Tranzisztorok. 3. rész. Milyen tranzisztorok készülnek?

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

A tiszta félvezetőknek azonos mennyiségű szabad elektronja és lyukja van. Az ilyen félvezetőket nem használják félvezető eszközök gyártására, amint azt mondták a cikk előző részében.

Tranzisztorok előállításához (ebben az esetben diódákat, mikroáramköreket és valójában az összes félvezető eszközt is értünk) n és p típusú félvezetőket használunk: elektronikus és lyuk vezetőképességgel. Az n típusú félvezetőkben az elektronok a fő töltéshordozók, és a p-típusú félvezetők lyukak.

A kívánt típusú vezetőképességű félvezetőket tiszta félvezetők porlasztásával (szennyeződések hozzáadásával) állítják elő. Ezen szennyeződések mennyisége kicsi, de a félvezető tulajdonságai felismerés nélkül megváltoznak.

dopolószerek

A tranzisztorok nem lennének tranzisztorok, ha nem használnák három és pentavalens elemeket, amelyeket ötvöző szennyeződésekként használnak. Ezen elemek nélkül egyszerűen lehetetlen lett volna különféle vezetőképességű félvezetőket létrehozni, pn (leolvasva) csomópontot és tranzisztorot létrehozni.

Egyrészről indiumot, galliumot és alumíniumot használnak háromértékű szennyeződésekként. Külső héjuk csak 3 elektronot tartalmaz. Az ilyen szennyeződések elvonják az elektronokat a félvezető atomjaiból, aminek eredményeként a félvezető vezetőképessége lyukvá válik. Az ilyen elemeket elfogadóknak - "átvevőnek" nevezzük.

Másrészt ezek az antimon és az arzén, amelyek pentavalens elemek. A külső pályán 5 elektron van. A kristályrács karcsú soraiban belépve nem találnak helyet az ötödik elektronnak, szabad marad, és a félvezető vezetőképessége elektronmá vagy n típusúvá válik. Az ilyen szennyeződéseket donoroknak nevezzük - az „adót”.

Az 1. ábra a tranzisztorok előállításához felhasznált kémiai elemek tábláját mutatja.

1. ábra: A szennyeződések hatása a félvezetők tulajdonságaira

Még egy félvezető kémiailag tiszta kristályában, például germániumban is vannak szennyeződések. Száma kicsi - egy szennyező atom egy maga milliárd atomjára számítva. És egy köbcentiméterben körülbelül ötvenezer milliárd idegen test alakul ki, amelyeket szennyező atomoknak hívnak. Mint sok?

Itt az idő arra, hogy emlékezzünk arra, hogy 1 A feszültségnél 1 Coulomb töltés halad át a vezetéken, vagyis másodpercenként 6 * 10 ^ 18 (hat milliárd milliárd) elektronot tölt be. Más szavakkal, nincs olyan sok szennyezőatom és ezek a félvezető nagyon alacsony vezetőképességet adnak. Kiderül, hogy vagy rossz vezető, vagy nem túl jó szigetelő. Általában félvezető.

Hogyan lehet egy vezetőképességű félvezető n?

Nézzük meg, mi történik, ha egy pentavalens antimon- vagy arzénatomot vezetünk egy germánium-kristályba. Ezt egyértelműen mutatja a 2. ábra.

2. ábra: 5-vegyértékű szennyeződés bevezetése egy félvezetőbe.

Rövid kommentár a 2. ábráról, amelyet korábban kellett volna készíteni. Az ábrán a félvezető szomszédos atomjai közötti minden vonalnak kettősnek kell lennie, jelezve, hogy két elektron vesz részt a kötésben. Az ilyen kötést kovalensnek nevezzük, és a 3. ábrán látható.

3. ábra: Kovalens kötés szilícium kristályban.

Németország esetében a minta pontosan ugyanaz.

A kristályrácsba egy pentavalens szennyező atom kerül be, mivel egyszerűen nincs hová menni.Öt vegyérték-elektronjából négyet használ kovalens kötések létrehozására a szomszédos atomokkal, és beviszik a kristályrácsba. De az ötödik elektron szabadon marad. A legérdekesebb dolog az, hogy maga a szennyeződés atomja ebben az esetben pozitív ionvá válik.

A szennyeződést ebben az esetben donornak nevezzük; ez további elektronokat ad a félvezetőnek, amelyek a félvezető fő töltő hordozói lesznek. Maga a félvezető, amely további elektronokat kapott a donortól, félvezető lesz elektronikus vezetőképességgel vagy n típusú - negatív.

A szennyeződéseket kis mennyiségben vezetik be a félvezetőkbe, tízmillió germánium- vagy szilíciumatomon csak egy atom. De ez százszor annyi, mint a belső tisztaság tartalma a legtisztább kristályban, amint azt fentebb írták.

Ha most hozzákapcsolunk egy galvanikus cellát a kapott n típusú félvezetőhöz, amint az a 4. ábrán látható, akkor az akkumulátor elektromos tere hatására működő elektronok (körökben mínusz körben) a pozitív kimenetre rohannak. Az áramforrás negatív pólusa annyi elektronot ad a kristálynak. Ezért egy elektromos áram áramlik át a félvezetőn.

4. ábra

A hatszögek, amelyekben pluszjel van, nem más, mint szennyező atomok, amelyek elektronokat adnak. Most ezek pozitív ionok. A fentiek eredménye a következő: szennyező donor bevezetése a félvezetőbe biztosítja a szabad elektronok befecskendezését. Az eredmény egy elektronikus vezetőképességű vagy n típusú félvezető.

Ha egy anyag atomja, amelynek három elektronja van egy külső pályán, például indium, hozzáadunk egy félvezetőhöz, germániumhoz vagy szilíciumhoz, akkor az eredmény őszintén szólva az ellenkezője lesz. Ezt az asszociációt az 5. ábra mutatja.

5. ábra: 3-vegyértékű szennyeződés bevezetése egy félvezetőbe.

Ha egy áramforrás most csatlakozik egy ilyen kristályhoz, akkor a lyukak mozgása rendezett karaktert vesz igénybe. Az elmozdulási fázisokat a 6. ábra mutatja.

6. ábra. Lyuk vezetési fázisai

A jobb oldalon az első atomban található lyuk, ez csak a szennyeződés háromértékű atomja, elfogja az elektronot a bal szomszédságból, amelynek eredményeként a lyuk benne marad. Ezt a lyukat viszont a szomszédjától elszakított elektron töltötte be (az ábrán ez ismét balra van).

Ily módon a pozitív töltésű lyukak az akkumulátor pozitív helyéről negatív pólusra mozognak. Ez addig folytatódik, amíg a lyuk az áramforrás negatív pólusához közel áll, és egy elektron megtöltődik belőle. Ugyanakkor az elektron az atomját a pozitív terminálhoz legközelebb eső forrásból hagyja el, új lyukat kap, és a folyamatot megismételjük.

Annak érdekében, hogy ne zavarja meg, hogy milyen típusú félvezetőt kapunk egy szennyeződés bevezetésekor, elegendő emlékezni arra, hogy a „donor” szó en (negatív) betűvel rendelkezik - így n típusú félvezetőt kapunk. És az elfogadó szóban van pe (pozitív) betű - egy félvezető p vezetőképességgel.

A szokásos kristályok, például Németország, a természetben létező formában nem alkalmasak félvezető eszközök gyártására. A helyzet az, hogy egy közönséges természetes germánium-kristály kicsi kristályokból áll, amelyek együtt nőnek fel.

Először a kiindulási anyagot tisztítottuk a szennyeződésektől, ezután a germániumot megolvasztottuk, és a magot az olvadékba engedtük, egy kis kristályt egy normál ráccsal. A mag lassan forog az olvadékban és fokozatosan felfelé emelkedik. Az olvadék burkolja a magot, és lehűtve egy nagy kristályrúdot alkot, amely szabályos kristályráccsal rendelkezik. A kapott monokristály megjelenését a 7. ábra mutatja.

7. ábra

Az egyetlen kristály előállítása során p vagy n típusú adalékanyagot adtak az olvadékhoz, ezáltal megkapva a kristály kívánt vezetőképességét. Ezt a kristályt apró lemezekre vágtuk, amelyek a tranzisztorban alapjává váltak.

A gyűjtőt és a kibocsátót különféle módon készítették. A legegyszerűbb az volt, hogy a lemez másik oldalára kis indiumdarabokat helyeztek, amelyeket hegesztettek, és az érintkezési pontot 600 fokra melegítették. A teljes szerkezet lehűtése után az indium-telített régiók p-típusú vezetőképességet szereztek. A kapott kristályt behelyeztük a házba, és a vezetékeket összekapcsolták, amelynek eredményeként ötvözött sík tranzisztorokat kaptunk. Ennek a tranzisztornak a felépítését a 8. ábra mutatja.

8. ábra

Ilyen tranzisztorokat a huszadik század hatvanas éveiben állítottak elő MP39, MP40, MP42 márkanéven. Most már szinte múzeumi kiállítás. A p-n-p áramköri szerkezet legszélesebb körben alkalmazott tranzisztorjai.

1955-ben diffúziós tranzisztorot fejlesztettek ki. Ennek a technológiának megfelelően a kollektor és az emitter régiók kialakításához germánium lemezt helyeztünk a kívánt szennyeződés gőzét tartalmazó gáz atmoszférába. Ebben a légkörben a lemezt közvetlenül az olvadáspont alatti hőmérsékletre hevítettük és a kívánt ideig tartottuk. Ennek eredményeként a szennyező atomok behatoltak a kristályrácsba, pn csomópontokat képezve. Egy ilyen eljárást diffúziós módszernek hívnak, és magukat a tranzisztorokat diffúziónak nevezik.

Az ötvözött tranzisztorok frekvenciajellemzői, mondhatnánk, sok kívánnivalót hagynak: a határfrekvencia nem haladja meg a több tíz megahertzt, ami lehetővé teszi számukra kulcsként történő használatát alacsony és közepes frekvencián. Az ilyen tranzisztorokat alacsony frekvenciájúnak hívják, és ezek magabiztosan csak az audio tartomány frekvenciáit erősítik meg. Noha a szilícium ötvözött tranzisztorokat régóta helyettesítik szilícium tranzisztorok, a germánium tranzisztorokat továbbra is speciális alkalmazásokra gyártják, ahol alacsony feszültség szükséges az emitter elõzetes elõfeszítéséhez.

A szilícium-tranzisztorokat sík technológiával állítják elő. Ez azt jelenti, hogy az összes átmenet egy felületre megy. Szinte teljes mértékben cserélték meg a diszkrét elem áramkörökből származó germánium-tranzisztorokat, és olyan integrált áramkörök komponenseiként használják, ahol a germániumot soha nem használták. Jelenleg egy germánium-tranzisztor megtalálása nagyon nehéz.

Olvassa el a következő cikkben.

Boris Aladyshkin