kategória: Najlepšie články » Začiatočníci elektrikári
Počet zobrazení: 36288
Komentáre k článku: 3
Tranzistory. Časť 3. Z čoho sú vyrobené tranzistory
Začiatok článku: História tranzistorov, Tranzistory: účel, zariadenie a princípy činnosti, Vodiče, izolátory a polovodiče
Čisté polovodiče majú rovnaké množstvo voľných elektrónov a dier. Ako už bolo povedané, takéto polovodiče sa nepoužívajú na výrobu polovodičových zariadení v predchádzajúcej časti článku.
Na výrobu tranzistorov (v tomto prípade tiež znamenajú diódy, mikroobvody a vlastne všetky polovodičové zariadenia) sa používajú polovodiče typu n a p: s elektronickou vodivosťou a vodivosťou otvorov. V polovodičoch typu n sú hlavnými nosičmi náboja elektróny a v polovodičoch typu p sú diery.
Polovodiče s požadovaným typom vodivosti sa získavajú dotovaním (pridaním nečistôt) do čistých polovodičov. Množstvo týchto nečistôt je malé, ale vlastnosti polovodiča sa menia nad rámec rozpoznania.
prímesami
Tranzistory by neboli tranzistory, ak by nepoužili tri a päťmocné prvky, ktoré sa používajú ako legujúce nečistoty. Bez týchto prvkov by bolo jednoducho nemožné vytvoriť polovodiče s rôznou vodivosťou, vytvoriť pn (číta pe - en) spojenie a tranzistor ako celok.
Na jednej strane sa ako trojmocné nečistoty používajú indium, gálium a hliník. Ich vonkajší obal obsahuje iba 3 elektróny. Takéto nečistoty odoberajú elektróny z atómov polovodiča, výsledkom čoho je vodivosť polovodiča. Takéto prvky sa nazývajú akceptori - „príjemca“.
Na druhej strane ide o antimón a arzén, ktoré sú pentavalentnými prvkami. Na svojej vonkajšej obežnej dráhe majú 5 elektrónov. Keď vstúpia do štíhlych radov kryštalickej mriežky, nemôžu nájsť miesto pre piaty elektrón, zostávajú voľné a vodivosť polovodiča sa stáva elektrónom alebo typom n. Takéto nečistoty sa nazývajú darcovia - „darca“.
Obrázok 1 zobrazuje tabuľku chemických prvkov, ktoré sa používajú pri výrobe tranzistorov.
Obrázok 1. Vplyv nečistôt na vlastnosti polovodičov
Dokonca aj v chemicky čistom kryštáli polovodiča, napríklad v germánium, sú obsiahnuté nečistoty. Ich počet je malý - jeden atóm nečistoty na jednu miliardu atómov samotného Nemecka. A na jednom kubickom centimetri sa ukáže asi päťdesiat tisíc miliárd cudzích telies, ktoré sa nazývajú atómy nečistoty. Ako veľa?
Tu je čas na zapamätanie, že pri prúde 1 A prechádza vodič 1 Coulomb alebo 6 * 10 ^ 18 (šesť miliárd miliárd) elektrónov za sekundu. Inými slovami, nie je toľko atómov nečistôt a dávajú polovodiču veľmi malú vodivosť. Ukázalo sa, že je to zlý vodič, alebo nie veľmi dobrý izolátor. Vo všeobecnosti polovodič.
Ako je polovodič s vodivosťou n
Pozrime sa, čo sa stane, ak sa do germánskeho kryštálu zavedie päťmocný atóm antimónu alebo arzénu. To je celkom jasne znázornené na obrázku 2.
Obrázok 2. Zavedenie 5-valenčnej nečistoty do polovodiča.
Krátky komentár k obrázku 2, ktorý sa mal urobiť skôr. Každá čiara medzi susednými atómami polovodiča na obrázku by mala byť dvojitá, čo ukazuje, že dva elektróny sú zapojené do väzby. Takáto väzba sa nazýva kovalentná a je znázornená na obr.
Obrázok 3. Kovalentná väzba v kremíkovom kryštáli.
V prípade Nemecka by to bolo presne také isté.
Do kryštálovej mriežky je zavedený päťmocný atóm nečistoty, pretože jednoducho nemá kam ísť.Používa štyri zo svojich piatich valenčných elektrónov na vytvorenie kovalentných väzieb so susednými atómami a je zavedený do kryštálovej mriežky. Piaty elektrón ale zostane voľný. Najzaujímavejšie je, že atóm samotnej nečistoty sa v tomto prípade stáva pozitívnym iónom.
Nečistota sa v tomto prípade nazýva donor a dáva polovodičom ďalšie elektróny, ktoré budú hlavnými nosičmi náboja v polovodiči. Samotný polovodič, ktorý prijal ďalšie elektróny od darcu, bude polovodič s elektronickou vodivosťou alebo typu n - negatívny.
Nečistoty sa zavádzajú do polovodičov v malom množstve, iba jeden atóm na desať miliónov atómov germánia alebo kremíka. Ale to je stokrát nepárne, ako obsah vnútorných nečistôt v najčistejšom kryštáli, ako bolo napísané vyššie.
Ak teraz pripojíme galvanický článok k výslednému polovodiču typu n, ako je to znázornené na obrázku 4, elektróny (kruhy s mínusom vnútri) pod vplyvom elektrického poľa batérie sa ponáhľajú na svoj kladný výstup. Záporný pól zdroja prúdu dá kryštálu toľko elektrónov. Preto bude polovodičom pretekať elektrický prúd.
Obrázok 4
Šesťuholníky, ktoré majú vo vnútri znamienko plus, nie sú nič iné ako atómy nečistôt, ktoré uvoľňujú elektróny. Teraz sú to kladné ióny. Výsledok vyššie uvedeného je nasledujúci: Zavedenie donora nečistôt do polovodiča zaisťuje vstrekovanie voľných elektrónov. Výsledkom je polovodič s elektrickou vodivosťou alebo typ n.
Ak sa atómy látky s tromi elektrónmi na vonkajšej obežnej dráhe, ako napríklad indium, pridajú do polovodiča, germánia alebo kremíka, výsledkom bude, celkom úprimne, opak. Toto spojenie je znázornené na obrázku 5.
Obrázok 5. Zavedenie 3-valenčnej nečistoty do polovodiča.
Ak je k takémuto kryštálu pripojený aktuálny zdroj, pohyb otvorov bude mať usporiadaný charakter. Fázy posunu sú znázornené na obrázku 6.
Obrázok 6. Fázy vodivosti dier
Diera umiestnená v prvom atóme vpravo, je to len trojmocný atóm nečistoty, zachytáva elektrón od suseda vľavo, v dôsledku čoho v ňom diera zostáva. Táto diera je zase vyplnená elektrónom odtrhnutým od jej suseda (na obrázku je opäť vľavo).
Týmto spôsobom sa vytvorí pohyb kladne nabitých otvorov z kladného pólu na záporný pól batérie. Toto pokračuje, kým sa diera nepribližuje k zápornému pólu zdroja prúdu a nie je z nej vyplnená elektrón. Súčasne elektrón opúšťa svoj atóm zo zdroja najbližšie k pozitívnemu terminálu, získa sa nová diera a proces sa opakuje znova.
Aby nedošlo k zámene s tým, aký typ polovodiča sa získa pri zavedení nečistoty, stačí si uvedomiť, že slovo „darca“ má písmeno en (záporné) - získa sa polovodič typu n. A v slove akceptor je písmeno pe (kladné) - polovodič s vodivosťou s.
Napríklad konvenčné kryštály, napríklad vo forme, v ktorej sa vyskytujú v prírode, nie sú vhodné na výrobu polovodičových zariadení. Faktom je, že obyčajný prírodný germánium kryštál pozostáva z malých kryštálov pestovaných spoločne.
Najprv sa východiskový materiál očistil od nečistôt, potom sa germánium roztopilo a semeno sa spustilo do taveniny, malý kryštál s pravidelnou mriežkou. Semeno sa pomaly otáčalo v tavenine a postupne vstávalo. Tavenina obalila semeno a ochladením sa vytvorila veľká tyč z monokryštálu s pravidelnou kryštálovou mriežkou. Vzhľad získaného monokryštálu je znázornený na obr.
Obrázok 7
V procese výroby monokryštálu sa do taveniny pridalo dopant typu p alebo n, čím sa získala požadovaná vodivosť kryštálu. Tento kryštál sa rozrezal na malé platne, ktoré sa v tranzistore stali základňou.
Zberateľ a žiarič boli vyrobené rôznymi spôsobmi. Najjednoduchšie bolo, že malé kúsky india boli umiestnené na protiľahlých stranách dosky, ktoré boli zvárané a kontaktný bod zahrial na 600 stupňov. Po ochladení celej štruktúry získali oblasti nasýtené indiom vodivosť typu p. Získaný kryštál bol nainštalovaný do krytu a vodiče boli spojené, čím sa získali legované plošné tranzistory. Konštrukcia tohto tranzistora je znázornená na obrázku 8.
Obrázok 8
Takéto tranzistory sa vyrábali v šesťdesiatych rokoch dvadsiateho storočia pod značkou MP39, MP40, MP42 atď. Teraz je to takmer expozícia múzea. Najpoužívanejšie tranzistory štruktúry p-n-p obvodu.
V roku 1955 bol vyvinutý difúzny tranzistor. Podľa tejto technológie bola germániová platnička umiestnená do atmosféry plynu obsahujúcej pary požadovanej nečistoty, aby sa vytvorili kolektorové a emitorové oblasti. V tejto atmosfére sa doska zahriala na teplotu tesne pod teplotou topenia a udržiavala sa po požadovanú dobu. Výsledkom bolo, že atómy nečistoty prenikli do kryštálovej mriežky a vytvorili pn križovatky. Takýto proces je známy ako difúzna metóda a samotné tranzistory sa nazývajú difúzia.
Je potrebné povedať, že frekvenčné vlastnosti zliatinových tranzistorov nie sú žiaduce: hraničná frekvencia nie je viac ako niekoľko desiatok megahertzov, čo ich umožňuje používať ako kľúč pri nízkych a stredných frekvenciách. Takéto tranzistory sa nazývajú nízkofrekvenčné a s istotou zosilnia iba frekvencie zvukového rozsahu. Hoci tranzistory z kremíkovej zliatiny boli dlho nahradené kremíkovými tranzistormi, germániové tranzistory sa stále vyrábajú pre špeciálne aplikácie, pri ktorých je potrebné nízke napätie na ovplyvnenie emitoru v smere dopredu.
Silikónové tranzistory sa vyrábajú planárnou technológiou. To znamená, že všetky prechody idú na jednu plochu. Takmer úplne nahradili germániové tranzistory z diskrétnych prvkov a používajú sa ako súčasti integrovaných obvodov, v ktorých sa germánium nikdy nepoužilo. V súčasnosti je veľmi ťažké nájsť germániový tranzistor.
Čítajte ďalej v ďalšom článku.
Boris Aladyshkin
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: