Transistors Partie 2. Conducteurs, isolateurs et semi-conducteurs

Début de l'article: Histoire du transistor, Transistors: objectif, dispositif et principes de fonctionnement

En génie électrique, divers matériaux sont utilisés. Les propriétés électriques des substances sont déterminées par le nombre d'électrons dans l'orbite externe de valence. Moins il y a d'électrons dans cette orbite, plus ils sont faibles associés au noyau, plus ils peuvent voyager facilement.

Sous l'influence des fluctuations de température, les électrons se détachent de l'atome et se déplacent dans l'espace interatomique. Ces électrons sont appelés libres et créent un courant électrique dans les conducteurs. Y a-t-il un grand espace interatomique, y a-t-il de la place pour que les électrons libres voyagent à l'intérieur de la matière?

La structure des solides et des liquides semble continue et dense, rappelant la structure d'une boule de fil. Mais en fait, même les solides ressemblent davantage à un filet de pêche ou de volley-ball. Bien sûr, cela ne peut pas être discerné au niveau des ménages, mais il a été établi par des études scientifiques précises que les distances entre les électrons et le noyau des atomes sont beaucoup plus grandes que leurs propres dimensions.

Si la taille du noyau atomique est représentée sous la forme d'un ballon de la taille d'un ballon de football, alors les électrons dans ce modèle seront de la taille d'un pois, et chacun de ces pois est situé à partir du "noyau" à une distance de plusieurs centaines voire des milliers de mètres. Et entre le noyau et l'électron se trouve le vide - il n'y a tout simplement rien! Si nous imaginons les distances entre les atomes de matière à la même échelle, les dimensions se révéleront fantastiques - des dizaines et des centaines de kilomètres!

Les bons conducteurs d'électricité sont les métaux. Par exemple, les atomes d'or et d'argent n'ont qu'un seul électron dans l'orbite externe, ils sont donc les meilleurs conducteurs. Le fer est également conducteur d'électricité, mais légèrement pire.

Conduisez l'électricité encore pire alliages à haute résistance. Ce sont le nichrome, la manganine, le constantan, le fechral et autres. Une telle variété d'alliages à haute résistance est due au fait qu'ils sont conçus pour résoudre divers problèmes: éléments chauffants, jauges de contrainte, résistances de référence pour les instruments de mesure, et bien plus encore.

Afin d'évaluer la capacité d'un matériau à conduire l'électricité, le concept de "Conductivité électrique". La valeur de retour est résistivité. En mécanique, ces concepts correspondent à la gravité spécifique.

Isolateurs, contrairement aux conducteurs, ne sont pas enclins à perdre des électrons. En eux, la liaison de l'électron avec le noyau est très forte et il n'y a presque pas d'électrons libres. Plus précisément, mais très peu. Dans le même temps, dans certains isolateurs, il y en a plus et leur qualité d'isolation est donc pire. Il suffit de comparer, par exemple, la céramique et le papier. Par conséquent, les isolateurs peuvent être conditionnellement divisés en bons et mauvais.

L'apparition de charges libres même dans les isolants est due aux vibrations thermiques des électrons: sous l'influence des hautes températures, les propriétés isolantes se dégradent, certains électrons parviennent encore à se détacher du noyau.

De même, la résistivité d'un conducteur idéal serait nulle. Mais heureusement, il n'y a pas un tel conducteur: imaginez à quoi ressemblerait la loi d'Ohm ((I = U / R) avec zéro au dénominateur !!! Adieu aux mathématiques et à l'électrotechnique.

Et seulement à une température de zéro absolu (-273,2 ° C), les fluctuations thermiques s'arrêtent complètement et le pire isolant devient suffisamment bon. Afin de déterminer numériquement «cela» est mauvais - utilisez bien le concept de résistivité. Il s'agit de la résistance en Ohms d'un cube avec une longueur de bord de 1 cm, la dimension de la résistivité est obtenue en ohms / cm. La résistance spécifique de certaines substances est indiquée ci-dessous.La conductivité est l'inverse de la résistivité, est l'unité de mesure de Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Ils ont une bonne conductivité ou une faible résistivité: argent 1,5 * 10 ^ (- 6), lisez comment (un an et demi à dix à la puissance moins six), cuivre 1,78 * 10 ^ (- 6), aluminium 2,8 * 10 ^ (- 6). La conductivité des alliages à haute résistance est bien pire: constantan 0,5 * 10 ^ (- 4), nichrome 1,1 * 10 ^ (- 4). Ces alliages peuvent être appelés mauvais conducteurs. Après tous ces nombres complexes, remplacez Ohm / cm.

En outre, les semi-conducteurs peuvent être distingués en tant que groupe distinct: germanium 60 Ohm / cm, silicium 5000 Ohm / cm, sélénium 100 000 Ohm / cm. La résistivité de ce groupe est supérieure à celle des mauvais conducteurs, mais inférieure à celle des mauvais isolants, sans parler des bons. Probablement, avec le même succès, les semi-conducteurs pourraient être appelés semi-isolants.

Après une si courte connaissance de la structure et des propriétés d'un atome, on devrait considérer comment les atomes interagissent entre eux, comment les atomes interagissent entre eux, comment les molécules en sont faites, à partir desquelles diverses substances sont composées. Pour ce faire, vous devrez à nouveau vous souvenir des électrons dans l'orbite externe de l'atome. Après tout, ce sont eux qui participent à la liaison des atomes en molécules et déterminent les propriétés physiques et chimiques de la matière.

Comment les atomes sont fabriqués à partir d'atomes

Tout atome est dans un état stable s'il y a 8 électrons sur son orbite externe. Il ne cherche pas à prendre des électrons des atomes voisins, mais il n'abandonne pas les siens. Pour le vérifier, il suffit dans le tableau périodique de regarder les gaz inertes: néon, argon, krypton, xénon. Chacun d'eux a 8 électrons sur l'orbite extérieure, ce qui explique la réticence de ces gaz à entrer en relations (réactions chimiques) avec d'autres atomes, pour construire des molécules de substances chimiques.

La situation est tout à fait différente pour les atomes qui n'ont pas 8 électrons précieux dans leur orbite externe. Ces atomes préfèrent s'unir à d'autres afin de compléter leur orbite externe avec jusqu'à 8 électrons et de retrouver un état calme et stable.

Par exemple, la molécule d'eau bien connue H2O. Il se compose de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, comme indiqué sur la figure. 1.

Dessin 1. Comment une molécule d'eau est créée.

Dans la partie supérieure de la figure, deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène sont représentés séparément. Il y a 6 électrons dans l'orbite externe de l'oxygène et deux électrons à deux atomes d'hydrogène sont à proximité. L'oxygène jusqu'à ce que le nombre chéri 8 manque seulement deux électrons dans l'orbite externe, qu'il recevra en ajoutant deux atomes d'hydrogène à lui-même.

Chaque atome d'hydrogène manque de 7 électrons dans son orbite externe pour un bonheur complet. Le premier atome d'hydrogène reçoit dans son orbite externe 6 électrons de l'oxygène et un autre électron de son jumeau - le deuxième atome d'hydrogène. Il y a maintenant 8 électrons dans son orbite externe avec son électron. Le deuxième atome d'hydrogène complète également son orbite extérieure jusqu'au chiffre chéri 8. Ce processus est illustré dans la partie inférieure de la figure. 1.

Dans l'image 2 Le processus de combinaison des atomes de sodium et de chlore est illustré. Le résultat est du chlorure de sodium, qui est vendu dans des magasins appelés sel.

Dessin 2. Le processus de combinaison des atomes de sodium et de chlore

Ici aussi, chacun des participants reçoit le nombre manquant d'électrons de l'autre: le chlore attache un seul électron de sodium à ses sept propres électrons, tandis qu'il donne ses atomes à l'atome de sodium. Les deux atomes de l'orbite externe ont 8 électrons, c'est là que l'accord et la prospérité sont atteints.

Valence des atomes

Les atomes avec 6 ou 7 électrons dans leur orbite externe ont tendance à s'attacher à 1 ou 2 électrons. Ils disent de tels atomes qu'ils sont un ou divalents. Mais si dans l'orbite externe d'un atome 1, 2 ou 3 électrons, alors un tel atome a tendance à les trahir. Dans ce cas, l'atome est considéré comme un, deux ou trivalent.

S'il y a 4 électrons dans l'orbite externe d'un atome, alors un tel atome préfère se combiner avec le même, qui a également 4 électrons. C'est ainsi que les atomes de germanium et de silicium utilisés dans la production des transistors se combinent. Dans ce cas, les atomes sont appelés tétravalents. (Les atomes de germanium ou de silicium peuvent être combinés avec d'autres éléments, par exemple, l'oxygène ou l'hydrogène, mais ces composés ne sont pas intéressants dans le plan de notre histoire.)

Dans l'image 3 un atome de germanium ou de silicium est montré qui souhaite se combiner avec le même atome. Les petits cercles noirs sont les propres électrons de l’atome et les cercles lumineux indiquent les endroits où les électrons des quatre atomes - voisins - tombent.

Dessin 3. Atome de germanium (silicium).

La structure cristalline des semi-conducteurs

Les atomes de germanium et de silicium du tableau périodique sont dans le même groupe que le carbone (la formule chimique du diamant C est simplement de gros cristaux de carbone obtenus dans certaines conditions) et, par conséquent, lorsqu'ils sont combinés, forment une structure cristalline semblable à du diamant. La formation d'une telle structure est représentée, sous une forme simplifiée, bien sûr, sur la figure 4.

Dessin 4.

Au centre du cube se trouve un atome de germanium, et 4 autres atomes sont situés dans les coins. L'atome représenté au centre du cube est lié par ses électrons de valence à ses voisins les plus proches. À leur tour, les atomes angulaires donnent leurs électrons de valence à l'atome situé au centre du cube et à ses voisins - atomes non représentés sur la figure. Ainsi, les orbites extérieures sont complétées par jusqu'à huit électrons. Bien sûr, il n'y a pas de cube dans le réseau cristallin, il est juste montré sur la figure pour que la disposition volumétrique mutuelle des atomes soit claire.

Mais afin de simplifier au maximum l'histoire des semi-conducteurs, le réseau cristallin peut être représenté sous la forme d'un dessin schématique plat, malgré le fait que les liaisons interatomiques sont néanmoins situées dans l'espace. Un tel circuit est représenté sur la figure. 5.

Dessin 5. Le réseau de cristaux de germanium sous une forme plate.

Dans un tel cristal, tous les électrons sont étroitement liés aux atomes par leurs liaisons de valence, donc, apparemment, il n'y a tout simplement pas d'électrons libres ici. Il s'avère que devant nous se trouve un isolant sur la figure, car il n'y a pas d'électrons libres en lui. Mais, en fait, ce n'est pas le cas.

Conductivité intrinsèque

Le fait est que sous l'influence de la température, certains électrons parviennent encore à se détacher de leurs atomes et à se libérer pendant quelque temps de la liaison avec le noyau. Par conséquent, il existe une petite quantité d'électrons libres dans un cristal de germanium, grâce à laquelle il est possible de conduire un courant électrique. Combien d'électrons libres existent dans un cristal de germanium dans des conditions normales?

Il n'y a pas plus de deux de ces électrons libres pour 10 ^ 10 (dix milliards) d'atomes, donc le germanium est un mauvais conducteur, ou comme le semi-conducteur est habituel à le dire. Il convient de noter qu'un seul gramme de germanium contient 10 ^ 22 (dix mille milliards de milliards) d'atomes, ce qui vous permet "d'obtenir" environ deux milliards de milliards d'électrons libres. Il semble que cela suffit pour faire passer un gros courant électrique. Pour faire face à ce problème, il suffit de rappeler ce qu'est un courant de 1 A.

Un courant de 1 A correspond à traverser un conducteur en une seconde une charge électrique de 1 Coulomb, soit 6 * 10 ^ 18 (six milliards de milliards) d'électrons par seconde. Dans ce contexte, deux milliards de milliards d'électrons libres, et même dispersés sur un énorme cristal, sont peu susceptibles d'assurer le passage de forts courants. Bien qu'en raison du mouvement thermique, il existe une faible conductivité en Allemagne. Il s'agit de la conductivité dite intrinsèque.

Electronique et conductivité des trous

À mesure que la température augmente, une énergie supplémentaire est transférée aux électrons, leurs vibrations thermiques deviennent plus énergétiques, ce qui permet à certains électrons de se détacher de leurs atomes.Ces électrons deviennent libres et, en l'absence de champ électrique externe, font des mouvements chaotiques et se déplacent dans l'espace libre.

Les atomes qui ont perdu des électrons ne peuvent pas faire de mouvements aléatoires, mais oscillent seulement légèrement par rapport à leur position normale dans le réseau cristallin. Ces atomes, qui ont perdu des électrons, sont appelés ions positifs. On peut supposer qu'à la place des électrons arrachés à leurs atomes, on obtient des espaces libres, communément appelés trous.

En général, le nombre d'électrons et de trous est le même, donc un trou peut capturer un électron qui se trouve à proximité. En conséquence, un atome d'un ion positif redevient neutre. Le processus de combinaison d'électrons avec des trous s'appelle la recombinaison.

À la même fréquence, les électrons sont séparés des atomes, par conséquent, en moyenne, le nombre d'électrons et de trous pour un semi-conducteur particulier est égal à, est constant et dépend des conditions externes, en particulier de la température.

Si une tension est appliquée au cristal semi-conducteur, alors le mouvement des électrons sera ordonné, un courant traversera le cristal en raison de sa conductivité des électrons et des trous. Cette conductivité est dite intrinsèque, elle a déjà été mentionnée un peu plus haut.

Mais les semi-conducteurs à l'état pur, ayant une conductivité électronique et des trous, ne conviennent pas à la fabrication de diodes, de transistors et d'autres détails, car la base de ces dispositifs est la jonction p-n (lire «pe-en»).

Pour obtenir une telle transition, deux types de semi-conducteurs sont nécessaires, deux types de conductivité (p - positif - positif, trou) et (n - négatif - négatif, électronique). Ces types de semi-conducteurs sont obtenus par dopage, en ajoutant des impuretés aux cristaux de germanium ou de silicium purs.

Bien que la quantité d'impuretés soit très faible, leur présence modifie dans une large mesure les propriétés du semi-conducteur, vous permet d'obtenir des semi-conducteurs de conductivité différente. Cela sera discuté dans la prochaine partie de l'article.

Boris Aladyshkin, https://e.imadeself.com/fr