Tranzistori. Dio 3. Od čega su napravljeni tranzistori

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

Čisti poluvodiči imaju jednaku količinu slobodnih elektrona i rupa. Takvi se poluvodiči, kako je rečeno, ne upotrebljavaju za proizvodnju poluvodičkih uređaja u prethodnom dijelu članka.

Za proizvodnju tranzistora (u ovom slučaju oni podrazumijevaju i diode, mikrovezu i zapravo sve poluvodičke uređaje) koriste se poluvodiči n i p tipa: s elektroničkom i rupnom vodljivošću. U poluvodičima n-tipa, elektroni su glavni nosači naboja, a rupe u p-provodnicima.

Poluvodiči s potrebnom vrstom vodljivosti dobivaju se dopingom (dodavanjem nečistoća) u čiste poluvodiče. Količina tih nečistoća je mala, ali svojstva poluvodiča se mijenjaju do prepoznavanja.

nečistoće

Tranzistori ne bi bili tranzistori kada ne bi koristili tri i pentavalentne elemente koji se koriste kao legirajuće nečistoće. Bez ovih elemenata jednostavno bi bilo nemoguće stvoriti poluvodiče različite vodljivosti, stvoriti pn (čita se pe) en spoj i tranzistor u cjelini.

S jedne strane, indijum, galij i aluminij koriste se kao trovalentne nečistoće. Njihova vanjska ljuska sadrži samo 3 elektrona. Takve nečistoće oduzimaju elektrone od atoma poluvodiča, što rezultira da vodljivost poluvodiča postaje rupa. Takvi se elementi nazivaju akceptori - "taker".

S druge strane, to su antimon i arsen, koji su pentavalentni elementi. Imaju 5 elektrona u svojoj vanjskoj orbiti. Ulazeći u vitke redove kristalne rešetke, oni ne mogu naći mjesto za peti elektron, on ostaje slobodan, a vodljivost poluvodiča postaje elektron ili tip n. Takve se nečistoće nazivaju donori - "davaoci".

Na slici 1. prikazana je tablica kemijskih elemenata koji se koriste u proizvodnji tranzistora.

Slika 1. Učinak nečistoća na svojstva poluvodiča

Čak i u kemijski čistom kristalnom poluvodiču, na primjer, germanij, sadrže se nečistoće. Njihov broj je mali - jedan atom nečistoće na milijardu atoma same Njemačke. A u jednom kubnom centimetru ispada oko pedeset tisuća milijardi stranih tijela, koja se nazivaju atomi nečistoća. Kao puno?

Ovdje je vrijeme za pamćenje da pri struji od 1 A kroz provodnik prolazi naboj od 1 Coulomb, ili 6 * 10 ^ 18 (šest milijardi milijardi) elektrona u sekundi. Drugim riječima, nema toliko atoma nečistoća i oni daju poluvodiču vrlo malu vodljivost. Ispada da je ili loš dirigent, ili ne baš dobar izolator. Općenito, poluvodič.

Kako je poluvodič s vodljivošću n

Pogledajmo što se događa ako se u kristal germanija uvede pentavalentni atom antimona ili arsena. To je sasvim jasno prikazano na slici 2.

Slika 2. Uvođenje 5-valentne nečistoće u poluvodič.

Kratki komentar na slici 2, što je trebalo učiniti ranije. Svaka linija između susjednih atoma poluvodiča na slici trebala bi biti dvostruka, što pokazuje da su u vezi uključena dva elektrona. Takva veza naziva se kovalentnom i prikazana je na slici 3.

Slika 3. Kovalentna veza u kristalu silicija.

Za Njemačku bi obrazac bio potpuno isti.

Pentavalentni atom nečistoća uvodi se u kristalnu rešetku, jer jednostavno nema kamo otići.Koristi četiri od svojih pet valentnih elektrona za stvaranje kovalentnih veza sa susjednim atomima, a uvodi se u kristalnu rešetku. Ali peti elektron ostat će slobodan. Najzanimljivije je da sam atom nečistoće u ovom slučaju postaje pozitivan ion.

Nečistoća se u ovom slučaju naziva donor, ona daje poluvodiču dodatne elektrone, koji će biti glavni nosači naboja u poluvodiču. Sam poluvodič, koji je od donatora primio dodatne elektrone, bit će poluvodič s elektroničkom vodljivošću ili tipa n - negativan.

Nečistoće se uvode u poluvodiče u malim količinama, samo jedan atom na deset milijuna atoma germanija ili silicija. Ali ovo je sto puta više od sadržaja unutarnjih nečistoća u najčišćem kristalu, kao što je napisano malo iznad.

Ako na rezultirajući poluvodič tipa n sada pričvrstimo galvansku ćeliju, kao što je prikazano na slici 4, tada će elektroni (krugovi s minusom unutar) pod djelovanjem električnog polja baterije naletjeti na njezin pozitivan izlaz. Negativni pol izvora struje dat će kristalu što više elektrona. Zbog toga će kroz poluvodič teći električna struja.

Slika 4

Šesterokutnici, koji u sebi imaju znak plus, nisu ništa drugo do atomi nečistoća koji doniraju elektrone. Sada su to pozitivni ioni. Rezultat prethodnog je sljedeći: uvođenje darivatelja nečistoće u poluvodič osigurava ubrizgavanje slobodnih elektrona. Rezultat je poluvodič s elektroničkom vodljivošću ili tip n.

Ako se atomi tvari s tri elektrona u vanjskoj orbiti, poput indija, dodaju poluvodiču, germanijumu ili silicijumu, tada će rezultat biti, sasvim iskreno, suprotan. Ta povezanost je prikazana na slici 5.

Slika 5. Uvođenje 3-valentne nečistoće u poluvodič.

Ako je sadašnji izvor struje pričvršćen na takav kristal, tada će kretanje rupa poprimiti uređeni znak. Faze pomaka prikazane su na slici 6.

Slika 6. Faze provođenja rupa

Rupa koja se nalazi u prvom atomu s desne strane, ovo je samo trovalentni atom nečistoće, hvata elektron iz susjeda s lijeve strane, zbog čega rupa ostaje u njemu. Ovu rupu zauzvrat ispunjava elektron rastrgan od svog susjeda (na slici je opet lijevo).

Na taj način stvara se kretanje pozitivno nabijenih rupa od pozitivnog do negativnog pola akumulatora. To se nastavlja sve dok se rupa ne približi negativnom polu izvora struje i ne ispuni se elektronom iz nje. Istodobno, elektron napušta svoj atom iz izvora najbližeg pozitivnom terminalu, dobiva se nova rupa i postupak se opet ponavlja.

Da se ne zbunimo oko toga što se vrsta poluvodiča dobije kada se unese nečistoća, dovoljno je zapamtiti da riječ "donor" ima slovo en (negativno) - dobiva se poluvodič tipa n. A u riječi akceptor nalazi se slovo pe (pozitivno) - poluvodič s vodljivošću p.

Konvencionalni kristali, na primjer, Njemačka, u obliku u kojem postoje u prirodi, neprikladni su za proizvodnju poluvodičkih uređaja. Činjenica je da se obični prirodni kristal germanija sastoji od malih kristala koji uzgajaju zajedno.

Prvo se početni materijal pročisti od nečistoće, nakon čega se germanij rastopi, a u talinu spusti sjeme, mali kristal s redovitom rešetkom. Sjeme se polako rotira u talini i postupno se uzdiže. Otopina je omotala sjeme i hlađenjem je formirala veliku monokristalnu šipku s redovitom kristalnom rešetkom. Izgled dobivenog monokristala prikazan je na slici 7.

Slika 7

U postupku proizvodnje jednog kristala, talini se dodaje dodatak p ili n tipa, čime se dobiva željena vodljivost kristala. Ovaj kristal izrezan je na male ploče, koje su u tranzistoru postale baza.

Kolektor i emiter izrađeni su na različite načine. Najjednostavnije je bilo da su mali komadići indija bili postavljeni na suprotnim stranama tanjura, koji su bili zavareni, zagrijavajući točku kontakta na 600 stupnjeva. Nakon hlađenja cijele strukture, regije zasićene indijemom stekle su vodljivost p tipa. Dobiveni kristal ugrađen je u kućište, a vodiči su spojeni, što je rezultiralo legiranim ravninskim tranzistorima. Dizajn ovog tranzistora prikazan je na slici 8.

Slika 8

Takvi tranzistori proizvedeni su šezdesetih godina dvadesetog stoljeća pod markom MP39, MP40, MP42, itd. Sada je to gotovo muzejski eksponat. Najrašireniji tranzistori strukture p-n-p sklopa.

1955. razvijen je difuzijski tranzistor. Prema ovoj tehnologiji, da bi se formirale regije sakupljača i emitera, germanijska ploča je postavljena u plinsku atmosferu koja sadrži pare željene nečistoće. U toj atmosferi ploča je zagrijana na temperaturu neposredno ispod tališta i držana je potrebno vrijeme. Zbog toga su atomi nečistoća prodrli u kristalnu rešetku tvoreći pn spojeve. Takav je postupak poznat kao difuzijska metoda, a sami tranzistori nazivaju se difuzijom.

Moramo reći, frekvencijska svojstva tranzistora od legure ostavljaju mnogo željenog: frekvencija isključivanja nije veća od nekoliko desetaka megaherca, što vam omogućava da ih koristite kao ključ na niskim i srednjim frekvencijama. Takvi tranzistori nazivaju se niskofrekventnim i sigurno će pojačati samo frekvencije audio raspona. Iako su tranzistori od legure silicija već dugo zamijenjeni silicijskim tranzistorima, germij-tranzistori se još uvijek proizvode za posebne primjene u kojima je potreban nizak napon da bi emitirao emiter u smjeru prema naprijed.

Silikonski tranzistori proizvode se prema planarnoj tehnologiji. To znači da svi prijelazi idu na jednu površinu. Oni su gotovo u potpunosti zamijenili germanijeve tranzistore iz diskretnih elemenata i koriste se kao sastavni dijelovi integriranih krugova gdje germanij nikad nije korišten. Trenutno je vrlo teško pronaći germanijski tranzistor.

Pročitajte u sljedećem članku.

Boris Aladyskin