Tranzistori. Partea 3. Din ce tranzistoare sunt făcute

Începutul articolului: Istoric tranzistor, Tranzistoare: scop, dispozitiv și principii de funcționare, Conductori, izolatori și semiconductori

Semiconductorii puri au aceeași cantitate de electroni și găuri libere. Astfel de semiconductori nu sunt folosiți pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare, așa cum sa spus în partea anterioară a articolului.

Pentru producerea tranzistoarelor (în acest caz, ele înseamnă și diode, microcircuite și, de fapt, toate dispozitivele semiconductoare), se folosesc n și p tipuri de semiconductori: cu conductivitate electronică și cu găuri. În semiconductori de tip n, electronii sunt purtătorii de sarcină principali și găurile în semiconductoarele de tip p.

Semiconductorii cu tipul de conductivitate necesar se obțin prin dopare (adăugând impurități) la semiconductoare pure. Cantitatea acestor impurități este mică, dar proprietățile semiconductorului se schimbă dincolo de recunoaștere.

dopanți

Tranzistoarele nu ar fi tranzistoare dacă nu ar utiliza trei și elemente pentavalente, care sunt folosite ca impurități de aliere. Fără aceste elemente, pur și simplu ar fi fost imposibil să se creeze semiconductori cu o conductivitate diferită, să se creeze o joncțiune pn (citește pe) și un tranzistor în ansamblu.

Pe de o parte, indiu, galiu și aluminiu sunt utilizate ca impurități trivalente. Învelișul lor exterior conține doar 3 electroni. Astfel de impurități îndepărtează electronii din atomii semiconductorului, cu rezultatul că conductivitatea semiconductorului devine gaură. Astfel de elemente sunt numite acceptoare - „preluător”.

Pe de altă parte, acestea sunt antimoniu și arsenic, care sunt elemente pentavalente. Au 5 electroni în orbita lor exterioară. Intrând rândurile ordonate ale rețelei de cristal, nu pot găsi un loc pentru al cincilea electron, rămâne liber, iar conductivitatea semiconductorului devine electron sau tip n. Astfel de impurități se numesc donatori - „dătătorul”.

Figura 1 prezintă un tabel cu elemente chimice utilizate în producerea tranzistoarelor.

Figura 1. Efectul impurităților asupra proprietăților semiconductorilor

Chiar și într-un cristal chimic pur al unui semiconductor, de exemplu, germaniu, sunt conținute impuritățile. Numărul lor este mic - un atom de impuritate la un miliard de atomi din Germania însăși. Și într-un centimetru cub se dovedește aproximativ cincizeci de mii de miliarde de corpuri străine, care se numesc atomi de impuritate. Îți place mult?

Aici este momentul să ne amintim că la un curent de 1 A, o sarcină de 1 Coulomb trece prin conductor, sau 6 * 10 ^ 18 (șase miliarde de electroni) electroni pe secundă. Cu alte cuvinte, nu există atât de mulți atomi de impuritate și oferă semiconductorului o conductivitate foarte mică. Se dovedește fie un conductor rău, fie nu un izolator foarte bun. În general, un semiconductor.

Cum este un semiconductor cu o conductivitate n

Să vedem ce se întâmplă dacă un atom pentavalent de antimoniu sau arsenic este introdus într-un cristal de germaniu. Acest lucru este arătat destul de clar în figura 2.

Figura 2. Introducerea unei impurități cu 5 valențe într-un semiconductor.

Un scurt comentariu la figura 2, care ar fi trebuit să fie făcut mai devreme. Fiecare linie între atomii adiacenți ai semiconductorului din figură ar trebui să fie dublă, arătând că în legătură sunt implicați doi electroni. O astfel de legătură se numește covalentă și este prezentată în figura 3.

Figura 3. Legătură covalentă într-un cristal de siliciu.

Pentru Germania, modelul ar fi exact același.

Atomul impurității pentavalente este introdus în rețeaua de cristal, deoarece pur și simplu nu are unde să meargă.El folosește patru dintre cele cinci electroni ale sale de valență pentru a crea legături covalente cu atomii vecini și este introdus în rețeaua de cristal. Dar al cincilea electron va rămâne liber. Cel mai interesant lucru este că atomul impurității în sine în acest caz devine un ion pozitiv.

În acest caz, impuritatea se numește donator, dă semiconductor electroni suplimentari, care vor fi principalii purtători de sarcină în semiconductor. Semiconductorul în sine, care a primit electroni suplimentari de la donator, va fi un semiconductor cu conductivitate electronică sau de tip n - negativ.

Impuritățile sunt introduse în semiconductori în cantități mici, doar un atom la zece milioane de atomi de germaniu sau siliciu. Dar aceasta este de o sută de ori mai mare decât conținutul de impurități intrinseci în cel mai pur cristal, așa cum a fost scris chiar mai sus.

Dacă acum atașăm o celulă galvanică la semiconductorul de tip n, așa cum se arată în figura 4, atunci electronii (cercuri cu un minus în interior) sub acțiunea câmpului electric al bateriei se vor grăbi până la concluzia pozitivă. Polul negativ al sursei de curent va da cât mai mulți electroni cristalului. Prin urmare, un curent electric va circula prin semiconductor.

Figura 4

Hexagonii, care au un semn plus în interior, nu sunt altceva decât atomi de impuritate care donează electroni. Acum acestea sunt ioni pozitivi. Rezultatul celor de mai sus este următorul: introducerea unui donator de impuritate în semiconductor asigură injectarea electronilor liberi. Rezultatul este un semiconductor cu conductibilitate electronică sau tip n.

Dacă atomii unei substanțe cu trei electroni într-o orbită externă, cum ar fi indiul, sunt adăugați la un semiconductor, germaniu sau siliciu, atunci rezultatul va fi, în mod sincer, opusul. Această asociere este prezentată în figura 5.

Figura 5. Introducerea unei impurități cu 3 valențe într-un semiconductor.

Dacă o sursă curentă este acum atașată la un astfel de cristal, mișcarea găurilor va avea un caracter ordonat. Fazele de deplasare sunt prezentate în figura 6.

Figura 6. Fazele de conducere a găurilor

Gaura situată în primul atom din dreapta, acesta este doar atomul de impuritate trivalentă, captează electronul de la vecinul din stânga, în urma căruia gaura rămâne în el. Această gaură, la rândul său, este umplută cu un electron sfâșiat de la vecinul său (în figură este din nou la stânga).

În acest fel, se creează mișcarea găurilor încărcate pozitiv de la polul pozitiv la cel negativ al bateriei. Aceasta continuă până când gaura se apropie de polul negativ al sursei curente și este umplută cu un electron din ea. În același timp, electronul își părăsește atomul de la sursa cea mai apropiată de terminalul pozitiv, se obține o nouă gaură, iar procesul se repetă din nou.

Pentru a nu vă confunda cu privire la ce tip de semiconductor se obține atunci când este introdusă o impuritate, este suficient să ne amintim că cuvântul „donator” are litera en (negativ) - se obține un semiconductor de tip n. Și în cuvântul acceptor se află litera pe (pozitivă) - un semiconductor cu conductivitate p.

Cristalele convenționale, de exemplu, Germania, sub forma în care există în natură, nu sunt potrivite pentru producerea dispozitivelor semiconductoare. Cert este că un cristal obișnuit de germaniu natural este format din cristale mici cultivate împreună.

În primul rând, materialul de pornire a fost purificat de impurități, după care germaniul a fost topit și o sămânță a fost coborâtă în topitură, un mic cristal cu o rețea obișnuită. Semința s-a rotit încet în topitură și s-a ridicat treptat. Topita înveli sămânța și răcirea a format o tijă mare de cristal cu o rețea de cristal obișnuită. Aspectul cristalului unic obținut este prezentat în figura 7.

Figura 7

În procesul de fabricație a unui singur cristal, s-a adăugat la topire un dopant de tip p sau n, obținând astfel conductivitatea dorită a cristalului. Acest cristal a fost tăiat în plăci mici, care în tranzistor au devenit baza.

Colectorul și emițătorul au fost realizate în moduri diferite. Cel mai simplu a fost faptul că bucăți mici de indiu au fost așezate pe laturile opuse ale plăcii, care au fost sudate, încălzind punctul de contact la 600 de grade. După răcirea întregii structuri, regiunile saturate cu indium au dobândit conductibilitate de tip p. Cristalul obținut a fost instalat în carcasă și cablurile au fost conectate, în urma cărora au fost obținute tranzistoare plane aliate. Designul acestui tranzistor este prezentat în figura 8.

Figura 8

Astfel de tranzistoare au fost produse în anii șaizeci ai secolului XX sub numele de marcă MP39, MP40, MP42 etc. Acum este aproape o expoziție de muzeu. Cele mai utilizate tranzistoare ale structurii circuitului p-n-p.

În 1955, a fost dezvoltat un tranzistor de difuzie. Conform acestei tehnologii, pentru a forma regiunile colector și emițător, a fost plasată o placă de germaniu într-o atmosferă de gaz care conține vapori de impuritate dorită. În această atmosferă, placa a fost încălzită la o temperatură chiar sub punctul de topire și a menținut timpul necesar. Drept urmare, atomii de impuritate au pătruns în rețeaua de cristal, formând joncțiuni pn. Un astfel de proces este cunoscut sub numele de metoda de difuzie, iar tranzistorii înșiși se numesc difuzie.

Proprietățile de frecvență ale tranzistoarelor din aliaj, trebuie spus, lasă mult de dorit: frecvența de întrerupere nu este mai mult de câteva zeci de megahertz, ceea ce vă permite să le utilizați ca cheie la frecvențe joase și medii. Astfel de tranzistoare sunt numite frecvență joasă și vor amplifica cu siguranță doar frecvențele domeniului audio. Deși tranzistoarele din aliaj de siliciu au fost mult timp înlocuite cu tranzistoarele de siliciu, tranzistoarele de germaniu sunt încă fabricate pentru aplicații speciale unde este necesară o tensiune joasă pentru a păstra emițătorul în direcția înainte.

Tranzistoarele de siliciu sunt produse conform tehnologiei plane. Aceasta înseamnă că toate tranzițiile merg pe o suprafață. Ei au înlocuit aproape complet tranzistoarele de germaniu din circuitele cu elemente discrete și sunt folosite ca componente ale circuitelor integrate în care germaniul nu a fost niciodată utilizat. În prezent, un tranzistor germaniu este foarte greu de găsit.

Citiți mai departe în articolul următor.

Boris Aladyshkin