Τρανζίστορ Μέρος 3. Τι είναι τα τρανζίστορ

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

Τα καθαρά ημιαγωγοί έχουν την ίδια ποσότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Αυτοί οι ημιαγωγοί δεν χρησιμοποιούνται για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών, όπως ειπώθηκε στο προηγούμενο μέρος του άρθρου.

Για την παραγωγή τρανζίστορ (στην περίπτωση αυτή, πρόκειται επίσης για διόδους, μικροκυκλώματα και όντως για όλες τις συσκευές ημιαγωγών), χρησιμοποιούνται ημιαγωγοί n και p: με ηλεκτρονική αγωγιμότητα οπών. Σε ημιαγωγοί τύπου η, τα ηλεκτρόνια είναι οι κύριοι φορείς φορτίου και οι οπές σε ημιαγωγούς τύπου ρ.

Οι ημιαγωγοί με τον απαιτούμενο τύπο αγωγιμότητας λαμβάνονται με ντόπινγκ (προσθήκη ακαθαρσιών) σε καθαρούς ημιαγωγούς. Η ποσότητα αυτών των ακαθαρσιών είναι μικρή, αλλά οι ιδιότητες της ημιαγωγού αλλάζουν πέρα ​​από την αναγνώριση.

Πρόσθετα

Τα τρανζίστορ δεν θα ήταν τρανζίστορ αν δεν χρησιμοποιούσαν τρία και πενταπλά στοιχεία, τα οποία χρησιμοποιούνται ως ακαθαρσίες κράματος. Χωρίς αυτά τα στοιχεία, απλά θα ήταν αδύνατο να δημιουργηθούν ημιαγωγοί διαφορετικής αγωγιμότητας, για να δημιουργηθεί μια συνένωση pn (reads pe - en) και τρανζίστορ ως σύνολο.

Από τη μία πλευρά, το ινδίου, το γάλλιο και το αλουμίνιο χρησιμοποιούνται ως τρισθενές ακαθαρσίες. Το εξωτερικό τους κέλυφος περιέχει μόνο 3 ηλεκτρόνια. Τέτοιες ακαθαρσίες αφαιρούν ηλεκτρόνια από τα άτομα του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα η αγωγιμότητα του ημιαγωγού να γίνεται τρύπα. Αυτά τα στοιχεία ονομάζονται αποδέκτες - "ληστής".

Από την άλλη πλευρά, αυτά είναι το αντιμόνιο και το αρσενικό, τα οποία είναι πεντακάθαρα στοιχεία. Έχουν 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά τους. Εισερχόμενοι στις λεπτές τάξεις του κρυσταλλικού πλέγματος, δεν μπορούν να βρουν μια θέση για το πέμπτο ηλεκτρόνιο, παραμένουν ελεύθερες και η αγωγιμότητα του ημιαγωγού γίνεται ηλεκτρονίων ή τύπου n. Τέτοιες προσμείξεις ονομάζονται δότες - ο "δωρητής".

Το σχήμα 1 δείχνει έναν πίνακα χημικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή τρανζίστορ.

Σχήμα 1. Η επίδραση των προσμείξεων στις ιδιότητες των ημιαγωγών

Ακόμη και σε χημικώς καθαρό κρύσταλλο ημιαγωγού, για παράδειγμα, γερμάνιο, περιέχονται ακαθαρσίες. Ο αριθμός τους είναι μικρός - ένα άτομο ακαθαρσίας ανά ένα δισεκατομμύριο άτομα της ίδιας της Γερμανίας. Και σε ένα κυβικό εκατοστό, παίρνετε περίπου πενήντα χιλιάδες δισεκατομμύρια ξένα σώματα, τα οποία ονομάζονται άτομα ακαθαρσιών. Όπως πολλά;

Εδώ είναι ο χρόνος να θυμόμαστε ότι σε ένα ρεύμα 1 Α, ένα φορτίο 1 Coulomb περνά μέσα από τον αγωγό, ή 6 * 10 ^ 18 (έξι δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια) ηλεκτρόνια ανά δευτερόλεπτο. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχουν τόσα πολλά άτομα ακαθαρσίας και δίνουν στον ημιαγωγό πολύ μικρή αγωγιμότητα. Αποδεικνύεται είτε ένας κακός αγωγός, είτε όχι ένας πολύ καλός μονωτήρας. Γενικά, ένας ημιαγωγός.

Πώς είναι ένας ημιαγωγός με αγωγιμότητα n

Ας δούμε τι συμβαίνει εάν εισάγεται ένα πεντασθενές άτομο αντιμονίου ή αρσενικού σε ένα κρύσταλλο γερμανού. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα στο Σχήμα 2.

Σχήμα 2. Εισαγωγή μιας προσμείξεως 5-σθένους σε ένα ημιαγωγό.

Ένα σύντομο σχόλιο για το σχήμα 2, το οποίο θα έπρεπε να είχε γίνει νωρίτερα. Κάθε γραμμή μεταξύ παρακείμενων ατόμων του ημιαγωγού στο σχήμα πρέπει να είναι διπλή, δείχνοντας ότι δύο ηλεκτρόνια εμπλέκονται στον δεσμό. Ένας τέτοιος δεσμός ονομάζεται ομοιοπολικό και παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3. Ομοιοπολικός δεσμός σε κρύσταλλο πυριτίου.

Για τη Γερμανία, το πρότυπο θα ήταν ακριβώς το ίδιο.

Ένα πεντασθενές άτομο ακαθαρσίας εισάγεται στο κρυσταλλικό πλέγμα, επειδή απλά δεν έχει πουθενά να πάει.Χρησιμοποιεί τέσσερα από τα πέντε ηλεκτρόνια του σθένους για να δημιουργήσει ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά άτομα και εισάγεται στο κρυσταλλικό πλέγμα. Αλλά το πέμπτο ηλεκτρόνιο θα παραμείνει ελεύθερο. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι το άτομο της ίδιας της ακαθαρσίας στην περίπτωση αυτή γίνεται θετικό ιόν.

Η πρόσμειξη σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται δωρητής · δίνει στους ημιαγωγούς πρόσθετα ηλεκτρόνια, τα οποία θα είναι οι κύριοι φορείς φορτίου στον ημιαγωγό. Ο ίδιος ο ημιαγωγός, ο οποίος έλαβε επιπλέον ηλεκτρόνια από τον δότη, θα είναι ημιαγωγός με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ή τύπου n - αρνητικός.

Οι ακαθαρσίες εισάγονται σε ημιαγωγούς σε μικρές ποσότητες, μόνο ένα άτομο ανά δέκα εκατομμύρια άτομα γερμανίου ή πυριτίου. Αλλά αυτό είναι εκατοντάδες φορές περισσότερο από το περιεχόμενο των εγγενών ακαθαρσιών στον καθαρότερο κρύσταλλο, όπως γράφτηκε παραπάνω.

Αν τώρα συνδέσουμε ένα γαλβανικό στοιχείο με τον προκύπτοντα ημιαγωγό τύπου n, όπως φαίνεται στο σχήμα 4, τότε τα ηλεκτρόνια (κύκλοι με μείον μέσα) κάτω από τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου της μπαταρίας θα βυθιστούν στη θετική έξοδο του. Ο αρνητικός πόλος της πηγής ρεύματος θα δώσει τόσα ηλεκτρόνια στον κρύσταλλο. Ως εκ τούτου, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα ρέει μέσω του ημιαγωγού.

Σχήμα 4

Τα εξάγωνα, τα οποία έχουν ένα σύμβολο συν στο εσωτερικό τους, δεν είναι τίποτε άλλο παρά άτομα με πρόσμειξη που δίνουν ηλεκτρόνια. Τώρα αυτά είναι θετικά ιόντα. Το αποτέλεσμα των προαναφερθέντων είναι το εξής: η εισαγωγή ενός δότη ακαθαρσιών στον ημιαγωγό εξασφαλίζει την έγχυση ελεύθερων ηλεκτρονίων. Το αποτέλεσμα είναι ημιαγωγός με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ή τύπος n.

Εάν τα άτομα μιας ουσίας με τρία ηλεκτρόνια σε μια εξωτερική τροχιά, όπως το ίνδιο, προστεθούν σε ημιαγωγό, γερμάνιο ή πυρίτιο, τότε το αποτέλεσμα θα είναι, ειλικρινά, το αντίθετο. Αυτή η συσχέτιση παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.

Σχήμα 5. Εισαγωγή μιας προσμείξεως 3-σθένους σε ένα ημιαγωγό.

Εάν τώρα μια πηγή ρεύματος είναι συνδεδεμένη με ένα τέτοιο κρύσταλλο, τότε η κίνηση των τρυπών θα πάρει έναν διατεταγμένο χαρακτήρα. Οι φάσεις μετατόπισης φαίνονται στο σχήμα 6.

Σχήμα 6. Φάσεις αγωγιμότητας οπών

Η τρύπα που βρίσκεται στο πρώτο άτομο στα δεξιά, αυτό είναι ακριβώς το τρισθενές άτομο ακαθαρσίας, συλλαμβάνει το ηλεκτρόνιο από τον γείτονα στα αριστερά, ως αποτέλεσμα του οποίου η τρύπα παραμένει σε αυτό. Αυτή η τρύπα, με τη σειρά της, είναι γεμάτη με ένα ηλεκτρόνιο σχισμένο από τον γείτονά του (στο σχήμα είναι και πάλι προς τα αριστερά).

Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται η κίνηση των θετικά φορτισμένων οπών από τον θετικό προς τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας. Αυτό συνεχίζεται μέχρι η τρύπα να πλησιάσει τον αρνητικό πόλο της πηγής ρεύματος και να γεμίσει με ένα ηλεκτρόνιο από αυτήν. Την ίδια στιγμή, το ηλεκτρόνιο αφήνει το άτομο του από την πηγή που βρίσκεται πλησιέστερα στο θετικό τερματικό, αποκτάται μια νέα τρύπα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται και πάλι.

Προκειμένου να μην συγχέεται το είδος του ημιαγωγού που λαμβάνεται όταν εισάγεται μια ακαθαρσία, αρκεί να θυμηθούμε ότι η λέξη "δότης" έχει το γράμμα en (αρνητικό) - λαμβάνεται ένας ημιαγωγός τύπου n. Και στη λέξη δέκτη υπάρχει το γράμμα pe (θετικό) - ένα ημιαγωγό με αγωγιμότητα p.

Οι συμβατικοί κρύσταλλοι, για παράδειγμα, η Γερμανία, με τη μορφή στην οποία υπάρχουν στη φύση τους, είναι ακατάλληλοι για την παραγωγή συσκευών ημιαγωγών. Το γεγονός είναι ότι ένας συνηθισμένος φυσικός γερμάνιος κρύσταλλος αποτελείται από μικρούς κρυστάλλους που καλλιεργούνται μαζί.

Πρώτον, το αρχικό υλικό καθαρίστηκε από ακαθαρσίες, μετά το οποίο το γερμάνιο λειώθηκε και ένας σπόρος κατέβηκε στο τήγμα, ένας μικρός κρύσταλλος με κανονικό πλέγμα. Ο σπόρος περιστρέφεται σιγά-σιγά στο τήγμα και σταδιακά αυξάνεται. Το τήγμα περιείχε τον σπόρο και η ψύξη σχημάτισε μια μεγάλη μονή κρυστάλλινη ράβδο με ένα κανονικό πλέγμα κρυστάλλων. Η εμφάνιση του ληφθέντος μονοκρυστάλλου φαίνεται στο σχήμα 7.

Σχήμα 7

Στη διαδικασία κατασκευής ενός μόνο κρυστάλλου, προστέθηκε στο τήγμα ένα προσθετικό τύπου ρ ή η, οπότε ελήφθη η επιθυμητή αγωγιμότητα του κρυστάλλου. Αυτός ο κρύσταλλος κόπηκε σε μικρές πλάκες, οι οποίες στο τρανζίστορ έγιναν η βάση.

Ο συλλέκτης και ο εκπομπός έγιναν με διαφορετικούς τρόπους. Το πιο απλό ήταν ότι μικρά κομμάτια ινδίου τοποθετήθηκαν σε αντίθετες πλευρές της πλάκας, τα οποία συγκολλούνταν, θερμαίνοντας το σημείο επαφής σε 600 μοίρες. Μετά την ψύξη ολόκληρης της δομής, οι περιοχές κορεσμού με ίνδιο απέκτησαν αγωγιμότητα τύπου ρ. Ο κρυστάλλος που προέκυψε τοποθετήθηκε στο περίβλημα και οι αγωγοί συνδέθηκαν, ως αποτέλεσμα του οποίου αποκτήθηκαν πλασματοποιημένα τρανζίστορ. Ο σχεδιασμός αυτού του τρανζίστορ φαίνεται στο σχήμα 8.

Σχήμα 8

Τέτοια τρανζίστορ παρήχθησαν κατά την δεκαετία του εξήντα του εικοστού αιώνα με τα εμπορικά σήματα MP39, MP40, MP42, κλπ. Τώρα είναι σχεδόν εκθετήριο μουσείων. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα τρανζίστορ της δομής του κυκλώματος p-n-p.

Το 1955 αναπτύχθηκε ένα τρανζίστορ διάχυσης. Σύμφωνα με την τεχνολογία αυτή, για να σχηματιστούν οι περιοχές συλλέκτη και εκπομπού, τοποθετήθηκε πλάκα γερμανίου σε ατμόσφαιρα αερίου που περιέχει ατμούς της επιθυμητής ακαθαρσίας. Σε αυτή την ατμόσφαιρα, η πλάκα θερμάνθηκε σε θερμοκρασία ακριβώς κάτω από το σημείο τήξης και διατηρήθηκε για τον απαιτούμενο χρόνο. Ως αποτέλεσμα, τα άτομα πρόσμειξης διείσδυσαν το κρυσταλλικό πλέγμα, σχηματίζοντας συνδέσεις pn. Μια τέτοια διαδικασία είναι γνωστή ως η μέθοδος διάχυσης και τα ίδια τα τρανζίστορ ονομάζονται διάχυση.

Οι ιδιότητες συχνότητας των τρανζίστορ κράματος πρέπει να είναι πολύ επιθυμητές: η συχνότητα αποκοπής δεν υπερβαίνει τις μερικές δεκάδες megahertz, πράγμα που σας επιτρέπει να τις χρησιμοποιήσετε ως κλειδί σε χαμηλές και μεσαίες συχνότητες. Τέτοια τρανζίστορ ονομάζονται χαμηλής συχνότητας και θα ενισχύσουν με βεβαιότητα μόνο τις συχνότητες της περιοχής ακουστικών. Αν και τα τρανζίστορ κράματος πυριτίου έχουν αντικατασταθεί από τρανζίστορ πυριτίου, τα τρανζίστορ γερμανίου κατασκευάζονται ακόμη για ειδικές εφαρμογές όπου απαιτείται χαμηλή τάση για την εκτροπή του πομπού προς τα εμπρός.

Τα τρανζίστορ πυριτίου παράγονται σύμφωνα με την επίπεδη τεχνολογία. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι μεταβάσεις πηγαίνουν σε μία επιφάνεια. Έχουν σχεδόν πλήρως αντικαταστήσει τρανζίστορ γερμάνιου από κυκλώματα διακριτών στοιχείων και χρησιμοποιούνται ως συστατικά ολοκληρωμένων κυκλωμάτων όπου το γερμάνιο δεν έχει χρησιμοποιηθεί ποτέ. Επί του παρόντος, ένα τρανζίστορ γερμανίου είναι πολύ δύσκολο να βρεθεί.

Διαβάστε παρακάτω στο επόμενο άρθρο.

Μπόρις Αλαντίσκιν