Tranzisztorok. 2. rész Vezetők, szigetelők és félvezetők

A cikk kezdete: Tranzisztor története, Tranzisztorok: rendeltetés, eszköz és működési elvek

Az elektrotechnikában különféle anyagokat használnak. Az anyagok elektromos tulajdonságait a külső valencia pályán lévő elektronok száma határozza meg. Minél kevesebb elektron van ebben a pályán, annál gyengébb kapcsolódnak a maghoz, annál könnyebben tudnak utazni.

A hőmérsékleti ingadozások hatására az elektronok leválnak az atomtól és az interatomikus térben mozognak. Az ilyen elektronokat szabadnak nevezik, és elektromos áramot hoznak létre a vezetőkben. Van-e egy nagy interaktív tér, van-e szabad elektronok az anyag belsejében történő utazáshoz?

A szilárd és folyékony szerkezet folyamatosnak és sűrűnek tűnik, a szálgolyó szerkezetére emlékeztetve. De valójában még a szilárd anyagok is inkább hasonlítanak a halászati ​​vagy röplabdahálóhoz. Természetesen ezt nem lehet megkülönböztetni háztartási szinten, de pontos tudományos tanulmányok megállapítják, hogy az elektronok és az atomok közötti távolság sokkal nagyobb, mint a saját méretük.

Ha az atommag méretét egy labda és a futball-labda formájában ábrázoljuk, akkor ebben a modellben az elektronok borsó méretűek lesznek, és minden ilyen borsó a "magtól" több száz, sőt akár több ezer méter távolságra helyezkedik el. És a mag és az elektron között üresség van - egyszerűen nincs semmi! Ha elképzeljük az anyag atomjai közötti távolságot azonos skálán, akkor a méretek egyáltalán fantasztikusak lesznek - több tíz és több száz kilométer!

Jó villamos vezetők fémek. Például az arany és az ezüst atomoknak csak egy elektronja van a külső pályán, ezért ezek a legjobb vezetők. A vas is vezet villamos energiát, de kissé rosszabb.

Az elektromosság még rosszabb legyen nagy ellenállású ötvözetek. Ezek nikróm, manganin, konstanz, fechral és mások. A nagy ellenállású ötvözetek ilyen változatossága annak a ténynek köszönhető, hogy ezeket különféle problémák megoldására tervezték: fűtőelemek, nyúlásmérők, mérőművek referencia ellenállása és még sok más.

Annak értékelése érdekében, hogy egy anyag képes-e elektromos áramot vezetni, a "Elektromos vezetőképesség". A visszatérési érték: ellenállás. A mechanikában ezek a fogalmak megfelelnek a fajlagos gravitációnak.

szigetelőka vezetőkkel ellentétben nem hajlamosak az elektronok elvesztésére. Az elektron és a mag közötti kötés nagyon erős bennük, és szinte nincsenek szabad elektronok. Pontosabban, de nagyon kevés. Ugyanakkor egyes szigetelőkben több van, és szigetelési minősége ennek megfelelően rosszabb. Elég összehasonlítani például a kerámiát és a papírt. Ezért a szigetelőket feltételesen jó és rossz részekre lehet osztani.

A szabad töltéseknek a szigetelőkben való megjelenése az elektronok termikus rezgéseinek is köszönhető: a magas hőmérséklet hatására a szigetelő tulajdonságok romlanak, néhány elektronnak mégis sikerül elszakadnia a magtól.

Hasonlóképpen, az ideális vezető ellenállása nulla. De szerencsére nincs ilyen karmester: képzelje el, hogy nézne ki Ohm törvénye ((I = U / R), ha a nevezőben nulla van !!! Búcsú a matematikáról és az elektrotechnikáról.

És csak abszolút nulla hőmérsékleten (-273,2 ° C) a hőingadozások teljesen leállnak, és a legrosszabb szigetelő is elég jó lesz. Annak érdekében, hogy numerikusan meghatározzuk, hogy ez „rossz” - használja az ellenállás fogalmát. Ez az 1 cm szélességű kocka ellenállása ohmban, az ellenállás méretét ohm / cm értékben kapjuk meg. Egyes anyagok fajlagos ellenállását az alábbiakban mutatjuk be.A vezetőképesség a ellenállás viszonossága, a Siemens mértékegysége, - 1Sm = 1 / Ohm.

Jó vezetőképességük vagy alacsony ellenállásuk van: ezüst 1,5 * 10 ^ (- 6), olvassuk el, hogyan kell (másfél és tíz a teljesítmény mínusz hat), réz 1,78 * 10 ^ (- 6), alumínium 2,8 * 10 ^ (- 6). A nagy ellenállású ötvözetek vezetőképessége sokkal rosszabb: konstans 0,5 * 10 ^ (- 4), nikróm 1,1 * 10 ^ (- 4). Ezeket az ötvözeteket rossz vezetőknek lehet nevezni. Ezen összetett számok után cserélje ki az Ohm / cm értéket.

A félvezetőket külön csoportként lehet megkülönböztetni: germánium 60 Ohm / cm, szilícium 5000 Ohm / cm, szelén 100 000 Ohm / cm. Ennek a csoportnak az ellenállása nagyobb, mint a rossz vezetőké, de kevesebb, mint a rossz szigetelőknek, nem is beszélve a jó szigetelőkről. Valószínűleg ugyanolyan sikerrel a félvezetőket félszigetelőknek is nevezhetnék.

Egy atom szerkezetével és tulajdonságaival való ilyen rövid megismerés után meg kell fontolni az atomok kölcsönhatásának, hogy az atomok kölcsönhatásba lépnek egymással, hogyan készülnek ezekből molekulák, amelyekből különböző anyagok állnak. Ehhez meg kell emlékezni az atomok külső pályáján lévő elektronokra. Végül is ők vesznek részt az atomok molekulákhoz történő kötésében és meghatározzák az anyag fizikai és kémiai tulajdonságait.

Hogyan készülnek az atomok az atomokból?

Bármely atom stabil állapotban van, ha a külső pályán 8 elektron található. Nem igyekszik elektronokat venni a szomszédos atomoktól, de nem adja fel a sajátját. Ennek igazolásához elegendő a periódusos rendszerben inert gázokat megnézni: neon, argon, kripton, xenon. Mindegyiknek 8 elektronja van a külső pályán, ami magyarázza ezen gázok hajlandóságát bármilyen kapcsolat kialakulására (kémiai reakciókra) más atomokkal, kémiai anyagok molekuláinak felépítésére.

A helyzet egészen más azoknál az atomoknál, amelyeknek a külső pályáján nincs 8 áhított elektron. Az ilyen atomok inkább egyesülnek másokkal annak érdekében, hogy külső pályájukat akár 8 elektronmal egészítsék ki, és nyugodt, stabil állapotot találjanak.

Például a jól ismert H2O vízmolekula. Két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll, amint az az ábrán látható. 1.

kép 1. Hogyan alakul ki a vízmolekula?

Az ábra felső részén két hidrogénatom és egy oxigénatom külön van feltüntetve. Az oxigén külső pályáján 6 elektron található, és a közelben két hidrogénatomon két elektron található. Oxigénig, amíg a dédelgetett 8-as számhoz mindössze két elektron hiányzik a külső pályán, amelyet két hidrogénatom hozzáadásával kap.

A teljes boldogság érdekében minden hidrogénatomnak 7 elektronja van a külső pályán. Az első hidrogénatom a külső körüli pályán 6 elektronot vesz az oxigénből, és egy másik ikont az ikeréből - a második hidrogén atomot. A külső pályán most 8 elektron található, az elektronjával együtt. A második hidrogénatom szintén befejezi külső pályáját a megbecsült 8. számig. Ezt a folyamatot az ábra alsó részében mutatjuk be. 1.

A képen 2 Megmutatjuk a nátrium- és klóratomok kombinálásának folyamatát. Az eredmény nátrium-klorid, amelyet a boltokban sónak hívnak.

kép 2. A nátrium- és klóratomok összekapcsolásának folyamata

Itt is a résztvevők mindegyike megkapja a hiányzó elektronszámot a másiktól: a klór egyetlen nátrium-elektront köti a saját hét elektronjához, míg atomjait a nátrium-atomhoz adja. A külső pálya mindkét atomjának 8 elektronja van, ahol teljes megegyezés és jólét érhető el.

Az atomok érzékenysége

Az atomok, amelyek külső vagy keringési pályáján 6 vagy 7 elektron van, hajlamosak 1 vagy 2 elektronra kapcsolódni magukban. Az ilyen atomokról azt mondják, hogy egyek vagy kétértékűek. De ha egy atom atomjának külső pályáján 1, 2 vagy 3 elektron van, akkor egy ilyen atom hajlamos arra, hogy elbocsátja őket. Ebben az esetben az atom egy, kettő vagy háromértékű.

Ha egy atom külső pályáján 4 elektron van, akkor egy ilyen atom inkább ugyanazzal a kombinációval jár, amelyben szintén 4 elektron van. Így egyesülnek a tranzisztorok előállításához használt germánium és szilícium atomok. Ebben az esetben az atomokat tetravalensnek nevezzük. (A germánium vagy a szilícium atomjai kombinálhatók más elemekkel, például oxigénnel vagy hidrogénnel, de ezek a vegyületek nem érdeklik a történetünk tervében.)

A képen 3 egy germánium vagy szilícium atom látható, amely ugyanazzal az atommal kíván kombinálódni. A kis fekete körök az atom saját elektronjai, a fénykörök pedig a négy atom - a szomszédok - elektronjai esésének helyeit jelzik.

kép 3. Germánium atomja (szilícium).

A félvezetők kristályszerkezete

A germánium és a szilícium atomjai a periódusos táblázatban ugyanabban a csoportban vannak a szénatommal (a C gyémánt kémiai képlete egyszerűen nagy szénkristályok, amelyeket bizonyos körülmények között nyernek), és ezért egyesítve gyémántszerű kristályszerkezetet képeznek. Egy ilyen szerkezet kialakítását az ábrán természetesen egyszerűsített formában mutatjuk be 4.

kép 4.

A kocka közepén van egy germánium-atom, és a sarkokban további 4 atom található. A kocka közepén ábrázolt atomot valencia elektronai a legközelebbi szomszédaikhoz kötik. A szögatomok viszont a vegyérték-elektronukat a kocka közepén található szomszédoknak és szomszédaiknak - az ábrán nem látható atomoknak - adják. Így a külső pályákat legfeljebb nyolc elektron egészíti ki. A kristályrácsban természetesen nincs kocka, csak az ábrán látható, hogy az atomok kölcsönös, térbeli elrendezése egyértelmű legyen.

Annak érdekében, hogy a félvezetőkről szóló történetet a lehető legnagyobb mértékben leegyszerűsítsük, a kristályrácsot lapos vázlatos rajz formájában ábrázolhatjuk, annak ellenére, hogy az interatomikus kötések mindazonáltal az űrben helyezkednek el. Egy ilyen áramkört az ábra mutat. 5.

kép 5. A germánium kristályrács lapos formában.

Egy ilyen kristályban az összes elektron szorosan kapcsolódik az atomokhoz vegyértékkötéseikkel, ezért itt nyilvánvalóan nincs szabad elektron. Kiderül, hogy az ábra előtt egy szigetelő van, mivel nincsenek benne szabad elektronok. De valójában ez nem így van.

Belső vezetőképesség

A helyzet az, hogy a hőmérséklet hatására néhány elektron még mindig képes elszakadni atomoktól, és egy ideig megszabadul a maggal való kötődésüktől. Ezért egy kis mennyiségű szabad elektron létezik egy germánium-kristályban, amelynek köszönhetően lehetséges egy elektromos áram vezetése. Hány szabad elektron létezik egy germánium-kristályban normál körülmények között?

10 ^ 10 (tíz milliárd) atomonként nem lehet kettőnél több ilyen szabad elektron, tehát a germánium gyenge vezető, vagy a szokásos szerint félvezető. Meg kell jegyezni, hogy csak egy gramm germánium tartalmaz 10 ^ 22 (tízezer milliárd milliárd) atomot, ami lehetővé teszi mintegy kétezer milliárd szabad elektron elérését. Úgy tűnik, hogy elegendő egy nagy elektromos áram átadásához. Ennek a kérdésnek a kezeléséhez elegendő emlékeztetni arra, hogy milyen 1 A áram van.

Az 1 A áram felel meg annak, hogy egy vezetéken egy másodpercen keresztül áthalad az 1 Coulomb vagy másodpercenként 6 * 10 ^ 18 (hat milliárd milliárd) elektron töltés. Ennek fényében a kétezer milliárd szabad elektron, még ha egy hatalmas kristályra is szétszórva, valószínűleg nem biztosítja a nagy áramok áthaladását. Noha a hőmozgás miatt kis vezetőképesség van Németországban. Ez az úgynevezett belső vezetőképesség.

Elektronikus és lyuk vezetőképesség

A hőmérséklet emelkedésével további energia továbbadódik az elektronokhoz, termikus rezgéseik energikusabbak lesznek, amelynek eredményeként néhány elektronnak sikerül elszakadni atomoktól.Ezek az elektronok szabaddá válnak, és külső elektromos mező hiányában kaotikus mozgásokat hajtanak végre, és szabad térben mozognak.

Az elektronokat elvesztett atomok nem végezhetnek véletlenszerű mozgásokat, de csak kissé rezgnek a kristályrács normál helyzetükhöz viszonyítva. Az ilyen atomokat, amelyek elektronokat veszítettek, pozitív ionoknak nevezzük. Feltételezhetjük, hogy az atomokból szakadt elektronok helyett szabad terek keletkeznek, amelyeket általában lyukaknak nevezünk.

Általában az elektronok és a lyukak száma azonos, tehát egy lyuk elfoghatja a közelben lévő elektronokat. Ennek eredményeként egy pozitív ion atomja ismét semleges lesz. Az elektronok lyukakkal való kombinálásának folyamatát rekombinációnak nevezzük.

Ugyanezen a frekvencián az elektronokat elválasztják az atomoktól, ezért az elektronok és a lyukak száma egy adott félvezetőnél átlagosan egyenlő, állandó és függ a külső körülményektől, különösen a hőmérséklettől.

Ha a félvezető kristályra feszültséget alkalmaznak, akkor az elektron mozgása elrendezésre kerül, egy áram áramlik át a kristályon elektron és lyuk vezetőképességének köszönhetően. Ezt a vezetőképességet belső tulajdonságnak nevezik, ezt már egy kicsit magasabbra említették.

A tiszta formájú, elektronikus és lyukvezető képességű félvezetők azonban nem alkalmasak diódák, tranzisztorok és egyéb részletek előállítására, mivel ezen eszközök alapja a p-n (olvassuk meg „pe-en”) csomópont.

Az ilyen átmenet eléréséhez kétféle félvezetőre van szükség, két típusú vezetőképességre (p - pozitív - pozitív, lyuk) és (n - negatív - negatív, elektronikus). Az ilyen típusú félvezetőket doppingolással állítják elő, szennyeződéseket adva a tiszta germánium vagy szilícium kristályokhoz.

Noha a szennyeződések mennyisége nagyon kicsi, jelenléte nagymértékben megváltoztatja a félvezető tulajdonságait, lehetővé teszi különböző vezetőképességű félvezetők előállítását. Ezt a cikk következő részében tárgyaljuk.

Boris Aladyshkin, https://i.electricianexp.com/hu