Transistoria. Osa 3. Mistä transistorit on tehty

Artikkelin alku: Transistorin historia, Transistorit: tarkoitus, laite ja toimintaperiaatteet, Johtimet, eristimet ja puolijohteet

Puhtaissa puolijohteissa on sama määrä vapaita elektroneja ja reikiä. Sellaisia ​​puolijohteita ei käytetä puolijohdelaitteiden valmistukseen, kuten sanottiin artikkelin edellisessä osassa.

Transistorien (tässä tapauksessa tarkoitetaan myös diodeja, mikropiirejä ja oikeastaan ​​kaikkia puolijohdelaitteita) valmistukseen käytetään n- ja p-tyyppisiä puolijohteita: elektronisella ja reikäjohtavuudella. N-tyyppisissä puolijohteissa elektronit ovat päävarauskantoaaltoja ja reikiä p-tyyppisissä puolijohteissa.

Puolijohteet, joilla on vaadittu tyyppinen johtavuus, saadaan seostamalla (lisäämällä epäpuhtauksia) puhtaisiin puolijohteisiin. Näiden epäpuhtauksien määrä on pieni, mutta puolijohteen ominaisuudet muuttuvat tuntemattomana.

lisäaineiden

Transistorit eivät olisi transistoreita, jos ne eivät käyttäisi kolmen ja viidenarvoisia elementtejä, joita käytetään seostavina epäpuhtauksina. Ilman näitä elementtejä olisi yksinkertaisesti ollut mahdotonta luoda puolijohteita, joilla on erilainen johtavuus, luoda pn (lukee pe) -liitos ja transistori kokonaisuutena.

Toisaalta indiumia, galliumia ja alumiinia käytetään kolmenarvoisina epäpuhtauksina. Niiden ulkokuori sisältää vain 3 elektronia. Tällaiset epäpuhtaudet poistavat elektroneja puolijohteen atomista, mistä seurauksena puolijohteen johtavuus muuttuu reikäksi. Sellaisia ​​elementtejä kutsutaan "hyväksyjiksi".

Toisaalta, nämä ovat antimonia ja arseenia, jotka ovat viidenomaisia ​​elementtejä. Niiden ulkoradalla on 5 elektronia. Astuessaan kidehilan hoikkaan joukkoon, he eivät löydä paikkaa viidennelle elektronille, se pysyy vapaana, ja puolijohteen johtavuudesta tulee elektronia tai tyyppiä n. Tällaisia ​​epäpuhtauksia kutsutaan luovuttajiksi - "antajaksi".

Kuvio 1 näyttää taulukon kemiallisista elementeistä, joita käytetään transistorien valmistuksessa.

Kuva 1. Epäpuhtauksien vaikutus puolijohteiden ominaisuuksiin

Jopa puolijohteen kemiallisesti puhtaassa kiteessä, esimerkiksi germaniumissa, on epäpuhtauksia. Niiden määrä on pieni - yksi epäpuhtausatomi / miljardi Saksan atomia kohti. Ja yhdestä kuutiometristä tulee ulos noin viisikymmentätuhatta miljardia vieraskappaletta, joita kutsutaan epäpuhtausatomeiksi. Kuten paljon?

Tässä on aika muistaa, että 1 A: n virralla 1 Coulombin varaus kulkee johtimen tai 6 * 10 ^ 18 (kuusi miljardia miljardia) elektronia sekunnissa. Toisin sanoen, epäpuhtausatomeja ei ole niin paljon ja ne antavat puolijohteelle hyvin vähän johtavuutta. Se osoittautuu joko huonoksi johtimeksi tai ei kovin hyväksi eristimeksi. Yleensä puolijohde.

Kuinka on puolijohde, jonka johtavuus on n

Katsotaanpa mitä tapahtuu, jos pentavalentti antimoni- tai arseeniatomi johdetaan germaniumkiteeseen. Tämä näkyy melko selvästi kuvassa 2.

Kuva 2. 5-valenssisen epäpuhtauden lisääminen puolijohteeseen.

Lyhyt kommentti kuvasta 2, joka olisi pitänyt tehdä aiemmin. Kunkin kuviossa olevan puolijohteen vierekkäisten atomien välisen viivan tulisi olla kaksinkertainen, mikä osoittaa, että sidoksessa on mukana kaksi elektronia. Tällaista sidosta kutsutaan kovalentiksi ja se esitetään kuviossa 3.

Kuva 3. Kovalenttinen sidos piikiteessä.

Saksan malli olisi täsmälleen sama.

Viidenarvoinen epäpuhtausatomi viedään kidehilaan, koska sillä ei yksinkertaisesti ole minnekään.Hän käyttää neljää viidestä valenssielektronistaan ​​kovalenttisten sidosten luomiseksi vierekkäisten atomien kanssa, ja hänet viedään kidehilaan. Mutta viides elektroni pysyy vapaana. Mielenkiintoisin on, että epäpuhtauden atomista tulee tässä tapauksessa positiivinen ioni.

Epäpuhtautta kutsutaan tässä tapauksessa luovuttajaksi; se antaa puolijohdelle lisäelektroneja, jotka ovat puolijohteen päävarauskantoaaltoja. Itse puolijohde, joka sai lisäelektroneja luovuttajalta, on puolijohde, jolla on elektroninen johtavuus tai tyyppi n - negatiivinen.

Epäpuhtauksia johdetaan puolijohteisiin pieninä määrinä, vain yksi atomi kymmenen miljoonaa germanium- tai piiatomia kohti. Mutta tämä on sata paritonta kertaa enemmän kuin puhtaimpien kiteiden sisäisten epäpuhtauksien pitoisuus, kuten juuri yllä on kirjoitettu.

Jos kiinnitämme nyt galvaanisen kennon tulokseksi saatavaan tyypin n puolijohteeseen, kuten kuvassa 4 esitetään, niin akut sähkökentän vaikutuksesta elektronit (ympyrät, joiden sisällä on miinus) kiirehtivät positiiviseen ulostuloon. Virtalähteen negatiivinen napa antaa niin monta elektronia kristallille. Siksi sähkövirta virtaa puolijohteen läpi.

Kuvio 4

Kuusikulmaiset, joissa on plusmerkki, ovat vain epäpuhtausatomeita, jotka luovuttavat elektroneja. Nyt nämä ovat positiivisia ioneja. Edellä esitetyn tuloksen on seuraava: Epäpuhtauksien luovuttajan johtaminen puolijohteeseen varmistaa vapaiden elektronien injektoinnin. Tuloksena on puolijohde, jolla on elektroninen johtavuus tai tyyppi n.

Jos aineen atomit, joissa on kolme elektronia ulkoisella kiertoradalla, kuten indium, lisätään puolijohteeseen, germaniumiin tai piiin, tulos on aivan rehellisesti sanottuna päinvastainen. Tämä assosiaatio on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5. 3-valenssisen epäpuhtauden lisääminen puolijohteeseen.

Jos virtalähde on nyt kiinnitetty tällaiseen kristalliin, reikien liikkuminen vie määrätyn merkin. Siirtymävaiheet on esitetty kuvassa 6.

Kuva 6. Reiän johtavuusvaiheet

Reikä, joka sijaitsee oikeassa ensimmäisessä atomissa, tämä on vain kolmiarvoinen epäpuhtausatomi, vangitsee elektronin naapurista vasemmalla, minkä seurauksena reikä pysyy siinä. Tämä reikä puolestaan ​​täytetään naapuriltaan revittyllä elektronilla (kuvassa se on jälleen vasemmalla).

Tällä tavalla syntyy positiivisesti varautuneiden reikien liike positiivisesta positiivisesta navasta akun. Tämä jatkuu, kunnes reikä tulee lähellä virtalähteen negatiivista napaa ja täytetään siitä elektronilla. Samaan aikaan elektroni jättää atominsa lähteestä, joka on lähinnä positiivista napaa, saadaan uusi reikä ja prosessi toistetaan uudelleen.

Jotta emme sekoituisi siihen, minkä tyyppinen puolijohde saadaan, kun epäpuhtaus lisätään, riittää muistaa, että sanalla ”luovuttaja” on kirjain en (negatiivinen) - saadaan tyyppi n puolijohde. Ja sanassa hyväksyjä on kirjain pe (positiivinen) - puolijohde, jonka johtavuus on p.

Tavanomaiset kiteet, esimerkiksi Saksa, sellaisessa muodossa kuin ne ovat luonnossa, eivät sovellu puolijohdelaitteiden valmistukseen. Tosiasia, että tavallinen luonnollinen germaniumkite on koostettu pienistä kiteistä, jotka on kasvatettu yhdessä.

Ensin lähtöaine puhdistettiin epäpuhtauksista, minkä jälkeen germanium sulattiin ja siemen laskettiin sulaan, pieneen kiteeseen, jossa oli säännöllinen hila. Siemen pyöri hitaasti sulassa ja nousi vähitellen ylös. Sula sulan ympäröi siemen ja jäähdytys muodosti suuren yhden kidevarren, jossa oli tavanomainen kidehila. Saadun yhden kiteen ulkonäkö on esitetty kuviossa 7.

Kuvio 7

Yhden kiteen valmistusprosessissa sulaan lisättiin p- tai n-tyyppistä lisäainetta, jolloin saatiin kiteen haluttu johtavuus. Tämä kide leikattiin pieniksi levyiksi, joista transistorissa tuli pohja.

Keräilijä ja päästöjä valmistettiin eri tavoin. Yksinkertaisin oli se, että levyn vastakkaisille puolille asetettiin pienet indiumpalat, jotka hitsattiin lämmittämällä kosketuspiste 600 asteeseen. Koko rakenteen jäähdyttämisen jälkeen indiumilla tyydyttyneet alueet saivat p-tyypin johtavuuden. Saatu kide asennettiin koteloon ja johdot yhdistettiin, minkä seurauksena saatiin seostetut tasotransistorit. Tämän transistorin rakenne on esitetty kuvassa 8.

Kuvio 8

Tällaisia ​​transistoreita valmistettiin kahdennenkymmenennen vuosisadan 60-luvulla tuotenimillä MP39, MP40, MP42 jne. Nyt se on melkein museonäyttely. P-n-p-piirirakenteen yleisimmin käytetyt transistorit.

Vuonna 1955 kehitettiin diffuusiotransistori. Tämän tekniikan mukaan germaniumlevy asetettiin kollektori- ja emitterialueiden muodostamiseksi kaasuatmosfääriin, joka sisälsi halutun epäpuhtauden höyryjä. Tässä ilmakehässä levy lämmitettiin lämpötilaan, joka oli juuri sulamispisteen alapuolella, ja pidettiin tarvittavan ajan. Seurauksena epäpuhtausatomit tunkeutuivat kidehilaan muodostaen pn-liittymiä. Tällainen prosessi tunnetaan diffuusiomenetelmänä, ja itse transistoreita kutsutaan diffuusioksi.

Lejeerinkitransistorien taajuusominaisuudet, sanotun mukaan, jättävät paljon toivomisen varaa: raja-taajuus on enintään useita kymmeniä megahertsejä, mikä antaa sinun käyttää niitä avaimena alhaisilla ja keskitaajuuksilla. Tällaisia ​​transistoreita kutsutaan matalataajuuksisiksi, ja ne vahvistavat varmasti vain äänialueen taajuuksia. Vaikka piilejeeritransistorit on jo pitkään korvattu piitransistoreilla, germaniumtransistoreita valmistetaan edelleen erityissovelluksiin, joissa vaaditaan matala jännite emitterin esijännittämiseksi eteenpäin.

Piitransistorit valmistetaan tasomaisen tekniikan mukaisesti. Tämä tarkoittaa, että kaikki muutokset menevät yhdelle pinnalle. Ne korvasivat melkein kokonaan germaniumtransistorit erillisistä elementtipiireistä ja niitä käytetään integroitujen piirien osina, joissa germaniumia ei ole koskaan käytetty. Germaniumtransistoria on tällä hetkellä erittäin vaikea löytää.

Lue seuraava artikkeli.

Boris Aladyshkin