ทรานซิสเตอร์ ส่วนที่ 2 ตัวนำฉนวนและสารกึ่งตัวนำ

จุดเริ่มต้นของบทความ: ประวัติทรานซิสเตอร์, ทรานซิสเตอร์: วัตถุประสงค์อุปกรณ์และหลักการทำงาน

ในงานวิศวกรรมไฟฟ้าใช้วัสดุต่าง ๆ คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนในวงนอกวาเลนซ์ อิเล็กตรอนน้อยลงที่อยู่ในวงโคจรนี้ที่อ่อนแอพวกเขาจะเกี่ยวข้องกับนิวเคลียสได้ง่ายขึ้นพวกเขาสามารถเดินทางไป

ภายใต้อิทธิพลของความผันผวนของอุณหภูมิอิเล็กตรอนจะแยกตัวออกจากอะตอมและเคลื่อนที่ในอวกาศระหว่างอะตอม อิเล็กตรอนดังกล่าวเรียกว่าฟรีและสร้างกระแสไฟฟ้าในตัวนำ มีพื้นที่ interatomic ขนาดใหญ่มีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนอิสระในการเดินทางหรือไม่

โครงสร้างของของแข็งและของเหลวนั้นดูต่อเนื่องและหนาแน่นซึ่งชวนให้นึกถึงโครงสร้างของลูกด้าย แต่ในความเป็นจริงแล้วแม้แต่ของแข็งก็เหมือนตาข่ายประมงหรือวอลเลย์บอล แน่นอนว่าสิ่งนี้ไม่สามารถมองเห็นได้ในระดับครัวเรือน แต่ได้มีการจัดตั้งขึ้นโดยการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำว่าระยะทางระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอมนั้นใหญ่กว่ามิติของมันมาก

ถ้าขนาดของนิวเคลียสอะตอมอยู่ในรูปของลูกบอลขนาดเท่าลูกฟุตบอลอิเล็กตรอนในแบบจำลองนี้จะมีขนาดเท่ากับถั่วและถั่วแต่ละชนิดนั้นอยู่ห่างจาก "แก่น" ที่ระยะห่างหลายร้อยและหลายพันเมตร และระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนนั้นคือความว่างเปล่า - ไม่มีอะไรเลย! ถ้าเราจินตนาการระยะทางระหว่างอะตอมของสสารในระดับเดียวกันมิติจะกลายเป็นความมหัศจรรย์ในทุก ๆ ระยะทางหลายสิบและหลายร้อยกิโลเมตร!

ตัวนำไฟฟ้าที่ดีคือ โลหะ. ตัวอย่างเช่นอะตอมของทองคำและเงินมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในวงโคจรรอบนอกดังนั้นพวกมันจึงเป็นตัวนำที่ดีที่สุด เหล็กยังทำหน้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้า แต่ก็แย่กว่านั้นเล็กน้อย

นำไฟฟ้ายิ่งแย่ลง โลหะผสมความต้านทานสูง. เหล่านี้คือ nichrome, manganin, constantan, fechral และอื่น ๆ โลหะผสมที่มีความต้านทานสูงหลายชนิดนั้นเกิดจากความจริงที่ว่าพวกมันถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาต่าง ๆ : องค์ประกอบความร้อนเกจวัดความเครียดตัวต้านทานอ้างอิงสำหรับเครื่องมือวัดและอื่น ๆ อีกมากมาย

เพื่อประเมินความสามารถของวัสดุในการทำกระแสไฟฟ้าแนวคิดของ "การนำไฟฟ้า". ค่าส่งคืนคือ ความต้านทาน. ในกลศาสตร์แนวคิดเหล่านี้สอดคล้องกับแรงโน้มถ่วงที่เฉพาะเจาะจง

ฉนวนไม่เหมือนกับตัวนำที่ไม่สูญเสียอิเล็กตรอน พันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสนั้นมีความแข็งแรงมากและแทบจะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ แม่นยำกว่า แต่มีน้อยมาก ในเวลาเดียวกันในฉนวนบางคนมีมากขึ้นและคุณภาพของฉนวนของพวกเขาคือดังนั้นแย่ลง ก็พอที่จะเปรียบเทียบเช่นเซรามิกและกระดาษ ดังนั้นลูกถ้วยไฟฟ้าสามารถแบ่งได้ดีและไม่ดีตามเงื่อนไข

การปรากฏตัวของประจุฟรีแม้ในฉนวนนั้นเกิดจากการสั่นสะเทือนทางความร้อนของอิเล็กตรอน: ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงคุณสมบัติของฉนวนลดลงอิเล็กตรอนบางตัวยังสามารถแยกตัวออกจากนิวเคลียสได้

ความต้านทานของตัวนำในอุดมคติจะเป็นศูนย์ แต่โชคดีที่ไม่มีตัวนำเช่นนั้น: จินตนาการว่ากฎของโอห์ม ((I = U / R) จะมีหน้าตาเป็นศูนย์ในตัวหาร !!! อำลาคณิตศาสตร์และวิศวกรรมไฟฟ้า

และที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (-273.2 ° C) เท่านั้นความผันผวนของความร้อนจะหยุดอย่างสมบูรณ์และฉนวนที่แย่ที่สุดก็ดีพอ เพื่อกำหนดตัวเลข“ นี่” ไม่ดี - ใช้แนวคิดเรื่องความต้านทานเป็นอย่างดี นี่คือความต้านทานเป็นโอห์มของลูกบาศก์ที่มีความยาวขอบ 1 ซม. มิติของความต้านทานได้เป็นโอห์ม / ซม. ความต้านทานเฉพาะของสารบางชนิดแสดงอยู่ด้านล่างค่าการนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของความต้านทานเป็นหน่วยวัดของซีเมนส์ - 1Sm = 1 / โอห์ม

พวกเขามีการนำไฟฟ้าที่ดีหรือความต้านทานต่ำ: เงิน 1.5 * 10 ^ (- 6) อ่านวิธี (หนึ่งและครึ่งถึงสิบถึงกำลังลบหก), ทองแดง 1.78 * 10 ^ (- 6), อลูมิเนียม 2.8 * 10 ^ (- 6) ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะผสมที่มีความต้านทานสูงยิ่งแย่ลงมาก: ค่าคงที่ 0.5 * 10 ^ (- 4), นิโครเมี่ยม 1.1 * 10 ^ (- 4) โลหะผสมเหล่านี้สามารถเรียกว่าตัวนำที่ไม่ดี หลังจากจำนวนเชิงซ้อนทั้งหมดเหล่านี้ให้แทนที่โอห์ม / ซม.

นอกจากนี้เซมิคอนดักเตอร์สามารถจำแนกได้เป็นกลุ่มแยกต่างหาก: เจอร์เมเนียม 60 โอห์ม / ซม., ซิลิคอน 5000 โอห์ม / ซม., ซีลีเนียม 100 000 โอห์ม / ซม. ความต้านทานของกลุ่มนี้มากกว่าตัวนำที่ไม่ดี แต่น้อยกว่าของฉนวนที่ไม่ดีไม่ต้องพูดถึงคนดี อาจมีความสำเร็จเท่ากันเซมิคอนดักเตอร์อาจถูกเรียกว่าฉนวนกึ่ง

หลังจากความคุ้นเคยสั้น ๆ กับโครงสร้างและคุณสมบัติของอะตอมเราควรพิจารณาว่าอะตอมมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร อะตอมมีปฏิกิริยาซึ่งกันและกันกับโมเลกุลของพวกมันซึ่งประกอบไปด้วยสารต่าง ๆ อย่างไร ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องระลึกถึงอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนอกของอะตอม ท้ายที่สุดแล้วพวกมันคือผู้ที่มีส่วนร่วมในการเกาะกันของอะตอมในโมเลกุลและกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสสาร

อะตอมทำมาจากอะตอมอย่างไร

อะตอมใดก็ตามที่อยู่ในสถานะคงที่หากมีอิเล็กตรอน 8 ตัวอยู่ในวงโคจรรอบนอก เขาไม่ได้พยายามที่จะเอาอิเล็กตรอนจากอะตอมใกล้เคียง แต่เขาก็ไม่ยอมแพ้ ในการตรวจสอบสิ่งนี้มันก็เพียงพอแล้วในตารางธาตุเพื่อดูก๊าซเฉื่อย: นีออน, อาร์กอน, คริปทอน, ซีนอน แต่ละคนมีอิเล็กตรอน 8 ตัวที่วงโคจรรอบนอกซึ่งอธิบายถึงความไม่เต็มใจของก๊าซเหล่านี้ที่จะเข้าสู่ความสัมพันธ์ใด ๆ (ปฏิกิริยาทางเคมี) กับอะตอมอื่น ๆ เพื่อสร้างโมเลกุลของสารเคมี

สถานการณ์แตกต่างกันมากสำหรับอะตอมที่ไม่มีอิเล็กตรอนหัวแก้วหัวแหวน 8 ดวงในวงโคจรรอบนอก อะตอมดังกล่าวต้องการรวมตัวกับผู้อื่นเพื่อเสริมวงโคจรรอบนอกด้วยอิเล็กตรอนสูงสุด 8 ดวงและหาสภาวะที่สงบนิ่ง

ตัวอย่างเช่นโมเลกุลของน้ำที่รู้จักกันดี H2O ประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอมดังแสดงในรูป 1.

ภาพ 1. วิธีสร้างโมเลกุลของน้ำ

ในส่วนบนของรูปอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอมจะแสดงแยกต่างหาก มีอิเล็กตรอน 6 ตัวในวงโคจรรอบนอกของออกซิเจนและมีอิเล็กตรอนสองตัวที่อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมอยู่ใกล้เคียง ออกซิเจนจนถึงเลข 8 ที่น่ารักหายไปเพียงสองอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนอกซึ่งเขาจะได้รับโดยการเพิ่มอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมให้กับตัวเอง

แต่ละอะตอมไฮโดรเจนขาด 7 อิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนอกเพื่อความสุขอย่างสมบูรณ์ อะตอมไฮโดรเจนตัวแรกจะได้รับในวงโคจรรอบนอก 6 อิเล็กตรอนจากออกซิเจนและอิเล็กตรอนอีกตัวจากแฝดของมันซึ่งก็คืออะตอมไฮโดรเจนที่สอง ขณะนี้มีอิเล็กตรอน 8 ตัวในวงโคจรรอบนอกพร้อมกับอิเล็กตรอน อะตอมไฮโดรเจนที่สองก็เสร็จสิ้นการโคจรรอบนอกเป็นเลข 8 ซึ่งเป็นกระบวนการที่แสดงในส่วนล่างของภาพ 1.

ในภาพ 2 กระบวนการของการรวมอะตอมของโซเดียมและคลอรีนจะปรากฏขึ้น ผลที่ได้คือโซเดียมคลอไรด์ซึ่งขายในร้านค้าที่เรียกว่าเกลือ

ภาพ 2. กระบวนการรวมอะตอมโซเดียมและคลอรีน

ที่นี่เช่นกันผู้เข้าร่วมแต่ละคนจะได้รับจำนวนอิเล็กตรอนที่ขาดหายไปจากอื่น: คลอรีนยึดโซเดียมอิเลคตรอนเดี่ยวกับอิเล็กตรอนเจ็ดตัวของมันเองในขณะที่มันให้อะตอมกับอะตอมโซเดียม อะตอมทั้งสองในวงโคจรรอบนอกมีอิเล็กตรอน 8 ตัวซึ่งเป็นข้อตกลงที่สมบูรณ์และประสบความสำเร็จ

ความเที่ยงตรงของอะตอม

อะตอมที่มีอิเล็กตรอน 6 หรือ 7 ตัวในวงโคจรรอบนอกของมันนั้นมีแนวโน้มที่จะยึดอิเล็กตรอน 1 หรือ 2 ตัวเข้าด้วยกัน พวกเขาพูดเกี่ยวกับอะตอมดังกล่าวว่าพวกเขาเป็นหนึ่งหรือ divalent แต่ถ้าอยู่ในวงโคจรรอบนอกของอะตอม 1, 2 หรือ 3 อิเล็กตรอนดังนั้นอะตอมดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะให้พวกเขาออกไป ในกรณีนี้อะตอมถือเป็นหนึ่งสองหรือ trivalent

หากมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในวงโคจรรอบนอกของอะตอมดังนั้นอะตอมดังกล่าวต้องการรวมกับอิเล็กตรอนเดียวกันซึ่งมีอิเล็กตรอน 4 ตัวด้วย นี่คือการที่อะตอมเจอร์เมเนียมและซิลิคอนใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์รวมกัน ในกรณีนี้อะตอมเรียกว่า tetravalent (อะตอมของเจอร์เมเนียมหรือซิลิคอนสามารถรวมเข้ากับองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นออกซิเจนหรือไฮโดรเจน แต่สารประกอบเหล่านี้ไม่น่าสนใจในแผนเรื่องราวของเรา)

ในภาพ 3 อะตอมเจอร์เมเนียมหรือซิลิกอนจะแสดงซึ่งต้องการรวมกับอะตอมเดียวกัน วงกลมสีดำขนาดเล็กเป็นอิเล็กตรอนของอะตอมและวงกลมแสงบ่งบอกถึงสถานที่ที่อิเล็กตรอนของอะตอมทั้งสี่ - เพื่อนบ้าน - ตก

ภาพ 3. อะตอมของเจอร์เมเนียม (ซิลิคอน)

โครงสร้างผลึกของสารกึ่งตัวนำ

อะตอมของเจอร์เมเนียมและซิลิกอนในตารางธาตุอยู่ในกลุ่มเดียวกันกับคาร์บอน (สูตรทางเคมีของเพชร C เป็นผลึกคาร์บอนขนาดใหญ่ที่ได้รับภายใต้เงื่อนไขบางประการ) ดังนั้นเมื่อรวมกันจะเกิดโครงสร้างผลึกคล้ายเพชร การก่อตัวของโครงสร้างดังกล่าวจะแสดงในรูปแบบที่เรียบง่ายแน่นอนในรูป 4.

ภาพ 4.

ตรงกลางของลูกบาศก์คืออะตอมเจอร์เมเนียมและอีก 4 อะตอมตั้งอยู่ตรงมุม อะตอมที่ปรากฎในใจกลางของลูกบาศก์นั้นถูกผูกไว้โดยอิเล็กตรอนของวาเลนซ์กับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด ในทางกลับกันอะตอมเชิงมุมจะให้อิเลคตรอนวาเลนซ์ของพวกเขาไปยังอะตอมที่ตั้งอยู่ในใจกลางของลูกบาศก์และเพื่อนบ้าน - อะตอมไม่แสดงในรูป ดังนั้นวงโคจรรอบนอกจึงถูกเสริมด้วยอิเล็กตรอนแปดตัว แน่นอนว่าไม่มีลูกบาศก์ในตาข่ายคริสตัลมันแสดงให้เห็นในรูปเพื่อให้การจัดเรียงของปริมาตรร่วมกันของอะตอมมีความชัดเจน

แต่เพื่อให้เรื่องราวเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ง่ายขึ้นเท่าที่จะเป็นไปได้โครงตาข่ายคริสตัลสามารถแสดงในรูปแบบของการวาดแผนผังแบบแบนแม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าพันธะระหว่างโมเลกุลจะอยู่ในอวกาศก็ตาม วงจรดังกล่าวจะแสดงในรูป 5.

ภาพ 5. ตาข่ายผลึกเจอร์เมเนียมในรูปแบบแบน

ในผลึกดังกล่าวอิเล็กตรอนทุกตัวจะถูกยึดเข้ากับอะตอมอย่างแน่นหนาโดยพันธะวาเลนซ์ของพวกมันดังนั้นเห็นได้ชัดว่าไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่นี่ ปรากฎว่าด้านหน้าของเราเป็นฉนวนในรูปเนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนอิสระในนั้น แต่อันที่จริงแล้วมันไม่ได้เป็นเช่นนั้น

การนำไฟฟ้าที่แท้จริง

ความจริงก็คือภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิอิเล็กตรอนบางคนยังคงสามารถแยกตัวออกจากอะตอมของพวกเขาและบางครั้งก็ปลดปล่อยตัวเองจากพันธะกับนิวเคลียส ดังนั้นอิเล็กตรอนอิสระจำนวนเล็กน้อยในผลึกเจอร์เมเนียมจึงมีความเป็นไปได้ที่จะนำกระแสไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระมีอยู่กี่ตัวในผลึกเจอร์เมเนียมภายใต้สภาวะปกติ?

มีอิเล็กตรอนอิสระไม่เกินสองตัวต่ออะตอม 10 ^ 10 (หมื่นล้าน) ดังนั้นเจอร์เมเนียมจึงเป็นตัวนำที่ไม่ดีหรือตามธรรมเนียมในการพูดว่าเซมิคอนดักเตอร์ ควรสังเกตว่าเจอร์เมเนียมเพียงหนึ่งกรัมมีอะตอม 10 ^ 22 (หมื่นล้านล้าน) ซึ่งช่วยให้คุณ "รับ" อิเล็กตรอนอิสระประมาณสองพันล้าน ดูเหมือนว่าเพียงพอที่จะผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ เพื่อจัดการกับปัญหานี้ก็เพียงพอที่จะระลึกถึงกระแส 1 A

กระแส 1 A สอดคล้องกับการผ่านตัวนำในหนึ่งวินาทีประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์หรือ 6 * 10 ^ 18 (หกพันล้านล้าน) อิเล็กตรอนต่อวินาที เมื่อเทียบกับพื้นหลังนี้อิเล็กตรอนอิสระสองพันล้านล้านดวงและกระจัดกระจายไปบนคริสตัลขนาดใหญ่นั้นไม่น่าจะทำให้แน่ใจว่าทางเดินของกระแสสูง แม้ว่าจะมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน แต่การนำไฟฟ้าขนาดเล็กก็มีอยู่ในประเทศเยอรมนี นี่คือการนำไฟฟ้าที่เรียกว่าภายใน

การนำไฟฟ้าและหลุม

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานเพิ่มเติมจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนการสั่นสะเทือนด้วยความร้อนจะมีพลังมากขึ้นอันเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนบางตัวสามารถแยกตัวออกจากอะตอมอิเล็กตรอนเหล่านี้กลายเป็นอิสระและหากไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกจะทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบและเคลื่อนที่ในอวกาศ

อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่แบบสุ่มได้ แต่จะแกว่งไปมาเล็กน้อยเมื่อเทียบกับตำแหน่งปกติของพวกเขาในตาข่ายคริสตัล อะตอมดังกล่าวซึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนเรียกว่าไอออนบวก เราสามารถสรุปได้ว่าแทนที่อิเล็กตรอนจากอะตอมของพวกมันจะได้พื้นที่ว่างซึ่งเรียกว่ารู

โดยทั่วไปจำนวนอิเล็กตรอนและหลุมเท่ากันดังนั้นหลุมสามารถจับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียงได้ เป็นผลให้อะตอมจากไอออนบวกกลายเป็นเป็นกลางอีกครั้ง กระบวนการรวมอิเล็กตรอนเข้ากับรูเรียกว่าการรวมตัวกันอีกครั้ง

ที่ความถี่เดียวกันอิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากอะตอมดังนั้นโดยเฉลี่ยจำนวนอิเล็กตรอนและหลุมสำหรับเซมิคอนดักเตอร์หนึ่งมีค่าเท่ากับคงที่และขึ้นอยู่กับเงื่อนไขภายนอกโดยเฉพาะอุณหภูมิ

หากแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์แล้วการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนจะถูกสั่งซื้อกระแสจะไหลผ่านคริสตัลเนื่องจากการนำอิเล็กตรอนและหลุมของมัน ค่าการนำไฟฟ้านี้เรียกว่าเนื้อแท้มันถูกกล่าวถึงแล้วสูงขึ้นเล็กน้อย

แต่เซมิคอนดักเตอร์ในรูปแบบบริสุทธิ์ของพวกเขามีอิเล็กทรอนิคส์และหลุมนำไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตไดโอดทรานซิสเตอร์และรายละเอียดอื่น ๆ เนื่องจากพื้นฐานของอุปกรณ์เหล่านี้เป็นทางแยก p-n (อ่าน "pe-en")

เพื่อให้ได้การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจำเป็นต้องมีเซมิคอนดักเตอร์สองประเภทคือการนำไฟฟ้าสองประเภท (p - positive - positive, hole) และ (n - ลบ - ลบ, อิเล็กทรอนิกส์) เซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้ได้มาจากการเติมสารเจือปนในเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์หรือผลึกซิลิคอน

แม้ว่าปริมาณของสารเจือปนจะน้อยมาก แต่การมีอยู่ในระดับใหญ่นั้นจะเปลี่ยนคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ แต่ช่วยให้คุณได้รับสารกึ่งตัวนำที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน จะกล่าวถึงในส่วนถัดไปของบทความ

Boris Aladyshkin https://e.imadeself.com/th