Транзистори. Част 3. От какво са направени транзисторите

Начало на статията: История на транзистора, Транзистори: предназначение, устройство и принципи на работа, Проводници, изолатори и полупроводници

Чистите полупроводници имат същото количество свободни електрони и дупки. Такива полупроводници не се използват за производството на полупроводникови устройства, както беше казано в предишната част на статията.

За производството на транзистори (в случая те също означават диоди, микросхеми и всъщност всички полупроводникови устройства) се използват n и p видове полупроводници: с електронна и дупкова проводимост. В полупроводници n-тип електроните са основните носители на заряд и дупките в p-тип полупроводници.

Полупроводниците с необходимия тип проводимост се получават чрез допинг (добавяне на примеси) към чисти полупроводници. Количеството на тези примеси е малко, но свойствата на полупроводника се променят до неузнаваемост.

добавки

Транзисторите не биха били транзистори, ако не използваха три и пентавалентни елементи, които се използват като легиращи примеси. Без тези елементи просто би било невъзможно да се създадат полупроводници с различна проводимост, да се създаде възел pn (чете се между) и транзистор като цяло.

От една страна, индий, галий и алуминий се използват като тривалентни примеси. Външната им обвивка съдържа само 3 електрона. Такива примеси отнемат електрони от атомите на полупроводника, в резултат на което проводимостта на полупроводника става дупка. Такива елементи се наричат ​​акцептори - "такер".

От друга страна, това са антимон и арсен, които са петвалентни елементи. Те имат 5 електрона във външната си орбита. Влизайки в стройните редици на кристалната решетка, те не могат да намерят място за петия електрон, той остава свободен и проводимостта на полупроводника става електрон или тип n. Такива примеси се наричат ​​донори - даряващите.

Фигура 1 показва таблица с химически елементи, които се използват при производството на транзистори.

Фигура 1. Ефектът на примесите върху свойствата на полупроводниците

Дори в химически чист кристал на полупроводник, например, германий, се съдържат примеси. Броят им е малък - един примесен атом на един милиард атома на самата Германия. И в един кубичен сантиметър се оказва около петдесет хиляди милиарда чужди тела, които се наричат ​​онечистващи атоми. Като много?

Тук е моментът да си спомним, че при ток от 1 A ​​през проводника преминава заряд от 1 кулон или 6 * 10 ^ 18 (шест милиарда) електрона в секунда. С други думи, няма толкова много примесни атоми и те дават на полупроводника много малка проводимост. Оказва се или лош проводник, или не много добър изолатор. По принцип полупроводник.

Как е полупроводник с проводимост n

Нека да видим какво се случва, ако в кристал на германий се въведе пентавалентен атом на антимон или арсен. Това е показано доста ясно на фигура 2.

Фигура 2. Въвеждане на 5-валентно примес в полупроводник.

Кратък коментар към Фигура 2, който трябваше да бъде направен по-рано. Всяка линия между съседни атоми на полупроводника на фигурата трябва да бъде двойна, което показва, че в връзката участват два електрона. Такава връзка се нарича ковалентна и е показана на фигура 3.

Фигура 3. Ковалентна връзка в кристал от силиций.

За Германия моделът ще бъде точно такъв.

Петовалентният атом на примеса се въвежда в кристалната решетка, защото просто няма къде да отиде.Той използва четири от петте си валентни електрона, за да създаде ковалентни връзки със съседните атоми, и се въвежда в кристалната решетка. Но петият електрон ще остане свободен. Най-интересното е, че самият атом на примеса в този случай се превръща в положителен йон.

Нечистотата в този случай се нарича донор; тя дава на полупроводника допълнителни електрони, които ще бъдат основните носители на заряд в полупроводника. Самият полупроводник, който получи допълнителни електрони от донора, ще бъде полупроводник с електронна проводимост или от тип n - отрицателен.

Онечистванията се въвеждат в полупроводници в малки количества, само един атом на десет милиона атома германий или силиций. Но това е сто пъти повече от съдържанието на вътрешни примеси в най-чистия кристал, както беше написано малко по-горе.

Ако сега прикрепим галванична клетка към получения полупроводник от тип n, както е показано на фигура 4, тогава електроните (кръгове с минус вътре) под действието на електрическото поле на акумулатора ще се втурнат към положителното си заключение. Отрицателният полюс на източника на ток ще даде толкова много електрони на кристала. Следователно през полупроводника ще тече електрически ток.

Фигура 4

Шестоъгълниците, които имат знак плюс вътре, не са нищо друго освен онечистващи атоми, които даряват електрони. Сега това са положителни йони. Резултатът от горното е следният: въвеждането на донор на примеси в полупроводника осигурява инжектиране на свободни електрони. Резултатът е полупроводник с електронна проводимост или тип n.

Ако атоми на вещество с три електрона във външна орбита, като индий, се добавят към полупроводник, германий или силиций, тогава резултатът ще бъде, честно казано, обратният. Тази асоциация е показана на фигура 5.

Фигура 5. Въвеждане на 3-валентно примес в полупроводник.

Ако източник на ток вече е прикрепен към такъв кристал, тогава движението на дупките ще вземе подреден характер. Фазите на изместване са показани на фигура 6.

Фигура 6. Фази на провеждане на отвора

Дупката, разположена в първия атом вдясно, това е просто тривалентният атом на примеса, улавя електрона от съседа отляво, в резултат на което дупката остава в него. Тази дупка от своя страна е изпълнена с електрон, откъснат от съседа си (на фигурата отново е отляво).

По този начин се създава движението на положително заредени отвори от положителния към отрицателния полюс на батерията. Това продължава, докато дупката се доближи до отрицателния полюс на източника на ток и не се напълни с електрон от него. В същото време електронът напуска атома си от източника, който е най-близо до положителния терминал, се получава нова дупка и процесът се повтаря отново.

За да не се объркате какъв тип полупроводник се получава при въвеждане на примес, достатъчно е да запомните, че думата „донор“ има буквата en (отрицателна) - получен е полупроводник от тип n. А в думата акцептор има буквата pe (положителна) - полупроводник с проводимост p.

Конвенционалните кристали, например Германия, във вида, в който съществуват в природата, са неподходящи за производството на полупроводникови устройства. Факт е, че обикновен естествен кристал германий се състои от малки кристали, отгледани заедно.

Първо, изходният материал се пречиства от примеси, след което германий се стопява и семе се спуска в стопилката, малък кристал с правилна решетка. Семето бавно се върти в стопилката и постепенно се издига нагоре. Стопилката обгръща семената и охлаждането образува голям монокристален прът с правилна кристална решетка. Появата на получения монокристал е показана на фигура 7.

Фигура 7

В процеса на производство на един кристал се добавя добавка от р или n тип към стопилката, като по този начин се получава желаната проводимост на кристала. Този кристал беше нарязан на малки плочи, които в транзистора станаха основа.

Колекторът и излъчвателят са направени по различни начини. Най-простото беше, че малки парчета индий бяха поставени от противоположните страни на плочата, които бяха заварени, затопляйки контактната точка до 600 градуса. След охлаждане на цялата структура, наситените с индий участъци придобиха р тип проводимост. Полученият кристал е монтиран в корпуса и проводниците са свързани, в резултат на което са получени легирани равнинни транзистори. Конструкцията на този транзистор е показана на фигура 8.

Фигура 8

Такива транзистори са произведени през шейсетте години на ХХ век под марката MP39, MP40, MP42 и т.н. Сега тя е почти музеен експонат. Най-широко използваните транзистори от структурата на p-n-p веригата.

През 1955 г. е разработен дифузионен транзистор. Съгласно тази технология, за да се образуват колекторните и емитерни участъци, германиева плоча се поставя в газова атмосфера, съдържаща пари с желаната примес. В тази атмосфера плаката се нагрява до температура точно под точката на топене и се задържа за необходимото време. В резултат на това примесните атоми проникнаха в кристалната решетка, образувайки pn съединения. Такъв процес е известен като дифузионен метод, а самите транзистори се наричат ​​дифузия.

Честотните свойства на сплавните транзистори, трябва да се каже, оставят много да се желае: граничната честота е не повече от няколко десетки мегагерца, което ви позволява да ги използвате като ключ при ниски и средни честоти. Такива транзистори се наричат ​​нискочестотни и уверено ще усилват само честотите на аудио диапазона. Въпреки че транзисторите от силициева сплав отдавна са заменени от силициеви транзистори, германиевите транзистори все още се произвеждат за специални приложения, при които е необходимо ниско напрежение за отклоняване на емитера в посока напред.

Силициевите транзистори се произвеждат по плоска технология. Това означава, че всички преходи отиват на една повърхност. Те почти изцяло заменят германиевите транзистори от дискретни елементи и се използват като компоненти на интегрални схеми, където германий никога не е използван. В момента е много трудно да се намери германиев транзистор.

Прочетете в следващата статия.

Борис Аладишкин