Transistors Partie 3. De quels transistors sont faits

Début de l'article: Histoire du transistor, Transistors: objectif, dispositif et principes de fonctionnement, Conducteurs, isolateurs et semi-conducteurs

Les semi-conducteurs purs ont la même quantité d'électrons libres et de trous. Ces semi-conducteurs ne sont pas utilisés pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs, comme cela a été dit dans la partie précédente de l'article.

Pour la production de transistors (dans ce cas, ils signifient également des diodes, des microcircuits et en fait tous les dispositifs à semi-conducteurs), des semi-conducteurs de types n et p sont utilisés: à conductivité électronique et à trous. Dans les semi-conducteurs de type n, les électrons sont les principaux porteurs de charge et les trous dans les semi-conducteurs de type p.

Les semi-conducteurs ayant le type de conductivité requis sont obtenus par dopage (ajout d'impuretés) aux semi-conducteurs purs. La quantité de ces impuretés est faible, mais les propriétés du semi-conducteur changent au-delà de la reconnaissance.

Dopants

Les transistors ne seraient pas des transistors s'ils n'utilisaient pas trois éléments pentavalents, qui sont utilisés comme impuretés d'alliage. Sans ces éléments, il aurait simplement été impossible de créer des semi-conducteurs de conductivité différente, de créer une jonction pn (lit pe) et un transistor dans son ensemble.

D'une part, l'indium, le gallium et l'aluminium sont utilisés comme impuretés trivalentes. Leur enveloppe extérieure ne contient que 3 électrons. Ces impuretés enlèvent des électrons aux atomes du semi-conducteur, ce qui fait que la conductivité du semi-conducteur devient un trou. Ces éléments sont appelés accepteurs - «preneurs».

En revanche, ce sont l'antimoine et l'arsenic, qui sont des éléments pentavalents. Ils ont 5 électrons sur leur orbite externe. En entrant dans les rangs élancés du réseau cristallin, ils ne peuvent pas trouver de place pour le cinquième électron, il reste libre et la conductivité du semi-conducteur devient électron ou type n. Ces impuretés sont appelées donneurs - le «donneur».

La figure 1 montre un tableau des éléments chimiques qui sont utilisés dans la production de transistors.

Figure 1. L'effet des impuretés sur les propriétés des semi-conducteurs

Même dans un cristal chimiquement pur d'un semi-conducteur, par exemple le germanium, des impuretés sont contenues. Leur nombre est petit - un atome d'impureté pour un milliard d'atomes de l'Allemagne elle-même. Et dans un centimètre cube, vous obtenez environ cinquante mille milliards de corps étrangers, appelés atomes d'impuretés. Comme beaucoup?

Voici le moment de se rappeler qu'à un courant de 1 A, une charge de 1 Coulomb traverse le conducteur, soit 6 * 10 ^ 18 (six milliards de milliards) d'électrons par seconde. En d'autres termes, il n'y a pas autant d'atomes d'impuretés et ils donnent au semi-conducteur très peu de conductivité. Il s'avère que c'est un mauvais conducteur ou pas un très bon isolant. En général, un semi-conducteur.

Comment est un semi-conducteur avec une conductivité n

Voyons ce qui se passe si un atome pentavalent d'antimoine ou d'arsenic est introduit dans un cristal de germanium. Ceci est illustré assez clairement sur la figure 2.

Figure 2. Introduction d'une impureté à 5 valences dans un semi-conducteur.

Un bref commentaire sur la figure 2, qui aurait dû être fait plus tôt. Chaque ligne entre les atomes adjacents du semi-conducteur sur la figure doit être double, montrant que deux électrons sont impliqués dans la liaison. Une telle liaison est appelée covalente et est illustrée à la figure 3.

Figure 3. Liaison covalente dans un cristal de silicium.

Pour l'Allemagne, le schéma serait exactement le même.

Un atome d'impureté pentavalent est introduit dans le réseau cristallin, car il n'a tout simplement nulle part où aller.Il utilise quatre de ses cinq électrons de valence pour créer des liaisons covalentes avec les atomes voisins et est introduit dans le réseau cristallin. Mais le cinquième électron restera libre. La chose la plus intéressante est que l'atome de l'impureté lui-même devient dans ce cas un ion positif.

Dans ce cas, l'impureté est appelée donneur; elle donne au semi-conducteur des électrons supplémentaires, qui seront les principaux porteurs de charge dans le semi-conducteur. Le semi-conducteur lui-même, qui a reçu des électrons supplémentaires du donneur, sera un semi-conducteur à conductivité électronique ou de type n - négatif.

Les impuretés sont introduites dans les semi-conducteurs en petites quantités, seulement un atome pour dix millions d'atomes de germanium ou de silicium. Mais c'est une centaine de fois plus que la teneur en impuretés intrinsèques du cristal le plus pur, comme cela a été écrit juste ci-dessus.

Si nous attachons maintenant une cellule galvanique au semi-conducteur de type n résultant, comme le montre la figure 4, alors les électrons (cercles avec un moins à l'intérieur) sous l'action du champ électrique de la batterie se précipiteront vers sa sortie positive. Le pôle négatif de la source de courant donnera autant d'électrons au cristal. Par conséquent, un courant électrique traversera le semi-conducteur.

Figure 4

Les hexagones, qui ont un signe plus à l'intérieur, ne sont que des atomes d'impuretés qui donnent des électrons. Ce sont maintenant des ions positifs. Le résultat de ce qui précède est le suivant: l'introduction d'un donneur d'impuretés dans le semi-conducteur assure l'injection d'électrons libres. Le résultat est un semi-conducteur à conductivité électronique ou de type n.

Si des atomes d'une substance avec trois électrons sur une orbite externe, tels que l'indium, sont ajoutés à un semi-conducteur, le germanium ou le silicium, alors le résultat sera, très franchement, le contraire. Cette association est illustrée à la figure 5.

Figure 5. Introduction d'une impureté à 3 valences dans un semi-conducteur.

Si une source de courant est maintenant attachée à un tel cristal, alors le mouvement des trous prendra un caractère ordonné. Les phases de déplacement sont illustrées à la figure 6.

Figure 6. Phases de conduction des trous

Le trou situé dans le premier atome à droite, c'est juste l'atome d'impureté trivalent, capture l'électron du voisin à gauche, à la suite de quoi le trou y reste. Ce trou, à son tour, est rempli d'un électron arraché à son voisin (sur la figure, il est à nouveau à gauche).

De cette façon, le mouvement des trous chargés positivement du pôle positif au pôle négatif de la batterie est créé. Cela continue jusqu'à ce que le trou se rapproche du pôle négatif de la source de courant et soit rempli d'un électron de celui-ci. En même temps, l'électron quitte son atome de la source la plus proche de la borne positive, un nouveau trou est obtenu et le processus se répète.

Afin de ne pas se tromper sur le type de semi-conducteur obtenu lors de l'introduction d'une impureté, il suffit de se rappeler que le mot «donneur» a la lettre en (négatif) - un semi-conducteur de type n est obtenu. Et dans le mot accepteur, il y a la lettre pe (positive) - un semi-conducteur avec conductivité p.

Les cristaux conventionnels, par exemple l'Allemagne, sous la forme dans laquelle ils existent dans la nature, ne conviennent pas à la production de dispositifs semi-conducteurs. Le fait est qu'un cristal de germanium naturel ordinaire se compose de petits cristaux cultivés ensemble.

Tout d'abord, le matériau de départ a été purifié des impuretés, après quoi le germanium a été fondu et une graine a été abaissée dans le bain de fusion, un petit cristal avec un réseau régulier. La graine tournait lentement dans la masse fondue et montait progressivement. La masse fondue a enveloppé la graine et le refroidissement a formé une grande tige monocristalline avec un réseau cristallin régulier. L'aspect du monocristal obtenu est illustré à la figure 7.

Figure 7

Dans le processus de fabrication d'un monocristal, un dopant de type p ou n a été ajouté à la masse fondue, obtenant ainsi la conductivité souhaitée du cristal. Ce cristal a été coupé en petites plaques, qui dans le transistor sont devenues la base.

Le collecteur et l'émetteur ont été réalisés de différentes manières. Le plus simple était que de petits morceaux d'indium étaient placés sur les côtés opposés de la plaque, qui étaient soudés, chauffant le point de contact à 600 degrés. Après refroidissement de l'ensemble de la structure, les régions saturées en indium ont acquis une conductivité de type p. Le cristal obtenu a été installé dans le boîtier et les conducteurs ont été connectés, ce qui a permis d'obtenir des transistors plans alliés. La conception de ce transistor est illustrée à la figure 8.

Figure 8

De tels transistors ont été produits dans les années soixante du XXe siècle sous la marque MP39, MP40, MP42, etc. Maintenant, c'est presque une exposition de musée. Les transistors les plus largement utilisés de la structure de circuit p-n-p.

En 1955, un transistor de diffusion a été développé. Selon cette technologie, pour former les régions de collecteur et d'émetteur, une plaque de germanium a été placée dans une atmosphère gazeuse contenant des vapeurs de l'impureté souhaitée. Dans cette atmosphère, la plaque a été chauffée à une température juste en dessous du point de fusion et maintenue pendant le temps requis. En conséquence, des atomes d'impuretés ont pénétré le réseau cristallin, formant des jonctions pn. Un tel processus est connu sous le nom de méthode de diffusion, et les transistors eux-mêmes sont appelés diffusion.

Les propriétés de fréquence des transistors en alliage, il faut le dire, laissent beaucoup à désirer: la fréquence limite n'est pas supérieure à plusieurs dizaines de mégahertz, ce qui vous permet de les utiliser comme clé à basses et moyennes fréquences. De tels transistors sont appelés basse fréquence et n'amplifieront en toute confiance que les fréquences de la plage audio. Bien que les transistors en alliage de silicium aient longtemps été remplacés par des transistors en silicium, les transistors en germanium sont toujours fabriqués pour des applications spéciales où une basse tension est requise pour polariser l'émetteur dans le sens direct.

Les transistors en silicium sont produits selon la technologie planaire. Cela signifie que toutes les transitions vont à une seule surface. Ils ont presque entièrement remplacé les transistors au germanium des circuits à éléments discrets et sont utilisés comme composants de circuits intégrés où le germanium n'a jamais été utilisé. Actuellement, un transistor au germanium est très difficile à trouver.

Lisez la suite dans le prochain article.

Boris Aladyshkin