ένας κακός αγωγός, ή όπως συμβαίνει να λέει ο ημιαγωγός. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι μόνο ένα γραμμάριο γερμανίου περιέχει 10 ^ 22 (δέκα χιλιάδες δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια) άτομα, πράγμα που σας επιτρέπει να «αποκτήσετε» περίπου δύο χιλιάδες δισεκατομμύρια ελεύθερα ηλεκτρόνια. Φαίνεται αρκετά για να περάσει ένα μεγάλο ηλεκτρικό ρεύμα. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το ζήτημα, αρκεί να υπενθυμίσουμε τι ένα ρεύμα 1 Α.

Ένα ρεύμα 1 Α αντιστοιχεί στη διέλευση μέσω ενός αγωγού σε ένα δευτερόλεπτο ενός ηλεκτρικού φορτίου 1 Coulomb, ή 6 * 10 ^ 18 (έξι δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια) ηλεκτρονίων ανά δευτερόλεπτο. Σε αυτό το πλαίσιο, δύο χιλιάδες δισεκατομμύρια ελεύθερα ηλεκτρόνια, ακόμη και διασκορπισμένα σε ένα τεράστιο κρύσταλλο, είναι απίθανο να εξασφαλίσουν τη διέλευση υψηλών ρευμάτων. Παρόλο που, λόγω της θερμικής κίνησης, υπάρχει μικρή αγωγιμότητα στη Γερμανία. Αυτή είναι η λεγόμενη εγγενής αγωγιμότητα.

Ηλεκτρονική αγωγιμότητα οπών

Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, μεταφέρεται επιπλέον ενέργεια στα ηλεκτρόνια, οι θερμικές τους δονήσεις γίνονται πιο ενεργητικές, με αποτέλεσμα ορισμένα ηλεκτρόνια να καταφέρουν να ξεφύγουν από τα άτομα τους.Αυτά τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα και, ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, κάνουν χαοτικές κινήσεις και κινούνται σε ελεύθερο χώρο.

Τα άτομα που έχουν χάσει τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κάνουν τυχαίες κινήσεις, αλλά μόνο ελαφρώς ταλαντεύονται σε σχέση με την κανονική τους θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα. Τέτοια άτομα, τα οποία έχουν χάσει τα ηλεκτρόνια, ονομάζονται θετικά ιόντα. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι στη θέση των ηλεκτρονίων που έχουν σχιστεί από τα άτομα τους, αποκτούνται ελεύθεροι χώροι, οι οποίοι συνήθως ονομάζονται τρύπες.

Γενικά, ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των τρυπών είναι ο ίδιος, έτσι μια τρύπα μπορεί να συλλάβει ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται κοντά. Ως αποτέλεσμα, ένα άτομο από θετικό ιόν γίνεται και πάλι ουδέτερο. Η διαδικασία συνδυασμού ηλεκτρονίων με οπές ονομάζεται ανασυνδυασμός.

Στην ίδια συχνότητα, τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται από τα άτομα, επομένως, κατά μέσο όρο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των οπών για ένα συγκεκριμένο ημιαγωγό είναι ίσος με, είναι σταθερός και εξαρτάται από τις εξωτερικές συνθήκες, ιδιαίτερα τη θερμοκρασία.

Εάν εφαρμοστεί τάση στον κρυστάλλωμα ημιαγωγού, τότε θα διαταχθεί η κίνηση των ηλεκτρονίων, ένα ρεύμα θα ρέει διαμέσου του κρυστάλλου λόγω της ηλεκτρονικής και αγωγιμότητάς του. Αυτή η αγωγιμότητα ονομάζεται εγγενής, αναφέρθηκε ήδη λίγο υψηλότερα.

Αλλά οι καθαροί ημιαγωγοί με ηλεκτρονική αγωγιμότητα οπών είναι ακατάλληλοι για την κατασκευή διόδων, τρανζίστορ και άλλων λεπτομερειών, καθώς η βάση αυτών των συσκευών είναι η σύνδεση p-n (ανάγνωση "pe-en").

Για να επιτευχθεί μια τέτοια μετάβαση, χρειάζονται δύο τύποι ημιαγωγών, δύο τύποι αγωγιμότητας (ρ - θετικό - θετικό, οπή) και (n - αρνητικό - αρνητικό, ηλεκτρονικό). Αυτοί οι τύποι ημιαγωγών λαμβάνονται με ντόπινγκ, προσθέτοντας ακαθαρσίες σε κρυστάλλους καθαρού γερμάνιου ή πυριτίου.

Αν και η ποσότητα των προσμείξεων είναι πολύ μικρή, η παρουσία τους σε μεγάλο βαθμό αλλάζει τις ιδιότητες του ημιαγωγού, σας επιτρέπει να έχετε ημιαγωγούς διαφορετικής αγωγιμότητας. Αυτό θα συζητηθεί στο επόμενο μέρος του άρθρου.

Boris Aladyshkin, https://elv.electricianexp.com