Tranzistori. Dio 2. Provodnici, izolatori i poluvodiči

Početak članka: Povijest tranzistora, Tranzistori: svrha, uređaj i načela rada

U elektrotehnici se koriste razni materijali. Električna svojstva tvari određena su brojem elektrona u vanjskoj valentnoj orbiti. Što je manje elektrona u ovoj orbiti, slabije su povezani s jezgrom, lakše mogu putovati.

Pod utjecajem temperaturnih fluktuacija, elektroni se odvajaju od atoma i kreću se u interatomskom prostoru. Takvi se elektroni nazivaju slobodnima i stvaraju električnu struju u vodičima. Postoji li veliki interatomski prostor, postoji li prostor za slobodne elektrone koji putuju unutar materije?

Čini se da je struktura krutih i tekućina neprekidna i gusta, što podsjeća na strukturu kuglice od niti. Ali u stvari, čak su i krute građe slične mrežama za ribolov ili odbojku. To se, naravno, ne može razaznati na razini kućanstva, ali točnim znanstvenim istraživanjima utvrđeno je da su udaljenosti između elektrona i jezgre atoma mnogo veće od njihovih vlastitih dimenzija.

Ako je veličina atomskog jezgra predstavljena u obliku kuglice veličine nogometne lopte, tada će elektroni u ovom modelu biti veličine graška, a svaki takav grašak smješten je iz "jezgre" na udaljenosti od nekoliko stotina, pa čak i tisuća metara. A između jezgre i elektrona je praznina - jednostavno nema ništa! Ako zamislimo udaljenost između atoma materije na istoj ljestvici, dimenzije će se ispasti fantastične - deseci i stotine kilometara!

Dobri su provodnici električne energije metali, Na primjer, atomi zlata i srebra imaju samo jedan elektron u vanjskoj orbiti, stoga su najbolji provodnici. Željezo također provodi struju, ali nešto gore.

Provoditi struju još gore legure visoke otpornosti, To su nichrome, manganin, konstantan, fechral i drugi. Takva raznolikost legura visoke otpornosti nastaje iz činjenice da su dizajnirane za rješavanje različitih problema: grijaćih elemenata, mjerača napona, referentnih otpornika za mjerne instrumente i još mnogo toga.

Kako bi se procijenila sposobnost materijala da provodi električnu energiju, koncept je "Električna vodljivost", Povratna vrijednost je otpor, U mehanici ti pojmovi odgovaraju specifičnoj gravitaciji.

izolatoriza razliku od vodiča nisu skloni gubitku elektrona. U njima je veza elektrona s jezgrom vrlo jaka, a slobodnih elektrona gotovo da i nema. Preciznije, ali vrlo malo. Istodobno, u nekim izolatorima ima ih više, a kvaliteta izolacije im je, sukladno tome, lošija. Dovoljno je usporediti, na primjer, keramiku i papir. Stoga se izolatori mogu uvjetno podijeliti na dobre i loše.

Pojava slobodnih naboja čak i u izolatorima nastaje zbog toplinskih vibracija elektrona: pod utjecajem visoke temperature izolacijska svojstva se pogoršavaju, neki se elektroni ipak uspijevaju odvojiti od jezgre.

Slično tome, otpornost idealnog vodiča bila bi jednaka nuli. Ali, srećom, nema takvog dirigenta: zamislite kako bi izgledao Ohmov zakon ((I = U / R) koji ima nazivnik nula !!! Zbogom matematika i elektrotehnika.

I tek pri apsolutnoj nultu temperaturi (-273,2 ° C) toplotne fluktuacije potpuno se zaustavljaju, a najgori izolator postaje dovoljno dobar. Za numeričko određivanje „ovo“ je loše - dobro upotrijebiti pojam otpornosti. Ovo je otpor kocke kocke s duljinom ruba od 1 cm, dimenzija otpora dobivena je u ohma / cm. Specifična otpornost nekih tvari prikazana je u nastavku.Provodljivost je uzajamna otpornost, mjerna je jedinica Siemensa, - 1Sm = 1 / Ohm.

Imaju dobru vodljivost ili malu otpornost: srebro 1,5 * 10 ^ (- 6), pročitajte kako (jedan i pol do deset do snage minus šest), bakar 1,78 * 10 ^ (- 6), aluminij 2,8 * 10 ^ (- 6). Vodljivost legura s velikim otporom je mnogo lošija: konstantan 0,5 * 10 ^ (- 4), nikrom 1,1 * 10 ^ (- 4). Te se legure mogu nazvati lošim provodnicima. Nakon svih ovih složenih brojeva, zamijenite Ohm / cm.

Nadalje, u posebnoj se grupi mogu razlikovati poluvodiči: germanij 60 Ohm / cm, silicij 5000 Ohm / cm, selen 100 000 Ohm / cm. Otpornost ove skupine veća je od loših provodnika, ali manja od loših izolatora, da ne spominjemo dobre. Vjerojatno bi se s istim uspjehom poluvodiči mogli nazvati poluizolatori.

Nakon tako kratkog upoznavanja sa strukturom i svojstvima atoma, trebalo bi razmotriti kako atomi međusobno djeluju, kako atomi međusobno djeluju, kako se od njih prave molekule od kojih se sastoje razne tvari. Da biste to učinili, opet ćete se morati sjetiti elektrona u vanjskoj orbiti atoma. Napokon, oni sudjeluju u povezivanju atoma u molekuli i određuju fizička i kemijska svojstva materije.

Kako se atomi prave od atoma

Bilo koji atom je u stabilnom stanju ako u njegovoj vanjskoj orbiti ima 8 elektrona. Ne traži da uzme elektrone iz susjednih atoma, ali ne odustaje od svojih. Da biste to potvrdili, dovoljno je u periodičnoj tablici pogledati inertne plinove: neon, argon, kripton, ksenon. Svaki od njih ima 8 elektrona u vanjskoj orbiti, što objašnjava nevoljkost tih plinova da stupe u bilo kakve veze (kemijske reakcije) s drugim atomima, da grade molekule kemikalija.

Situacija je potpuno drugačija za one atome koji u svojoj vanjskoj orbiti nemaju 8 njegovanih elektrona. Takvi se atomi radije sjedinjuju s drugima kako bi nadopunili svoju vanjsku orbitu do 8 elektrona i pronašli mirno stabilno stanje.

Na primjer, dobro poznata molekula vode H2O. Sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kisika, kao što je prikazano na slici. 1.

slika 1, Kako se stvara molekula vode.

U gornjem dijelu slike su dva atoma vodika i jedan atom kisika odvojeno. U vanjskoj orbiti kisika nalazi se 6 elektrona, a u blizini su dva elektrona na dva atoma vodika. Kiseonik sve dok mu na zagađenom broju 8 ne nedostaje samo dva elektrona u vanjskoj orbiti koje će on dobiti dodavanjem dva atoma vodika u sebe.

Svakom atomu vodika nedostaje 7 elektrona u njegovoj vanjskoj orbiti za potpunu sreću. Prvi atom vodika prima u svojoj vanjskoj orbiti 6 elektrona iz kisika, a drugi elektron iz svoga blizanca - drugi atom vodika. Sada ima 8 elektrona u njegovoj vanjskoj orbiti, zajedno s njenim elektronom. Drugi atom vodika također dovršava svoju vanjsku orbitu do označenog broja 8. Taj je postupak prikazan u donjem dijelu slike. 1.

Na slici 2 Prikazan je postupak kombiniranja atoma natrija i klora. Rezultat je natrijev klorid, koji se prodaje u trgovinama zvanim sol.

slika 2, Postupak kombiniranja atoma natrija i klora

I ovdje svaki od sudionika prima nedostajući broj elektrona od drugog: klor veže jedan natrijev elektron na svojih sedam elektrona, dok svojim atomima daje atom natrija. Oba atoma u vanjskoj orbiti imaju 8 elektrona, što je mjesto gdje se postiže potpuno slaganje i prosperitet.

Valensija atoma

Atomi sa 6 ili 7 elektrona u svojoj vanjskoj orbiti imaju tendenciju da vežu 1 ili 2 elektrona za sebe. O takvim atomima kažu da su jedno ili dvovalentni. Ali ako je u vanjskoj orbiti atoma 1, 2 ili 3 elektrona, onda ih takav atom daje prednost. U ovom se slučaju atom smatra jednim, dva ili trovalentnim.

Ako su u vanjskoj orbiti atoma 4 elektrona, onda se takav atom voli kombinirati s istim onim, koji također ima 4 elektrona. Tako se kombiniraju atomi germanija i silicija koji se koriste u proizvodnji tranzistora. U ovom se slučaju atomi nazivaju tetravalentnim. (Atomi germanija ili silicija mogu se kombinirati s drugim elementima, na primjer, kisikom ili vodikom, ali ti spojevi nisu zanimljivi u planu naše priče.)

Na slici 3 prikazan je atom germanija ili silicija koji se želi kombinirati s istim atomom. Mali crni krugovi su vlastiti elektroni atoma, a svjetlosni krugovi označavaju mjesta na kojima padaju elektroni iz četiri atoma - susjedi.

slika 3, Atom germanija (silicij).

Kristalna struktura poluvodiča

Atomi germanija i silicija u periodičkoj tablici su u istoj skupini s ugljikom (kemijska formula dijamanta C su jednostavno veliki ugljični kristali dobiveni pod određenim uvjetima), te stoga, kada se kombiniraju, tvore dijamantsku kristalnu strukturu. Oblikovanje takve strukture prikazano je, pojednostavljeno, naravno, na slici 4.

slika 4.

U sredini kocke je atom germanija, a u uglovima se nalaze još 4 atoma. Atom prikazan u sredini kocke vezan je valentnim elektronima na najbliže susjede. Zauzvrat, kutni atomi daju svoje valentne elektrone atomu smještenom u središtu kocke i njegovim susjedima - atomima koji nisu prikazani na slici. Dakle, vanjske orbite nadopunjuju do osam elektrona. Naravno, u kristalnoj rešetki nema kocke, ona je samo prikazana na slici, tako da je međusobno, volumetrično raspoređivanje atoma jasno.

No, da bi se što više pojednostavila priča o poluvodičima, kristalna rešetka može se prikazati u obliku ravnog shematskog crteža, unatoč činjenici da su međratomske veze ipak smještene u prostoru. Takav je krug prikazan na slici. 5.

slika 5, Kristalna rešetka germanija u ravnom obliku.

U takvom kristalu svi su elektroni čvrsto vezani za atome svojim valentnim vezama, pa, čini se, ovdje jednostavno nema slobodnih elektrona. Ispada da je pred nama izolator na slici, jer u njemu nema slobodnih elektrona. Ali, u stvari, to nije tako.

Unutarnja vodljivost

Činjenica je da se pod utjecajem temperature neki elektroni ipak uspijevaju odvojiti od svojih atoma i na neko se vrijeme oslobode veze s jezgrom. Zbog toga postoji mala količina slobodnih elektrona u kristalu germanija, zbog čega je moguće provesti električnu struju. Koliko slobodnih elektrona postoji u kristalu germanija u normalnim uvjetima?

Na 10 ^ 10 (deset milijardi) atoma nema više od dva takva slobodna elektrona, pa je germanij loš vodič ili kao što je uobičajeno reći poluvodič. Treba napomenuti da samo jedan gram germanija sadrži 10 ^ 22 (deset tisuća milijardi milijardi) atoma, što vam omogućuje da "dobijete" oko dvije tisuće milijardi slobodnih elektrona. Čini se da je to dovoljno za prolazak velike električne struje. Da bi se bavili ovim pitanjem, dovoljno je podsjetiti se koja struja od 1 A.

Struja od 1 A odgovara prolasku kroz kondukter u jednoj sekundi električnog naboja od 1 Coulomb, ili 6 * 10 ^ 18 (šest milijardi milijardi) elektrona u sekundi. U skladu s tim, dvije tisuće milijardi slobodnih elektrona, pa čak i razbacani preko ogromnog kristala, vjerojatno neće osigurati prolazak visokih struja. Iako, zbog toplinskog gibanja, u Njemačkoj postoji mala vodljivost. To je takozvana svojstvena vodljivost.

Elektronska i rupna vodljivost

Kako temperatura raste, dodatna energija prenosi se na elektrone, njihove toplinske vibracije postaju sve energičnije, zbog čega se neki elektroni uspijevaju odvojiti od svojih atoma.Ti elektroni postaju slobodni i, u nedostatku vanjskog električnog polja, vrše kaotične pokrete i kreću se u slobodnom prostoru.

Atomi koji su izgubili elektrone ne mogu vršiti slučajne pokrete, već samo lagano osciliraju u odnosu na svoj normalni položaj u kristalnoj rešetki. Takvi atomi, koji su izgubili elektrone, nazivaju se pozitivni ioni. Možemo pretpostaviti da se umjesto elektrona izvađenih iz njihovih atoma dobivaju slobodni prostori, koji se obično nazivaju rupama.

Općenito, broj elektrona i rupa je isti, tako da rupa može uhvatiti elektron koji se nalazi u blizini. Kao rezultat toga, atom iz pozitivnog iona opet postaje neutralan. Postupak kombiniranja elektrona s rupama naziva se rekombinacija.

Istom se frekvencijom elektroni odvajaju od atoma, pa je u prosjeku broj elektrona i rupa za određeni poluvodič jednak, konstantan je i ovisan je o vanjskim uvjetima, posebno o temperaturi.

Ako se napon primjeni na kristalu poluvodiča, tada će biti naređeno gibanje elektrona, kroz kristal će struja teći zbog njegove elektronske i rupne provodljivosti. Ta se vodljivost zove intrinzična, to je već spomenuto malo više.

No, poluvodiči u svom čistom obliku, koji imaju elektroničku i rupnu vodljivost, nisu pogodni za proizvodnju dioda, tranzistora i drugih detalja, jer je osnova ovih uređaja p-n (čitaj „pe-en“) spoj.

Za dobivanje takvog prijelaza potrebne su dvije vrste poluvodiča, dvije vrste vodljivosti (p - pozitivno - pozitivno, rupa) i (n - negativno - negativno, elektronički). Te se vrste poluvodiča dobivaju dopingom, dodavanjem nečistoća u čiste kristale germanija ili silicija.

Iako je količina nečistoća vrlo mala, njihova prisutnost u velikoj mjeri mijenja svojstva poluvodiča, omogućava vam dobivanje poluvodiča različite vodljivosti. O tome će se govoriti u sljedećem dijelu članka.

Boris Aladyskin, https://hrv.electricianexp.com