Tranzystory Część 2. Przewodniki, izolatory i półprzewodniki

Początek artykułu: Historia tranzystorów, Tranzystory: cel, urządzenie i zasady działania

W elektrotechnice stosuje się różne materiały. Właściwości elektryczne substancji są określone przez liczbę elektronów na zewnętrznej orbicie walencyjnej. Im mniej elektronów znajduje się na tej orbicie, tym słabsze są związane z jądrem, tym łatwiej mogą podróżować.

Pod wpływem wahań temperatury elektrony odrywają się od atomu i poruszają w przestrzeni międzyatomowej. Takie elektrony nazywane są swobodnymi i wytwarzają prąd elektryczny w przewodnikach. Czy istnieje duża przestrzeń międzyatomowa, czy jest miejsce na swobodne przemieszczanie się elektronów w materii?

Struktura ciał stałych i cieczy wydaje się ciągła i gęsta, przypominająca strukturę kuli nici. Ale w rzeczywistości nawet ciała stałe bardziej przypominają sieć rybacką lub siatkową. Oczywiście nie można tego dostrzec na poziomie gospodarstwa domowego, ale dokładne badania naukowe wykazały, że odległości między elektronami a jądrem atomowym są znacznie większe niż ich własne wymiary.

Jeśli rozmiar jądra atomowego jest reprezentowany w postaci piłki wielkości piłki nożnej, wówczas elektrony w tym modelu będą miały rozmiar groszku, a każdy taki groszek znajduje się od „rdzenia” w odległości kilkuset, a nawet tysięcy metrów. A między jądrem a elektronem jest pustka - po prostu nie ma nic! Jeśli wyobrażamy sobie odległości między atomami materii w tej samej skali, wymiary okażą się fantastyczne - dziesiątki i setki kilometrów!

Dobrymi przewodnikami prądu są metale. Na przykład atomy złota i srebra mają tylko jeden elektron na zewnętrznej orbicie, dlatego są najlepszymi przewodnikami. Żelazo przewodzi również prąd, ale nieco gorzej.

Przewodzi prąd jeszcze gorzej stopy o wysokiej odporności. Są to nichrom, manganina, Constantan, Fechral i inne. Taka różnorodność stopów o wysokiej odporności wynika z faktu, że są one zaprojektowane do rozwiązywania różnych problemów: elementów grzejnych, tensometrów, rezystorów odniesienia do przyrządów pomiarowych i wielu innych.

W celu oceny zdolności materiału do przewodzenia elektryczności, koncepcja „Przewodnictwo elektryczne”. Zwracana wartość to rezystywność. W mechanice pojęcia te odpowiadają ciężarowi właściwemu.

Izolatory, w przeciwieństwie do przewodników, nie mają skłonności do utraty elektronów. W nich wiązanie elektronu z jądrem jest bardzo silne i prawie nie ma wolnych elektronów. Dokładniej, ale bardzo mało. Jednocześnie w niektórych izolatorach jest ich więcej, a ich jakość izolacji jest odpowiednio gorsza. Wystarczy porównać na przykład ceramikę i papier. Dlatego izolatory można warunkowo podzielić na dobre i złe.

Pojawienie się wolnych ładunków nawet w izolatorach jest spowodowane drganiami termicznymi elektronów: pod wpływem wysokiej temperatury właściwości izolacyjne pogarszają się, niektóre elektrony wciąż potrafią oderwać się od jądra.

Podobnie rezystywność idealnego przewodnika wynosiłaby zero. Ale na szczęście nie ma takiego przewodnika: wyobraź sobie, jak wyglądałoby prawo Ohma ((I = U / R) z zerowym mianownikiem !!! Pożegnanie matematyki i elektrotechniki.

I tylko w temperaturze absolutnego zera (-273,2 ° C) fluktuacje termiczne całkowicie się zatrzymują, a najgorszy izolator staje się wystarczająco dobry. Aby określić liczbowo „to” jest złe - dobrze skorzystać z koncepcji rezystywności. Jest to rezystancja sześcianu o krawędzi o długości 1 cm, wymiar rezystywności jest uzyskiwany w omach / cm. Specyficzna odporność niektórych substancji jest pokazana poniżej.Przewodność jest odwrotnością oporności, jest jednostką miary Siemensa, - 1Sm = 1 / Ohm.

Mają dobrą przewodność lub niską rezystywność: srebro 1,5 * 10 ^ (- 6), czytaj jak (półtora do dziesięciu do potęgi minus sześć), miedź 1,78 * 10 ^ (- 6), aluminium 2,8 * 10 ^ (- 6). Przewodność stopów o wysokiej rezystancji jest znacznie gorsza: constantan 0,5 * 10 ^ (- 4), nichrom 1,1 * 10 ^ (- 4). Stopy te można nazwać złymi przewodnikami. Po wszystkich tych liczbach zespolonych zastąp Ohm / cm.

Ponadto półprzewodniki można wyróżnić jako osobną grupę: german 60 Ohm / cm, krzem 5000 Ohm / cm, selen 100 000 Ohm / cm. Rezystywność tej grupy jest większa niż złych przewodników, ale mniejsza niż złych izolatorów, nie mówiąc już o dobrych. Prawdopodobnie z takim samym sukcesem półprzewodniki można nazwać półizolatorami.

Po tak krótkim zapoznaniu się ze strukturą i właściwościami atomu należy rozważyć, w jaki sposób atomy oddziałują ze sobą, jak atomy oddziałują ze sobą, jak powstają z nich molekuły, z których zbudowane są różne substancje. Aby to zrobić, ponownie będziesz musiał pamiętać elektrony na zewnętrznej orbicie atomu. W końcu to oni uczestniczą w wiązaniu atomów w molekuły i określają fizyczne i chemiczne właściwości materii.

Jak atomy są zbudowane z atomów

Każdy atom jest w stanie stabilnym, jeśli na jego zewnętrznej orbicie znajduje się 8 elektronów. Nie próbuje pobierać elektronów z sąsiednich atomów, ale nie rezygnuje z własnych. Aby to zweryfikować, wystarczy spojrzeć na układ okresowy na gazy obojętne: neon, argon, krypton, ksenon. Każdy z nich ma 8 elektronów na zewnętrznej orbicie, co tłumaczy niechęć tych gazów do wchodzenia w jakiekolwiek relacje (reakcje chemiczne) z innymi atomami, do budowy molekuł substancji chemicznych.

Sytuacja wygląda zupełnie inaczej w przypadku atomów, które nie mają 8 cennych elektronów na swojej zewnętrznej orbicie. Takie atomy wolą jednoczyć się z innymi, aby uzupełnić swoją zewnętrzną orbitę maksymalnie 8 elektronami i znaleźć spokojny stabilny stan.

Na przykład dobrze znana cząsteczka wody H2O. Składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, jak pokazano na rysunku. 1.

Rysunek 1. Jak powstaje cząsteczka wody.

W górnej części rysunku dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu pokazano osobno. Na zewnętrznej orbicie tlenu znajduje się 6 elektronów, a dwa elektrony przy dwóch atomach wodoru znajdują się w pobliżu. Tlen aż do cenionej liczby 8 brakuje tylko dwóch elektronów na zewnętrznej orbicie, które otrzyma poprzez dodanie do siebie dwóch atomów wodoru.

Każdy atom wodoru nie ma 7 elektronów na swojej zewnętrznej orbicie dla pełnego szczęścia. Pierwszy atom wodoru otrzymuje na swojej zewnętrznej orbicie 6 elektronów z tlenu, a drugi elektron z bliźniaka - drugi atom wodoru. Na jego orbicie zewnętrznej znajduje się teraz 8 elektronów wraz z elektronem. Drugi atom wodoru również kończy swoją zewnętrzną orbitę do cenionej liczby 8. Proces ten pokazano w dolnej części rysunku. 1.

Na zdjęciu 2 Pokazano proces łączenia atomów sodu i chloru. Rezultatem jest chlorek sodu, który jest sprzedawany w sklepach zwanych solą.

Rysunek 2. Proces łączenia atomów sodu i chloru

Tutaj również każdy z uczestników otrzymuje od drugiego brakującą liczbę elektronów: chlor przyłącza pojedynczy elektron sodu do własnych siedmiu elektronów, a jednocześnie przekazuje atomy atomowi sodu. Oba atomy na zewnętrznej orbicie mają 8 elektronów, co zapewnia pełną zgodność i dobrobyt.

Wartościowość atomów

Atomy z 6 lub 7 elektronami na zewnętrznej orbicie mają tendencję do przyłączania do siebie 1 lub 2 elektronów. Mówią o takich atomach, że są one jedno- lub dwuwartościowe. Ale jeśli na zewnętrznej orbicie atomu 1, 2 lub 3 elektronów, taki atom ma tendencję do ich rozdawania. W tym przypadku atom jest uważany za jeden, dwa lub trójwartościowy.

Jeśli na zewnętrznej orbicie atomu znajdują się 4 elektrony, wówczas taki atom woli łączyć się z tym samym, który ma również 4 elektrony. Tak łączą się atomy germanu i krzemu wykorzystywane w produkcji tranzystorów. W tym przypadku atomy nazywane są czterowartościowymi. (Atomy germanu lub krzemu można łączyć z innymi pierwiastkami, na przykład tlenem lub wodorem, ale związki te nie są interesujące w planie naszej historii.)

Na zdjęciu 3 pokazano atom germanu lub krzemu, który chce łączyć się z tym samym atomem. Małe czarne kółka są elektronami własnego atomu, a jasne koła wskazują miejsca, w których spadają elektrony czterech atomów - sąsiadów.

Rysunek 3. Atom germanu (krzemu).

Struktura krystaliczna półprzewodników

Atomy germanu i krzemu w układzie okresowym pierwiastków należą do tej samej grupy co węgiel (wzór chemiczny diamentu C to po prostu duże kryształy węgla otrzymane w określonych warunkach), a zatem po połączeniu tworzą diamentową strukturę krystaliczną. Tworzenie takiej struktury pokazano na uproszczonej, oczywiście, formie 4.

Rysunek 4.

Pośrodku sześcianu znajduje się atom germanu, a 4 kolejne atomy znajdują się w rogach. Atom przedstawiony na środku sześcianu jest związany przez elektrony walencyjne z najbliższymi sąsiadami. Z kolei atomy kątowe przekazują elektrony walencyjne do atomu znajdującego się w środku sześcianu i jego sąsiadów - atomów nie pokazanych na rysunku. Tak więc zewnętrzne orbity są uzupełnione maksymalnie ośmioma elektronami. Oczywiście w sieci krystalicznej nie ma sześcianu, jest on po prostu pokazany na rysunku, dzięki czemu wzajemny, wolumetryczny układ atomów jest wyraźny.

Aby jednak maksymalnie uprościć opowieść o półprzewodnikach, sieć krystaliczna może być przedstawiona w formie płaskiego schematu, mimo że wiązania międzyatomowe są mimo to zlokalizowane w przestrzeni. Taki obwód pokazano na rysunku. 5.

Rysunek 5. Siatka kryształu germanu w płaskiej formie.

W takim krysztale wszystkie elektrony są mocno związane z atomami za pomocą wiązań walencyjnych, dlatego najwyraźniej po prostu nie ma tutaj wolnych elektronów. Okazuje się, że przed nami jest izolator na figurze, ponieważ nie ma w nim wolnych elektronów. Ale tak nie jest.

Przewodność wewnętrzna

Faktem jest, że pod wpływem temperatury niektórym elektronom wciąż udaje się oderwać od atomów i na pewien czas uwolnić się z wiązania z jądrem. Dlatego istnieje niewielka ilość wolnych elektronów w krysztale germanu, dzięki czemu możliwe jest przewodzenie prądu elektrycznego. Ile wolnych elektronów istnieje w krysztale germanu w normalnych warunkach?

Nie ma więcej niż dwa takie wolne elektrony na 10 ^ 10 (dziesięć miliardów) atomów, więc german jest słabym przewodnikiem lub, jak to zwykle bywa, półprzewodnikiem. Należy zauważyć, że tylko jeden gram germanu zawiera 10 ^ 22 (dziesięć tysięcy miliardów miliardów) atomów, co pozwala „uzyskać” około dwóch tysięcy miliardów wolnych elektronów. Wydaje się, że wystarczy do przepuszczenia dużego prądu elektrycznego. Aby poradzić sobie z tym problemem, wystarczy przypomnieć sobie, co prąd 1 A.

Prąd 1 A odpowiada przepuszczeniu przez przewodnik w ciągu jednej sekundy ładunku elektrycznego o wartości 1 kulombowskiego lub 6 * 10 ^ 18 (sześć miliardów miliardów) elektronów na sekundę. Na tym tle dwa tysiące miliardów wolnych elektronów, a nawet rozproszone po ogromnym krysztale, prawdopodobnie nie zapewnią przejścia wysokich prądów. Chociaż z powodu ruchu termicznego w Niemczech istnieje niewielka przewodność. Jest to tak zwane przewodnictwo wewnętrzne.

Przewodnictwo elektroniczne i dziurkowe

Wraz ze wzrostem temperatury dodatkowa energia jest przenoszona na elektrony, a ich wibracje termiczne stają się bardziej energetyczne, w wyniku czego niektórym elektronom udaje się oderwać od atomów.Elektrony te stają się wolne i przy braku zewnętrznego pola elektrycznego wykonują chaotyczne ruchy i poruszają się w wolnej przestrzeni.

Atomy, które straciły elektrony, nie mogą wykonywać przypadkowych ruchów, ale jedynie nieznacznie oscylują w stosunku do ich normalnej pozycji w sieci krystalicznej. Takie atomy, które straciły elektrony, nazywane są jonami dodatnimi. Możemy założyć, że zamiast elektronów wyrwanych z atomów, powstają wolne przestrzenie, które są powszechnie nazywane dziurami.

Ogólnie liczba elektronów i dziur jest taka sama, więc dziura może przechwycić elektron znajdujący się w pobliżu. W rezultacie atom z jonu dodatniego ponownie staje się neutralny. Proces łączenia elektronów z dziurami nazywa się rekombinacją.

Przy tej samej częstotliwości elektrony są oddzielane od atomów, dlatego przeciętnie liczba elektronów i otworów dla danego półprzewodnika jest równa, stała i zależy od warunków zewnętrznych, zwłaszcza temperatury.

Jeśli napięcie zostanie przyłożone do kryształu półprzewodnika, wówczas ruch elektronu zostanie uporządkowany, prąd przepłynie przez kryształ ze względu na jego przewodność elektronową i dziurową. Przewodnictwo to nazywa się samoistnie, wspomniano już o nim nieco wyżej.

Ale czyste półprzewodniki o przewodności elektronicznej i dziurkowej nie nadają się do produkcji diod, tranzystorów i innych detali, ponieważ podstawą tych urządzeń jest złącze p-n (czytaj „pe-en”).

Aby uzyskać takie przejście, potrzebne są dwa rodzaje półprzewodników, dwa rodzaje przewodnictwa (p - dodatnie - dodatnie, dziurkowe) i (n - ujemne - ujemne, elektroniczne). Te typy półprzewodników są otrzymywane przez domieszkowanie, dodając zanieczyszczenia do czystych kryształów germanu lub krzemu.

Chociaż ilość zanieczyszczeń jest bardzo mała, ich obecność w dużym stopniu zmienia właściwości półprzewodnika, pozwala uzyskać półprzewodniki o różnej przewodności. Zostanie to omówione w następnej części artykułu.

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