ทรานซิสเตอร์ ตอนที่ 3. ทรานซิสเตอร์ทำมาจากอะไร

จุดเริ่มต้นของบทความ: ประวัติทรานซิสเตอร์, ทรานซิสเตอร์: วัตถุประสงค์อุปกรณ์และหลักการทำงาน, ตัวนำ, ฉนวนและอุปกรณ์กึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์มีจำนวนอิเล็กตรอนและรูเท่ากัน เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าวไม่ได้ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าว ในส่วนก่อนหน้าของบทความ.

สำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์ (ในกรณีนี้มันหมายถึงไดโอดไมโครเซอร์กิตและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด) ใช้เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n และ p: พร้อมการนำไฟฟ้าและรู ในเซมิคอนดักเตอร์ของ type n ผู้ให้บริการประจุหลักคืออิเล็กตรอนและในเซมิคอนดักเตอร์ของ p ประเภทหลุม

เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่ต้องการนั้นได้รับโดยการเติม (เพิ่มสิ่งสกปรก) ลงในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ ปริมาณของสิ่งสกปรกเหล่านี้มีขนาดเล็ก แต่คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำเปลี่ยนแปลงเกินกว่าจะรับรู้

สารเจือ

ทรานซิสเตอร์จะไม่เป็นทรานซิสเตอร์หากพวกเขาไม่ได้ใช้องค์ประกอบสามองค์ประกอบและ pentavalent ซึ่งใช้เป็นสิ่งเจือปนผสม หากไม่มีองค์ประกอบเหล่านี้มันคงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่าง ๆ เพื่อสร้าง pn (อ่าน pe - en) junction และ transistor ทั้งหมด

ในอีกด้านหนึ่งใช้อินเดียมแกลเลียมและอลูมิเนียมเป็นสิ่งเจือปน trivalent เปลือกนอกของมันมีเพียง 3 อิเล็กตรอน สิ่งสกปรกดังกล่าวทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของเซมิคอนดักเตอร์โดยมีผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์กลายเป็นรู องค์ประกอบดังกล่าวเรียกว่า acceptors - "คนรับ"

ในทางกลับกันสิ่งเหล่านี้คือพลวงและสารหนูซึ่งเป็นองค์ประกอบเพนทาวาเลนท์ พวกมันมีอิเล็กตรอน 5 ตัวที่วงโคจรรอบนอก เมื่อเข้าไปในแถวที่เป็นระเบียบของผลึกคริสตัลพวกเขาไม่สามารถหาสถานที่สำหรับอิเล็กตรอนที่ห้ามันยังคงว่างและค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะกลายเป็นอิเล็กตรอนหรือชนิด n สิ่งสกปรกเช่นนี้เรียกว่าผู้บริจาค -“ ผู้ให้”

รูปที่ 1 แสดงตารางองค์ประกอบทางเคมีที่ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์

รูปที่ 1 ผลกระทบของสิ่งสกปรกต่อคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ

แม้จะอยู่ในผลึกบริสุทธิ์ทางเคมีของเซมิคอนดักเตอร์เช่นเจอร์เมเนียมมีสิ่งเจือปน จำนวนของมันมีขนาดเล็ก - อะตอมบริสุทธิ์หนึ่งอะตอมต่อหนึ่งพันล้านอะตอมของเยอรมนีเอง และในหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตรคุณจะได้สิ่งแปลกปลอมประมาณห้าหมื่นล้านหน่วยซึ่งเรียกว่าอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ ชอบมากไหม

นี่คือเวลาที่ต้องจำไว้ว่าที่กระแส 1 A ประจุ 1 คูลอมบ์จะผ่านตัวนำหรือ 6 * 10 ^ 18 (หกพันล้านล้าน) อิเล็กตรอนต่อวินาที กล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คืออะตอมที่มีสิ่งเจือปนไม่มากนักและทำให้สารกึ่งตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าน้อยมาก มันกลับกลายเป็นตัวนำที่ไม่ดีหรือไม่ได้เป็นฉนวนที่ดีมาก โดยทั่วไปแล้วเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าเป็นอย่างไร

มาดูกันว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าอะตอมเพนทาวาเลนต์ของพลวงหรือสารหนูถูกนำเข้าไปในคริสตัลเจอร์เมเนียม แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในรูปที่ 2

รูปที่ 2 บทนำของการเจือปน 5 วาเลนซ์ในเซมิคอนดักเตอร์

ความเห็นสั้น ๆ เกี่ยวกับรูปที่ 2 ซึ่งควรทำก่อนหน้านี้ แต่ละบรรทัดระหว่างอะตอมที่อยู่ติดกันของเซมิคอนดักเตอร์ในรูปควรเป็นสองเท่าแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนสองตัวมีส่วนร่วมในพันธะ พันธบัตรดังกล่าวเรียกว่าโควาเลนต์และแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 พันธะโควาเลนต์ในผลึกซิลิคอน

สำหรับเยอรมนีลวดลายจะเหมือนกันทุกประการ

มีการนำอะตอมของเพนทาวาเลนต์เพนทาวาเลนต์เข้าไปในตาข่ายคริสตัลเพราะมันไม่มีที่ไปเลยเขาใช้อิเล็กตรอนสี่ในห้าของเขาเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมข้างเคียงและถูกนำเข้าสู่ตาข่ายคริสตัล แต่อิเล็กตรอนตัวที่ห้าจะยังคงเป็นอิสระ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคืออะตอมของสิ่งสกปรกในกรณีนี้จะกลายเป็นไอออนบวก

ความไม่บริสุทธิ์ในกรณีนี้เรียกว่าผู้บริจาคมันให้อิเล็กตรอนเพิ่มเติมของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งจะเป็นผู้ให้บริการหลักของประจุในเซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์ตัวเองซึ่งได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มเติมจากผู้บริจาคจะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการนำไฟฟ้าหรือชนิด n - ลบ

สารเจือปนถูกนำเข้าสู่เซมิคอนดักเตอร์ในปริมาณน้อยเพียงหนึ่งอะตอมต่อสิบล้านอะตอมของเจอร์เมเนียมหรือซิลิคอน แต่นี่เป็นร้อยเท่าที่มากกว่าเนื้อหาของสิ่งเจือปนที่อยู่ภายในคริสตัลที่บริสุทธิ์ที่สุดเท่าที่เขียนไว้ด้านบน

ถ้าตอนนี้เราแนบเซลล์กัลวานิกเข้ากับเซมิคอนดักเตอร์ที่เกิดจากประเภท n ดังที่แสดงในรูปที่ 4 จากนั้นอิเล็กตรอน (วงกลมที่มีเครื่องหมายลบอยู่) ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะรีบไปหาข้อสรุปเชิงบวก ขั้วลบของแหล่งกำเนิดในปัจจุบันจะให้อิเล็กตรอนจำนวนมากกับคริสตัล ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านเซมิคอนดักเตอร์

รูปที่ 4

Hexagons ซึ่งมีเครื่องหมายบวกอยู่ภายในนั้นไม่มีอะไรเลยนอกจากอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งบริจาคอิเล็กตรอน ทีนี้นี่คือประจุบวก ผลลัพธ์ของที่กล่าวมามีดังต่อไปนี้การแนะนำของผู้บริจาคสิ่งเจือปนในเซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้มั่นใจว่าการฉีดอิเล็กตรอนอิสระ ผลที่ได้คือเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการนำไฟฟ้าหรือประเภท n

หากอะตอมของสารที่มีอิเล็กตรอนสามตัวอยู่ในวงโคจรภายนอกเช่นอินเดียมจะถูกเพิ่มเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์เจอร์เมเนียมหรือซิลิกอนผลลัพธ์ก็จะตรงกันข้ามกัน การเชื่อมโยงนี้แสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 บทนำของการเจือปน 3 วาเลนซ์ในเซมิคอนดักเตอร์

หากแหล่งที่มาปัจจุบันถูกแนบไปกับคริสตัลดังกล่าวแล้วการเคลื่อนไหวของหลุมจะใช้ตัวละครที่สั่ง ขั้นตอนการกำจัดจะแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6. เฟสการนำหลุม

หลุมที่อยู่ในอะตอมแรกทางด้านขวานี่เป็นเพียงอะตอม trivalent ของสิ่งสกปรกจับอิเล็กตรอนจากเพื่อนบ้านทางซ้ายซึ่งเป็นผลมาจากหลุมที่ยังคงอยู่ในนั้น ในทางกลับกันหลุมนี้เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่ถูกฉีกออกจากเพื่อนบ้าน (ในรูปเป็นอีกครั้งทางด้านซ้าย)

ด้วยวิธีนี้การเคลื่อนไหวของหลุมที่มีประจุบวกจากขั้วบวกไปยังขั้วลบของแบตเตอรี่ถูกสร้างขึ้น สิ่งนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าหลุมจะเข้ามาใกล้กับขั้วลบของแหล่งกำเนิดในปัจจุบันและเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนจากมัน ในเวลาเดียวกันอิเล็กตรอนจะปล่อยอะตอมจากแหล่งที่อยู่ใกล้กับเทอร์มินัลบวกหลุมใหม่จะได้รับและกระบวนการซ้ำอีกครั้ง

เพื่อไม่ให้สับสนเกี่ยวกับชนิดของสารกึ่งตัวนำที่ได้รับเมื่อนำสิ่งเจือปนออกมาก็พอที่จะจำได้ว่าคำว่า "ผู้บริจาค" มีตัวอักษร en (ลบ) - ได้รับสารกึ่งตัวนำชนิด n และในตัวรับคำมีตัวอักษร pe (บวก) - เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้า p

ยกตัวอย่างเช่นผลึกทั่วไปในเยอรมนีซึ่งอยู่ในรูปแบบธรรมชาตินั้นไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ความจริงก็คือผลึกเจอร์เมเนียมธรรมชาติธรรมดาประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กที่เติบโตขึ้นพร้อมกัน

ประการแรกวัสดุเริ่มต้นได้รับการชำระให้บริสุทธิ์จากสิ่งสกปรกหลังจากที่เจอร์เมเนียมถูกหลอมละลายและเมล็ดถูกลดขนาดลงสู่การหลอมผลึกขนาดเล็กที่มีตาข่ายเป็นประจำ เมล็ดหมุนช้าๆในการละลายและค่อยๆเพิ่มขึ้น การหลอมหุ้มเมล็ดและการหล่อเย็นทำให้แท่งผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่มีตาข่ายผลึกปกติ การปรากฏตัวของผลึกเดี่ยวที่ได้รับจะแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7

ในกระบวนการผลิตผลึกเดี่ยวมีการเติมสารเจือปนชนิด p หรือ n ลงในการหลอมทำให้ได้รับการนำไฟฟ้าที่ต้องการ คริสตัลนี้ถูกตัดเป็นแผ่นเล็ก ๆ ซึ่งในทรานซิสเตอร์กลายเป็นฐาน

ตัวสะสมและตัวปล่อยถูกสร้างขึ้นในวิธีที่ต่างกัน ที่ง่ายที่สุดคืออินเดียมชิ้นเล็ก ๆ วางอยู่บนแผ่นด้านตรงข้ามซึ่งเชื่อมติดกันทำให้อุณหภูมิจุดสัมผัสถึง 600 องศา หลังจากการระบายความร้อนของโครงสร้างทั้งหมดพื้นที่ที่มีความอิ่มตัวของอินเดียมได้รับการนำไฟฟ้าชนิด p คริสตัลที่ได้รับนั้นถูกติดตั้งในตัวเรือนและขั้วต่อซึ่งเป็นผลมาจากการที่ได้รับทรานซิสเตอร์ระนาบอัลลอย การออกแบบของทรานซิสเตอร์นี้จะแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 8

ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวผลิตขึ้นในอายุหกสิบเศษของศตวรรษที่ยี่สิบภายใต้ชื่อแบรนด์ MP39, MP40, MP42 และอื่น ๆ ตอนนี้มันเกือบจะเป็นนิทรรศการของพิพิธภัณฑ์ ทรานซิสเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายของโครงสร้างวงจร p-n-p

ในปี 1955 ทรานซิสเตอร์แพร่ได้รับการพัฒนา ตามเทคโนโลยีนี้เพื่อสร้างตัวสะสมและตัวปล่อยพื้นที่แผ่นเจอร์เมเนียมถูกวางไว้ในบรรยากาศก๊าซที่มีไอระเหยของสิ่งเจือปนที่ต้องการ ในบรรยากาศนี้แผ่นถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวและจัดขึ้นตามเวลาที่ต้องการ เป็นผลให้อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์แทรกซึมตาข่ายคริสตัลก่อตัวทางแยก pn กระบวนการดังกล่าวเรียกว่าวิธีการแพร่และทรานซิสเตอร์เองเรียกว่าการแพร่

คุณสมบัติความถี่ของทรานซิสเตอร์อัลลอยด์ต้องบอกว่าเป็นที่ต้องการมาก: ความถี่คัตอฟไม่เกินเมกะเฮิรตซ์เพียงไม่กี่สิบซึ่งช่วยให้คุณใช้มันเป็นกุญแจที่ความถี่ต่ำและปานกลาง ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวเรียกว่าความถี่ต่ำและจะขยายเฉพาะช่วงความถี่เสียงอย่างมั่นใจ แม้ว่าซิลิคอนอัลลอยด์ทรานซิสเตอร์จะถูกแทนที่ด้วยซิลิคอนทรานซิสเตอร์เป็นเวลานาน แต่เจอร์เมเนียมทรานซิสเตอร์ยังคงถูกผลิตขึ้นมาสำหรับการใช้งานพิเศษที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าต่ำเพื่อให้อคติของตัวส่งในทิศทางไปข้างหน้า

ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนผลิตตามเทคโนโลยีภาพถ่าย ซึ่งหมายความว่าช่วงการเปลี่ยนภาพทั้งหมดไปที่พื้นผิวเดียว พวกเขาเกือบจะแทนที่เจอร์เมเนียมทรานซิสเตอร์ทั้งหมดจากวงจรองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องและใช้เป็นส่วนประกอบของวงจรรวมที่เจอร์เมเนียมไม่เคยใช้ ปัจจุบันทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมหายากมาก

อ่านต่อไปในบทความถัดไป

Boris Aladyshkin