categorieën: Aanbevolen artikelen » Beginnende elektriciens
Aantal keer bekeken: 36288
Reacties op het artikel: 3
Transistors. Deel 3. Waar zijn transistoren van gemaakt
Begin van het artikel: Transistor geschiedenis, Transistors: doel, apparaat en werkingsprincipes, Geleiders, isolatoren en halfgeleiders
Pure halfgeleiders hebben dezelfde hoeveelheid vrije elektronen en gaten. Dergelijke halfgeleiders worden niet gebruikt voor de vervaardiging van halfgeleiderinrichtingen, zoals gezegd in het vorige deel van het artikel.
Voor de productie van transistoren (in dit geval betekent dit ook diodes, microschakelingen en eigenlijk alle halfgeleiderapparaten) worden n- en p-soorten halfgeleiders gebruikt: met elektronische en gatgeleidbaarheid. In n-type halfgeleiders zijn elektronen de belangrijkste ladingsdragers en gaten in p-type halfgeleiders.
Halfgeleiders met het vereiste type geleidbaarheid worden verkregen door doping (toevoeging van onzuiverheden) aan zuivere halfgeleiders. De hoeveelheid van deze onzuiverheden is klein, maar de eigenschappen van de halfgeleider veranderen onherkenbaar.
doteermiddelen
Transistoren zouden geen transistoren zijn als ze geen drie en vijfwaardige elementen zouden gebruiken, die worden gebruikt als legerende onzuiverheden. Zonder deze elementen zou het gewoon onmogelijk zijn geweest om halfgeleiders met verschillende geleidbaarheid te creëren, om een pn (leest pe - en) junctie en transistor als geheel te creëren.
Enerzijds worden indium, gallium en aluminium als driewaardige onzuiverheden gebruikt. Hun buitenste schil bevat slechts 3 elektronen. Dergelijke onzuiverheden nemen elektronen weg van de atomen van de halfgeleider, met als resultaat dat de geleidbaarheid van de halfgeleider een gat wordt. Dergelijke elementen worden acceptors genoemd - 'taker'.
Aan de andere kant zijn dit antimoon en arseen, wat pentavalente elementen zijn. Ze hebben 5 elektronen in hun buitenste baan. Als ze de slanke rijen van het kristalrooster binnenkomen, kunnen ze geen plaats vinden voor het vijfde elektron, het blijft vrij en de geleidbaarheid van de halfgeleider wordt elektron of type n. Dergelijke onzuiverheden worden donoren genoemd - de "gever".
Figuur 1 toont een tabel met chemische elementen die worden gebruikt bij de productie van transistoren.
Figuur 1. Het effect van onzuiverheden op de eigenschappen van halfgeleiders
Zelfs in een chemisch zuiver kristal van een halfgeleider, bijvoorbeeld germanium, zijn onzuiverheden aanwezig. Hun aantal is klein - één onzuiverheidsatoom per één miljard atomen van Duitsland zelf. En in één kubieke centimeter krijg je ongeveer vijftigduizend miljard vreemde lichamen, die onzuiverheidsatomen worden genoemd. Zoals veel?
Dit is het moment om te onthouden dat bij een stroom van 1 A een lading van 1 Coulomb door de geleider passeert, of 6 * 10 ^ 18 (zes miljard miljard) elektronen per seconde. Met andere woorden, er zijn niet zoveel onzuiverheidsatomen en ze geven de halfgeleider zeer weinig geleidbaarheid. Het blijkt een slechte geleider te zijn, of geen erg goede isolator. Over het algemeen een halfgeleider.
Hoe is een halfgeleider met een geleidbaarheid n
Laten we eens kijken wat er gebeurt als een vijfwaardig atoom van antimoon of arseen wordt geïntroduceerd in een germaniumkristal. Dit wordt vrij duidelijk weergegeven in figuur 2.
Figuur 2. Introductie van een onzuiverheid met 5 valenties in een halfgeleider.
Een kort commentaar op figuur 2, dat eerder had moeten worden gedaan. Elke lijn tussen aangrenzende atomen van de halfgeleider in de figuur moet dubbel zijn, wat aangeeft dat twee elektronen bij de binding betrokken zijn. Een dergelijke binding wordt covalent genoemd en wordt getoond in figuur 3.
Figuur 3. Covalente binding in een siliciumkristal.
Voor Duitsland zou het patroon exact hetzelfde zijn.
Het vijfwaardige onzuiverheidsatoom wordt in het kristalrooster ingebracht, omdat het eenvoudigweg nergens heen kan.Hij gebruikt vier van zijn vijf valentie-elektronen om covalente bindingen met aangrenzende atomen te creëren en wordt in het kristalrooster geïntroduceerd. Maar het vijfde elektron blijft vrij. Het meest interessante is dat het atoom van de onzuiverheid in dit geval een positief ion wordt.
De onzuiverheid wordt in dit geval een donor genoemd; het geeft de halfgeleider extra elektronen, die de belangrijkste ladingsdragers in de halfgeleider zullen zijn. De halfgeleider zelf, die extra elektronen van de donor heeft ontvangen, zal een halfgeleider zijn met elektronische geleidbaarheid of van het type n - negatief.
Onzuiverheden worden in kleine hoeveelheden in halfgeleiders geïntroduceerd, slechts één atoom per tien miljoen atomen germanium of silicium. Maar dit is honderd keer meer dan de inhoud van intrinsieke onzuiverheden in het zuiverste kristal, zoals hierboven is geschreven.
Als we nu een galvanische cel hechten aan de resulterende type n halfgeleider, zoals weergegeven in figuur 4, dan zullen de elektronen (cirkels met een min binnen) onder invloed van het elektrische veld van de batterij naar zijn positieve output snellen. De negatieve pool van de stroombron geeft evenveel elektronen aan het kristal. Daarom zal een elektrische stroom door de halfgeleider vloeien.
Figuur 4
Zeshoeken, met een plusteken erin, zijn niets anders dan onzuiverheidsatomen die elektronen doneren. Nu zijn dit positieve ionen. Het resultaat van het voorgaande is als volgt: de introductie van een onzuiverheidsdonor in de halfgeleider zorgt voor de injectie van vrije elektronen. Het resultaat is een halfgeleider met elektronische geleidbaarheid of type n.
Als atomen van een stof met drie elektronen in een externe baan, zoals indium, worden toegevoegd aan een halfgeleider, germanium of silicium, dan is het resultaat eerlijk gezegd het tegenovergestelde. Deze associatie wordt getoond in figuur 5.
Figuur 5. Introductie van een onzuiverheid met 3 valenties in een halfgeleider.
Als een huidige bron nu aan een dergelijk kristal is bevestigd, krijgt de beweging van gaten een geordend karakter. Verplaatsingsfasen worden getoond in figuur 6.
Figuur 6. Geleidingsfasen van gaten
Het gat in het eerste atoom aan de rechterkant, dit is slechts het driewaardige onzuiverheidsatoom, vangt het elektron van de buur aan de linkerkant, waardoor het gat erin blijft. Dit gat is op zijn beurt gevuld met een elektron dat uit zijn buur is gescheurd (in de figuur is het weer links).
Op deze manier wordt de beweging van positief geladen gaten van de positieve naar de negatieve pool van de batterij gecreëerd. Dit gaat door totdat het gat dicht bij de negatieve pool van de huidige bron komt en wordt gevuld met een elektron ervan. Tegelijkertijd verlaat het elektron zijn atoom van de bron die zich het dichtst bij de positieve terminal bevindt, wordt een nieuw gat verkregen en wordt het proces opnieuw herhaald.
Om niet in de war te raken over welk type halfgeleider wordt verkregen wanneer een onzuiverheid wordt geïntroduceerd, volstaat het om te onthouden dat het woord "donor" de letter en (negatief) heeft - een halfgeleider van type n wordt verkregen. En in het woord acceptor is er de letter pe (positief) - een halfgeleider met geleidbaarheid p.
Conventionele kristallen, bijvoorbeeld Duitsland, in de vorm waarin ze in de natuur voorkomen, zijn niet geschikt voor de productie van halfgeleiderinrichtingen. Het feit is dat een gewoon natuurlijk germaniumkristal bestaat uit kleine samen gekweekte kristallen.
Eerst werd het uitgangsmateriaal gezuiverd van onzuiverheden, waarna germanium werd gesmolten en een zaadje in de smelt werd neergelaten, een klein kristal met een regelmatig rooster. Het zaad roteerde langzaam in de smelt en steeg geleidelijk op. De smelt omhulde het zaad en koeling vormde een grote staaf met één kristal met een regelmatig kristalrooster. Het uiterlijk van het verkregen enkele kristal wordt getoond in figuur 7.
Figuur 7
Bij het vervaardigen van een enkel kristal werd een doteringsmiddel van het p- of n-type aan de smelt toegevoegd, waardoor de gewenste geleidbaarheid van het kristal werd verkregen. Dit kristal werd in kleine platen gesneden, die in de transistor de basis werden.
De verzamelaar en emitter werden op verschillende manieren gemaakt. De eenvoudigste was dat kleine stukjes indium aan tegenovergestelde zijden van de plaat werden geplaatst, die werden gelast, waardoor het contactpunt werd verwarmd tot 600 graden. Na afkoeling van de gehele structuur verkregen de indium-verzadigde gebieden p-type geleidbaarheid. Het verkregen kristal werd in de behuizing geïnstalleerd en de leidingen werden verbonden, waardoor gelegeerde vlakke transistoren werden verkregen. Het ontwerp van deze transistor is weergegeven in figuur 8.
Figuur 8
Dergelijke transistors werden geproduceerd in de jaren zestig van de twintigste eeuw onder de merknaam MP39, MP40, MP42, enz. Nu is het bijna een museumexpositie. De meest gebruikte transistors van de p-n-p-circuitstructuur.
In 1955 werd een diffusietransistor ontwikkeld. Volgens deze technologie werd, om de collector- en emittergebieden te vormen, een germaniumplaat in een gasatmosfeer geplaatst die dampen met de gewenste onzuiverheid bevatte. In deze atmosfeer werd de plaat verwarmd tot een temperatuur juist onder het smeltpunt en gedurende de vereiste tijd bewaard. Als gevolg hiervan drongen onzuiverheidsatomen het kristalrooster binnen en vormden pn-overgangen. Een dergelijk proces staat bekend als de diffusiemethode en de transistoren zelf worden diffusie genoemd.
De frequentie-eigenschappen van legeringstransistoren laten echter te wensen over: de afsnijfrequentie is niet meer dan een paar tientallen megahertz, waardoor u ze kunt gebruiken als sleutel bij lage en gemiddelde frequenties. Dergelijke transistors worden laagfrequentie genoemd en zullen vol vertrouwen alleen de frequenties van het audiobereik versterken. Hoewel siliciumgraniumtransistoren al lang zijn vervangen door siliciumtransistoren, worden germaniumtransistoren nog steeds vervaardigd voor speciale toepassingen waarbij een lage spanning vereist is om de zender in voorwaartse richting voor te spannen.
Silicium transistoren worden geproduceerd volgens vlakke technologie. Dit betekent dat alle overgangen naar één oppervlak gaan. Ze vervingen bijna volledig germaniumtransistoren van afzonderlijke elementcircuits en worden gebruikt als componenten van geïntegreerde circuits waar nooit germanium is gebruikt. Momenteel is een germanium-transistor erg moeilijk te vinden.
Lees verder in het volgende artikel.
Boris Aladyshkin
Zie ook op electro-nl.tomathouse.com
: