Tranzystory Część 3. Z czego wykonane są tranzystory

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

Czyste półprzewodniki mają taką samą ilość wolnych elektronów i dziur. Jak już powiedziano, takie półprzewodniki nie są wykorzystywane do produkcji urządzeń półprzewodnikowych w poprzedniej części artykułu.

Do produkcji tranzystorów (w tym przypadku oznaczają one również diody, mikroukłady, a właściwie wszystkie urządzenia półprzewodnikowe), stosuje się typy półprzewodników typu n i p: o przewodności elektronicznej i dziurkowej. W półprzewodnikach typu n elektrony są głównymi nośnikami ładunku i dziurami w półprzewodnikach typu p.

Półprzewodniki o wymaganym typie przewodnictwa uzyskuje się przez domieszkowanie (dodawanie zanieczyszczeń) do czystych półprzewodników. Ilość tych zanieczyszczeń jest niewielka, ale właściwości półprzewodnika zmieniają się nie do poznania.

Domieszki

Tranzystory nie byłyby tranzystorami, gdyby nie zastosowały trzech i pięciowartościowych pierwiastków, które są stosowane jako zanieczyszczenia stopowe. Bez tych elementów po prostu niemożliwe byłoby stworzenie półprzewodników o różnej przewodności, stworzenie złącza pn (czyta pe - en) i tranzystora jako całości.

Z jednej strony ind, gal i glin są używane jako trójwartościowe zanieczyszczenia. Ich zewnętrzna powłoka zawiera tylko 3 elektrony. Takie zanieczyszczenia usuwają elektrony z atomów półprzewodnika, w wyniku czego przewodnictwo półprzewodnika staje się dziurą. Takie elementy nazywane są akceptantami - „biorcami”.

Z drugiej strony są to antymon i arsen, które są pierwiastkami pięciowartościowymi. Mają 5 elektronów na swojej zewnętrznej orbicie. Wchodząc w smukłe szeregi sieci krystalicznej, nie mogą znaleźć miejsca na piąty elektron, pozostaje on wolny, a przewodność półprzewodnika staje się elektronem lub typem n. Takie zanieczyszczenia nazywane są dawcami - „dawcą”.

Rycina 1 pokazuje tabelę pierwiastków chemicznych, które są wykorzystywane do produkcji tranzystorów.

Ryc. 1. Wpływ zanieczyszczeń na właściwości półprzewodników

Nawet w chemicznie czystym krysztale półprzewodnika, na przykład germanu, zawarte są zanieczyszczenia. Ich liczba jest niewielka - jeden atom zanieczyszczeń na miliard atomów samych Niemiec. I w jednym centymetrze sześciennym okazuje się około pięćdziesiąt tysięcy miliardów ciał obcych, zwanych atomami nieczystości. Jak bardzo?

Oto czas, aby pamiętać, że przy prądzie 1 A ładunek 1 kulomb przechodzi przez przewodnik lub 6 * 10 ^ 18 (sześć miliardów miliardów) elektronów na sekundę. Innymi słowy, nie ma tak wielu atomów zanieczyszczeń i dają one półprzewodnikowi bardzo małą przewodność. Okazuje się, że albo zły przewodnik, albo niezbyt dobry izolator. Ogólnie półprzewodnik.

Jak jest półprzewodnik o przewodności n

Zobaczmy, co się stanie, jeśli pięciowartościowy atom antymonu lub arsenu zostanie wprowadzony do kryształu germanu. Widać to dość wyraźnie na rycinie 2.

Ryc. 2. Wprowadzenie 5-walencyjnego zanieczyszczenia do półprzewodnika.

Krótki komentarz do Ryc. 2, który należało zrobić wcześniej. Każda linia między sąsiednimi atomami półprzewodnika na rysunku powinna być podwójna, co pokazuje, że w wiązanie zaangażowane są dwa elektrony. Takie wiązanie nazywa się kowalencyjnym i pokazano na rycinie 3.

Rycina 3. Wiązanie kowalencyjne w krysztale krzemu.

W Niemczech wzór byłby dokładnie taki sam.

Pięciowartościowy atom zanieczyszczeń jest wprowadzany do sieci krystalicznej, ponieważ po prostu nie ma dokąd pójść.Wykorzystuje cztery ze swoich pięciu elektronów walencyjnych do tworzenia wiązań kowalencyjnych z sąsiednimi atomami i zostaje wprowadzony do sieci krystalicznej. Ale piąty elektron pozostanie wolny. Najciekawsze jest to, że sam atom zanieczyszczenia w tym przypadku staje się jonem dodatnim.

Zanieczyszczenie w tym przypadku nazywa się dawcą; daje on półprzewodnikowi dodatkowe elektrony, które będą głównymi nośnikami ładunku w półprzewodniku. Sam półprzewodnik, który otrzymał dodatkowe elektrony od dawcy, będzie półprzewodnikiem o przewodności elektronicznej lub typu n - ujemnym.

Zanieczyszczenia są wprowadzane do półprzewodników w małych ilościach, tylko jeden atom na dziesięć milionów atomów germanu lub krzemu. Jest to jednak sto razy więcej niż zawartość wewnętrznych zanieczyszczeń w najczystszym krysztale, jak napisano tuż powyżej.

Jeśli teraz podłączymy ogniwo galwaniczne do powstałego półprzewodnika typu n, jak pokazano na rycinie 4, wówczas elektrony (koła z minusem w środku) pod działaniem pola elektrycznego akumulatora przyspieszą do dodatniej mocy. Biegun ujemny źródła prądu da kryształowi tyle elektronów. Dlatego prąd elektryczny przepłynie przez półprzewodnik.

Rycina 4

Sześciokąty, które mają wewnątrz znak plus, to nic innego jak atomy zanieczyszczeń, które oddają elektrony. Teraz są to jony dodatnie. Wynik powyższego jest następujący: wprowadzenie donora zanieczyszczeń do półprzewodnika zapewnia wstrzyknięcie wolnych elektronów. Rezultatem jest półprzewodnik o przewodności elektronicznej lub typ n.

Jeśli atomy substancji z trzema elektronami na zewnętrznej orbicie, takie jak ind, zostaną dodane do półprzewodnika, germanu lub krzemu, wynik będzie, szczerze mówiąc, odwrotny. Powiązanie to pokazano na rycinie 5.

Rycina 5. Wprowadzenie 3-walencyjnego zanieczyszczenia do półprzewodnika.

Jeśli źródło prądu jest teraz podłączone do takiego kryształu, wówczas ruch dziur przybierze uporządkowaną postać. Fazy ​​przemieszczenia pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Fazy przewodzenia otworu

Dziura znajdująca się w pierwszym atomie po prawej stronie, to tylko trójwartościowy atom zanieczyszczenia, wychwytuje elektron z sąsiada po lewej, w wyniku czego dziura pozostaje w nim. Ta dziura z kolei jest wypełniona elektronem wyrwanym z sąsiada (na rysunku znów znajduje się po lewej stronie).

W ten sposób powstaje ruch dodatnio naładowanych otworów od bieguna dodatniego do ujemnego akumulatora. Trwa to do momentu, gdy otwór zbliży się do bieguna ujemnego źródła prądu i zostanie wypełniony elektronem z niego. W tym samym czasie elektron opuszcza swój atom ze źródła najbliższego dodatniej końcówce, uzyskuje się nowy otwór i proces powtarza się ponownie.

Aby nie pomylić się z tym, jaki rodzaj półprzewodnika uzyskuje się po wprowadzeniu zanieczyszczenia, wystarczy pamiętać, że słowo „dawca” ma literę en (ujemną) - uzyskuje się półprzewodnik typu n. A w słowie akceptor znajduje się litera pe (dodatnia) - półprzewodnik o przewodności p.

Konwencjonalne kryształy, na przykład Niemcy, w postaci, w jakiej istnieją w naturze, nie nadają się do produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Faktem jest, że zwykły naturalny kryształ germanu składa się z małych kryształów hodowanych razem.

Najpierw materiał wyjściowy oczyszczono z zanieczyszczeń, po czym german stopiono, a nasiona stopiono w dół, mały kryształ o regularnej sieci. Nasiona powoli wirowały w stopie i stopniowo unosiły się. Stop otoczył nasiona, a chłodzenie utworzyło duży pręt jednokrystaliczny z regularną siecią krystaliczną. Wygląd uzyskanego monokryształu pokazano na ryc. 7.

Rycina 7

W procesie wytwarzania pojedynczego kryształu do stopu dodano domieszkę typu p lub n, uzyskując w ten sposób pożądaną przewodność kryształu. Kryształ ten został pocięty na małe płytki, które w tranzystorze stały się podstawą.

Kolektor i emiter zostały wykonane na różne sposoby. Najprostsze było to, że małe kawałki indu umieszczono po przeciwnych stronach płyty, które zostały przyspawane, ogrzewając punkt styku do 600 stopni. Po ochłodzeniu całej struktury regiony nasycone indem uzyskały przewodnictwo typu p. Otrzymany kryształ został zainstalowany w obudowie i przewody zostały połączone, w wyniku czego uzyskano stopowe tranzystory płaskie. Konstrukcja tego tranzystora pokazano na rysunku 8.

Rycina 8

Takie tranzystory zostały wyprodukowane w latach sześćdziesiątych XX wieku pod marką MP39, MP40, MP42 itp. Teraz jest to prawie ekspozycja muzealna. Najczęściej stosowane tranzystory o strukturze obwodu p-n-p.

W 1955 r. Opracowano tranzystor dyfuzyjny. Zgodnie z tą technologią, w celu utworzenia obszarów kolektora i emitera, płytkę germanową umieszczono w atmosferze gazowej zawierającej opary pożądanego zanieczyszczenia. W tej atmosferze płytkę ogrzano do temperatury tuż poniżej temperatury topnienia i utrzymywano przez wymagany czas. W rezultacie atomy zanieczyszczeń przeniknęły do ​​sieci krystalicznej, tworząc połączenia pn. Taki proces jest znany jako metoda dyfuzji, a same tranzystory nazywane są dyfuzją.

Trzeba powiedzieć, że właściwości częstotliwościowe tranzystorów stopowych pozostawiają wiele do życzenia: częstotliwość odcięcia wynosi nie więcej niż kilkadziesiąt megaherców, co pozwala na użycie ich jako klucza przy niskich i średnich częstotliwościach. Takie tranzystory nazywane są niskimi częstotliwościami i pewnie wzmacniają tylko częstotliwości zakresu audio. Chociaż tranzystory ze stopu krzemu od dawna zastępowane są tranzystorami krzemowymi, tranzystory germanowe są nadal produkowane do specjalnych zastosowań, w których wymagane jest niskie napięcie, aby przesunąć emiter w kierunku do przodu.

Tranzystory krzemowe są produkowane zgodnie z technologią planarną. Oznacza to, że wszystkie przejścia przechodzą na jedną powierzchnię. Niemal całkowicie zastąpili tranzystory germanowe z obwodów elementów dyskretnych i są stosowane jako elementy układów scalonych, w których german nigdy nie był używany. Obecnie bardzo trudno jest znaleźć tranzystor germanowy.

Czytaj dalej w następnym artykule.

Boris Aladyshkin