kategória: Najlepšie články » Začiatočníci elektrikári
Počet zobrazení: 52646
Komentáre k článku: 4
Tranzistory. Časť 2. Vodiče, izolátory a polovodiče
Začiatok článku: História tranzistorov, Tranzistory: účel, zariadenie a princípy činnosti
V elektrotechnike sa používajú rôzne materiály. Elektrické vlastnosti látok sú určené počtom elektrónov na vonkajšej valenčnej obežnej dráhe. Čím menej elektrónov je na tejto obežnej dráhe, tým slabšie sú spojené s jadrom, tým ľahšie môžu cestovať.
Elektróny sa vplyvom vplyvu kolísania teploty odtrhnú od atómu a pohybujú sa v interatomickom priestore. Takéto elektróny sa nazývajú voľné a vo vodičoch vytvárajú elektrický prúd. Existuje veľký interatomický priestor, existuje priestor pre voľné elektróny na cestovanie vo vnútri hmoty?
Štruktúra tuhých látok a kvapalín sa javí súvislá a hustá, pripomínajúca štruktúru guľôčky nití. V skutočnosti sú však aj tuhé látky skôr ako rybárske alebo volejbalové siete. To sa samozrejme nedá zistiť na úrovni domácnosti, ale pomocou presných vedeckých štúdií sa zistilo, že vzdialenosti medzi elektrónmi a jadrom atómov sú oveľa väčšie ako ich vlastné rozmery.
Ak je veľkosť atómového jadra vo forme lopty, ktorá má veľkosť futbalového lopty, potom elektróny v tomto modeli budú mať veľkosť hrášku a každý taký hrášok sa nachádza od „jadra“ vo vzdialenosti niekoľko stoviek až tisícov metrov. A medzi jadrom a elektrónom je prázdnota - jednoducho nie je nič! Ak si predstavíme vzdialenosti medzi atómami hmoty v rovnakom meradle, rozmery sa ukážu ako fantastické - desiatky a stovky kilometrov!
Dobré vodiče elektriny sú kovy, Napríklad atómy zlata a striebra majú na vonkajšej obežnej dráhe iba jeden elektrón, a preto sú najlepšími vodičmi. Železo tiež vedie elektrinu, ale o niečo horšie.
Vedenie elektriny ešte horšie zliatiny s vysokým odporom, Sú to nichróm, mangán, konštantan, fechral a ďalšie. Takýto rad vysoko odolných zliatin je spôsobený skutočnosťou, že sú navrhnuté na riešenie rôznych problémov: vykurovacie telesá, tenzometre, referenčné odpory pre meracie prístroje a oveľa viac.
Na účely posúdenia schopnosti materiálu viesť elektrinu je potrebné uviesť, že pojem „Elektrická vodivosť“, Návratová hodnota je odpor, V mechanike tieto pojmy zodpovedajú špecifickej gravitácii.
izolátoryNa rozdiel od vodičov nemajú tendenciu stratiť elektróny. V nich je väzba elektrónu s jadrom veľmi silná a neexistujú takmer žiadne voľné elektróny. Presnejšie, ale len veľmi málo. Zároveň v niektorých izolátoroch je ich viac a kvalita ich izolácie je preto horšia. Stačí porovnať napríklad keramiku a papier. Preto možno izolátory podmienečne rozdeliť na dobré a zlé.
Výskyt voľných nábojov dokonca aj v izolátoroch je spôsobený tepelnými vibráciami elektrónov: vplyvom vysokých teplôt sa zhoršujú izolačné vlastnosti a niektoré elektróny sa stále dokážu od jadra odtrhnúť.
Podobne by bol odpor ideálneho vodiča nulový. Našťastie však taký dirigent neexistuje: predstavte si, ako by Ohmov zákon (I = U / R) vyzeral s nulou v menovateli !!! Rozlúčka s matematikou a elektrotechnikou.
A iba pri absolútnej nulovej teplote (-273,2 ° C) sa tepelné kolísanie úplne zastaví a najhorší izolátor sa stane dosť dobrým. Aby bolo možné numericky určiť, čo je „zlé“, použite pojem odpor. Toto je odpor kocky v ohme s dĺžkou okraja 1 cm, rozmer odporu sa získa v ohmoch / cm. Špecifická odolnosť niektorých látok je uvedená nižšie.Vodivosť je recipročnou hodnotou odporu, je mernou jednotkou spoločnosti Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.
Majú dobrú vodivosť alebo nízky odpor: striebro 1,5 * 10 ^ (- 6), čítajte ako (jeden a pol až desať na výkon mínus šesť), meď 1,78 * 10 ^ (- 6), hliník 2,8 * 10 ^ (- 6). Vodivosť zliatin s vysokým odporom je omnoho horšia: konštantná 0,5 x 10 ^ (- 4), nichróm 1,1 * 10 ^ (- 4). Tieto zliatiny sa môžu nazývať zlé vodiče. Po všetkých týchto komplexných číslach nahraďte Ohm / cm.
Polovodiče možno ďalej rozdeliť do samostatnej skupiny: germánium 60 Ohm / cm, kremík 5 000 Ohm / cm, selén 100 000 Ohm / cm. Odpor tejto skupiny je väčší ako odpor zlých vodičov, ale menší ako odpor zlých izolátorov, nehovoriac o dobrých. Pravdepodobne s rovnakým úspechom by sa polovodiče mohli nazývať poloizolátory.
Po takom krátkom oboznámení sa so štruktúrou a vlastnosťami atómu by sa malo uvažovať o tom, ako atómy vzájomne interagujú, ako atómy navzájom interagujú, ako sú z nich molekuly vyrobené, z ktorých sú zložené rôzne látky. Aby ste to dosiahli, budete si musieť pamätať elektróny na vonkajšej obežnej dráhe atómu. Koniec koncov, sú to oni, ktorí sa podieľajú na väzbe atómov na molekuly a určujú fyzikálne a chemické vlastnosti hmoty.
Ako sa tvoria atómy z atómov
Akýkoľvek atóm je v stabilnom stave, ak je na jeho vonkajšej obežnej dráhe 8 elektrónov. Nesnaží sa brať elektróny zo susedných atómov, ale nevzdá sa svojich vlastných. Na overenie toho stačí v periodickej tabuľke pozerať sa na inertné plyny: neón, argón, kryptón, xenón. Každý z nich má na vonkajšej obežnej dráhe 8 elektrónov, čo vysvetľuje neochotu týchto plynov vstúpiť do akýchkoľvek vzťahov (chemických reakcií) s inými atómami a vytvárať molekuly chemikálií.
Situácia je úplne iná pre atómy, ktoré na svojej vonkajšej obežnej dráhe nemajú 8 drahých elektrónov. Takéto atómy uprednostňujú spojenie s ostatnými, aby doplnili svoju vonkajšiu obežnú dráhu až o 8 elektrónov a našli pokojný stabilný stav.
Napríklad dobre známa molekula vody H2O. Skladá sa z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka, ako je to znázornené na obrázku. 1.
obrázok 1, Ako sa vytvára molekula vody.
V hornej časti obrázku sú osobitne uvedené dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka. Na vonkajšej obežnej dráhe kyslíka je 6 elektrónov a dva elektróny na dvoch atómoch vodíka sú blízko. Kyslík, až kým netrestá číslo 8, chýba na vonkajšej obežnej dráhe iba dva elektróny, ktoré získa pridaním dvoch atómov vodíka.
Každý atóm vodíka nemá na svojej vonkajšej obežnej dráhe 7 elektrónov na úplné šťastie. Prvý atóm vodíka prijíma na svojej vonkajšej obežnej dráhe 6 elektrónov z kyslíka a ďalší elektrón zo svojho dvojča - druhý atóm vodíka. Teraz je na vonkajšej obežnej dráhe spolu s elektrónom 8 elektrónov. Druhý atóm vodíka tiež dokončí svoju vonkajšiu obežnú dráhu k hodnotenému číslu 8. Tento proces je uvedený v dolnej časti obrázku. 1.
Na obrázku 2 Je ukázaný postup kombinácie atómov sodíka a chlóru. Výsledkom je chlorid sodný, ktorý sa predáva v obchodoch nazývaných soľ.
obrázok 2, Proces kombinovania sodíkových a chlórových atómov
Aj tu dostáva každý z účastníkov chýbajúci počet elektrónov od druhého: chlór viaže jeden sodíkový elektrón na svojich sedem elektrónov, zatiaľ čo atómy sodíka dáva svoje atómy. Oba atómy na vonkajšej obežnej dráhe majú 8 elektrónov, čím sa dosiahne úplná zhoda a prosperita.
Valencia atómov
Atómy so 6 alebo 7 elektrónmi na vonkajšej obežnej dráhe majú sklon k sebe pripevňovať 1 alebo 2 elektróny. Hovoria o takých atómoch, že sú jeden alebo dvojmocný. Ak je však na vonkajšej obežnej dráhe elektrónov 1, 2 alebo 3 atóm, potom takýto atóm má tendenciu ich rozdávať. V tomto prípade sa atóm považuje za jeden, dva alebo trojmocné.
Ak sú na vonkajšej obežnej dráhe atómu 4 elektróny, potom sa takýto atóm prednostne kombinuje s rovnakým elektrónom, ktorý má tiež 4 elektróny. Takto sa kombinujú atómy germánia a kremíka používané pri výrobe tranzistorov. V tomto prípade sa atómy nazývajú štvormocné. (Atómy germánia alebo kremíka sa môžu kombinovať s inými prvkami, napríklad s kyslíkom alebo vodíkom, ale tieto zlúčeniny nie sú v pláne nášho príbehu zaujímavé.)
Na obrázku 3 je zobrazený atóm germánia alebo kremíka, ktorý sa chce kombinovať s rovnakým atómom. Malé čierne kruhy sú vlastnými atómami elektrónov a svetelné kruhy označujú miesta, kde elektróny štyroch atómov - susedov - padajú.
obrázok 3, Atóm germánia (kremík).
Kryštalická štruktúra polovodičov
Atómy germánia a kremíka v periodickej tabuľke sú v tej istej skupine s uhlíkom (chemický vzorec diamantu C sú jednoducho veľké kryštály uhlíka získané za určitých podmienok), a preto, keď sa skombinujú, tvoria kryštalickú štruktúru podobnú diamantu. Tvorba takejto štruktúry je na obrázku samozrejme znázornená v zjednodušenej forme 4.
obrázok 4.
V strede kocky je atóm germánia a v rohoch sú umiestnené ďalšie 4 atómy. Atóm zobrazený v strede kocky je viazaný svojimi valenčnými elektrónmi k svojim najbližším susedom. Na druhej strane uhlové atómy dávajú svoje valenčné elektróny atómu nachádzajúcemu sa v strede kocky a jeho susedom - atómy neuvedené na obrázku. Vonkajšie obežné dráhy sú teda doplnené až ôsmimi elektrónmi. V kryštalickej mriežke samozrejme nie je kocka, je to len znázornené na obrázku, takže vzájomné objemové usporiadanie atómov je jasné.
Aby sa však čo najviac zjednodušil príbeh o polovodičoch, môže byť kryštalická mriežka znázornená ako plochý schematický nákres, napriek tomu, že interatomické väzby sú napriek tomu umiestnené v priestore. Takýto obvod je znázornený na obrázku. 5.
obrázok 5, Mriežka z germánia v plochej forme.
V takomto kryštáli sú všetky elektróny pevne spojené s atómami pomocou ich valenčných väzieb, preto tu zjavne neexistujú žiadne voľné elektróny. Ukazuje sa, že pred nami je na obrázku izolant, pretože v ňom nie sú žiadne voľné elektróny. V skutočnosti to však tak nie je.
Vnútorná vodivosť
Faktom je, že pod vplyvom teploty sa niektorým elektrónom stále podarí odtrhnúť sa od atómov a nejaký čas sa uvoľniť od väzby s jadrom. Preto v germánskom kryštáli existuje malé množstvo voľných elektrónov, vďaka ktorým je možné viesť elektrický prúd. Koľko voľných elektrónov existuje v germánskom kryštáli za normálnych podmienok?
Na 10 ^ 10 (desať miliárd) atómov nie sú viac ako dva takéto voľné elektróny, takže germánium je zlým vodičom alebo, ako je zvyčajné povedať, polovodič. Je potrebné poznamenať, že iba jeden gram germánia obsahuje 10 ^ 22 (desaťtisíc miliárd miliárd) atómov, čo vám umožňuje "získať" asi dvetisíc miliárd voľných elektrónov. Zdá sa, že dosť prechádza veľký elektrický prúd. Na vyriešenie tohto problému stačí pripomenúť, aký je súčasný prúd 1 A.
Prúd 1 A zodpovedá prechodu vodiča v jednej sekunde elektrickým nábojom 1 Coulomb alebo 6 * 10 ^ 18 (šesť miliárd miliárd) elektrónov za sekundu. V tejto súvislosti je nepravdepodobné, že by dva tisíce miliárd voľných elektrónov, a dokonca rozptýlených po obrovskom kryštáli, zabezpečili priechod vysokých prúdov. Aj keď v dôsledku tepelného pohybu v Nemecku existuje malá vodivosť. Toto je takzvaná vnútorná vodivosť.
Elektronická vodivosť a vodivosť dier
Keď teplota stúpa, do elektrónov sa prenáša ďalšia energia, ich tepelné vibrácie sa stávajú energetickými, v dôsledku čoho sa niektorým elektrónom podarí odtrhnúť sa od atómov.Tieto elektróny sa uvoľnia a pri absencii vonkajšieho elektrického poľa robia chaotické pohyby a pohybujú sa vo voľnom priestore.
Atómy, ktoré stratili elektróny, nemôžu vykonávať náhodné pohyby, ale iba mierne kmitajú vzhľadom na svoju normálnu polohu v kryštálovej mriežke. Takéto atómy, ktoré stratili elektróny, sa nazývajú pozitívne ióny. Môžeme predpokladať, že namiesto elektrónov odtrhnutých z ich atómov sa získajú voľné priestory, ktoré sa bežne nazývajú diery.
Všeobecne platí, že počet elektrónov a dier je rovnaký, takže diera môže zachytiť elektrón, ktorý je blízko. Výsledkom je, že atóm z pozitívneho iónu sa opäť stáva neutrálnym. Proces kombinovania elektrónov s dierami sa nazýva rekombinácia.
Pri rovnakej frekvencii sú elektróny oddelené od atómov, preto je priemerný počet elektrónov a dier pre určitý polovodič v priemere rovnaký, je konštantný a závisí od vonkajších podmienok, najmä od teploty.
Ak je na polovodičový kryštál privedené napätie, bude nariadený pohyb elektrónov, cez kryštál pretečie prúd vďaka jeho elektrónovej a vodivosti dier. Táto vodivosť sa nazýva vnútorná, už bola uvedená o niečo vyššia.
Polovodiče v čistej forme s elektronickou vodivosťou a vodivosťou dier sú však nevhodné na výrobu diód, tranzistorov a ďalších detailov, pretože základom týchto zariadení je križovatka p-n (čítaj „pe-en“).
Na dosiahnutie takého prechodu sú potrebné dva typy polovodičov, dva typy vodivosti (p - pozitívny - pozitívny, otvor) a (n - negatívny - negatívny, elektronický). Tieto typy polovodičov sa získavajú dotovaním, pridaním nečistôt do čistých kryštálov germánia alebo kremíka.
Aj keď množstvo nečistôt je veľmi malé, ich prítomnosť do značnej miery mení vlastnosti polovodiča, umožňuje získať polovodiče s rôznou vodivosťou. Toto bude prediskutované v ďalšej časti článku.
Boris Aladyshkin, electro-sk.tomathouse.com
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: