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Transistor. Parte 2. Conduttori, isolanti e semiconduttori
Inizio dell'articolo: Storia dei transistor, Transistor: scopo, dispositivo e principi di funzionamento
Nell'ingegneria elettrica vengono utilizzati vari materiali. Le proprietà elettriche delle sostanze sono determinate dal numero di elettroni nell'orbita di valenza esterna. Meno elettroni si trovano in questa orbita, più deboli sono associati al nucleo, più facilmente possono viaggiare.
Sotto l'influenza delle fluttuazioni di temperatura, gli elettroni si staccano dall'atomo e si muovono nello spazio interatomico. Tali elettroni sono chiamati liberi e creano una corrente elettrica nei conduttori. Esiste un ampio spazio interatomico, c'è spazio per gli elettroni liberi di viaggiare all'interno della materia?
La struttura di solidi e liquidi sembra continua e densa, che ricorda la struttura di un gomitolo di filo. Ma in effetti, anche i solidi sono più simili a una rete da pesca o da pallavolo. Naturalmente, questo non può essere individuato a livello familiare, ma è stato dimostrato da accurati studi scientifici che le distanze tra gli elettroni e il nucleo degli atomi sono molto più grandi delle loro stesse dimensioni.
Se la dimensione del nucleo atomico è rappresentata sotto forma di una palla delle dimensioni di un pallone da calcio, gli elettroni in questo modello avranno le dimensioni di un pisello e ciascuno di questi piselli si trova dal "nucleo" a una distanza di diverse centinaia e persino migliaia di metri. E tra il nucleo e l'elettrone c'è il vuoto - semplicemente non c'è niente! Se immaginiamo le distanze tra gli atomi della materia sulla stessa scala, le dimensioni risulteranno fantastiche - decine e centinaia di chilometri!
Buoni conduttori di elettricità sono metalli. Ad esempio, gli atomi di oro e argento hanno un solo elettrone nell'orbita esterna, quindi sono i migliori conduttori. Anche il ferro conduce elettricità, ma leggermente peggio.
Condurre l'elettricità anche peggio leghe ad alta resistenza. Questi sono nicromo, manganina, costantana, fechral e altri. Una tale varietà di leghe ad alta resistenza è dovuta al fatto che sono progettate per risolvere vari problemi: elementi riscaldanti, estensimetri, resistori di riferimento per strumenti di misura e molto altro.
Al fine di valutare la capacità di un materiale di condurre elettricità, il concetto di "Conduttività elettrica". Il valore di ritorno è resistività. In meccanica, questi concetti corrispondono al peso specifico.
isolatori, a differenza dei conduttori, non sono propensi a perdere elettroni. In essi, il legame dell'elettrone con il nucleo è molto forte e non ci sono quasi elettroni liberi. Più precisamente, ma molto pochi. Allo stesso tempo, in alcuni isolanti ce ne sono molti e la loro qualità di isolamento è, di conseguenza, peggiore. È sufficiente confrontare, ad esempio, ceramica e carta. Pertanto, gli isolanti possono essere suddivisi condizionatamente in buoni e cattivi.
La comparsa di cariche libere anche negli isolanti è dovuta alle vibrazioni termiche degli elettroni: sotto l'influenza dell'alta temperatura, le proprietà isolanti si deteriorano, alcuni elettroni riescono ancora a staccarsi dal nucleo.
Allo stesso modo, la resistività di un conduttore ideale sarebbe zero. Ma per fortuna non esiste un conduttore del genere: immagina come sarebbe la legge di Ohm ((I = U / R) con zero nel denominatore !!! Addio alla matematica e all'ingegneria elettrica.
E solo a una temperatura zero assoluta (-273,2 ° C) le fluttuazioni termiche si arrestano completamente e l'isolatore peggiore diventa abbastanza buono. Al fine di determinare numericamente "questo" è un male - buon uso del concetto di resistività. Questa è la resistenza in Ohm di un cubo con una lunghezza del bordo di 1 cm, la dimensione della resistività è ottenuta in ohm / cm. La resistenza specifica di alcune sostanze è mostrata di seguito.La conduttività è il reciproco della resistività, è l'unità di misura di Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.
Hanno una buona conducibilità o bassa resistività: argento 1,5 * 10 ^ (- 6), leggi come (da uno a mezzo e dieci alla potenza meno sei), rame 1,78 * 10 ^ (- 6), alluminio 2,8 * 10 ^ (- 6). La conduttività delle leghe ad alta resistenza è molto peggio: costantan 0,5 * 10 ^ (- 4), nichelcromo 1,1 * 10 ^ (- 4). Queste leghe possono essere chiamate cattivi conduttori. Dopo tutti questi numeri complessi, sostituire Ohm / cm.
Inoltre, i semiconduttori possono essere distinti come un gruppo separato: germanio 60 Ohm / cm, silicio 5000 Ohm / cm, selenio 100000 Ohm / cm. La resistività di questo gruppo è maggiore di quella dei cattivi conduttori, ma inferiore a quella dei cattivi isolanti, per non parlare di quelli buoni. Probabilmente, con lo stesso successo, i semiconduttori potrebbero essere chiamati semi-isolanti.
Dopo una così breve conoscenza della struttura e delle proprietà di un atomo, si dovrebbe considerare come gli atomi interagiscono tra loro, come gli atomi interagiscono tra loro, come sono fatte le molecole da cui sono composte le varie sostanze. Per fare ciò, dovrai di nuovo ricordare gli elettroni nell'orbita esterna dell'atomo. Dopo tutto, sono loro che partecipano al legame degli atomi con le molecole e determinano le proprietà fisiche e chimiche della materia.
Come sono fatti gli atomi dagli atomi
Qualsiasi atomo è in uno stato stabile se ci sono 8 elettroni nella sua orbita esterna. Non cerca di prendere elettroni dagli atomi vicini, ma non si arrende. Per verificarlo, è sufficiente nella tabella periodica esaminare i gas inerti: neon, argon, kripton, xeno. Ognuno di essi ha 8 elettroni nell'orbita esterna, il che spiega la riluttanza di questi gas a entrare in qualsiasi relazione (reazioni chimiche) con altri atomi, per costruire molecole di sostanze chimiche.
La situazione è abbastanza diversa per quegli atomi che non hanno 8 elettroni preziosi nella loro orbita esterna. Tali atomi preferiscono unirsi con gli altri per integrare la loro orbita esterna con un massimo di 8 elettroni e trovare uno stato calmo stabile.
Ad esempio, la nota molecola d'acqua H2O. È costituito da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, come mostrato nella figura. 1.
immagine 1. Come viene creata una molecola d'acqua.
Nella parte superiore della figura, due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno sono mostrati separatamente. Ci sono 6 elettroni nell'orbita esterna dell'ossigeno e due elettroni a due atomi di idrogeno si trovano nelle vicinanze. Ossigeno fino a quando il caro numero 8 manca solo due elettroni nell'orbita esterna, che riceverà aggiungendo due atomi di idrogeno a se stesso.
Ogni atomo di idrogeno manca di 7 elettroni nella sua orbita esterna per la felicità completa. Il primo atomo di idrogeno riceve nella sua orbita esterna 6 elettroni dall'ossigeno e un altro elettrone dal suo gemello - il secondo atomo di idrogeno. Ora ci sono 8 elettroni nella sua orbita esterna insieme al suo elettrone. Il secondo atomo di idrogeno completa anche la sua orbita esterna fino al caro numero 8. Questo processo è mostrato nella parte inferiore della figura. 1.
Nella foto 2 Viene mostrato il processo di combinazione di atomi di sodio e cloro. Il risultato è il cloruro di sodio, che viene venduto in negozi chiamati sale.
immagine 2. Il processo di combinazione di atomi di sodio e cloro
Anche qui, ciascuno dei partecipanti riceve il numero mancante di elettroni dall'altro: il cloro attacca un singolo elettrone di sodio ai suoi sette elettroni, mentre dà i suoi atomi all'atomo di sodio. Entrambi gli atomi nell'orbita esterna hanno 8 elettroni, dove si raggiungono pieno accordo e prosperità.
Valenza degli atomi
Gli atomi con 6 o 7 elettroni nella loro orbita esterna tendono ad attaccare 1 o 2 elettroni a se stessi. Dicono di tali atomi che sono uno o divalenti. Ma se nell'orbita esterna di un atomo 1, 2 o 3 elettroni, un tale atomo tende a darli via. In questo caso, l'atomo è considerato uno, due o trivalente.
Se ci sono 4 elettroni nell'orbita esterna di un atomo, allora un tale atomo preferisce combinarsi con lo stesso, che ha anche 4 elettroni. Ecco come si combinano gli atomi di germanio e silicio utilizzati nella produzione di transistor. In questo caso, gli atomi sono chiamati tetravalenti. (Gli atomi di germanio o silicio possono essere combinati con altri elementi, ad esempio ossigeno o idrogeno, ma questi composti non sono interessanti nel piano della nostra storia.)
Nella foto 3 viene mostrato un atomo di germanio o silicio che desidera combinarsi con lo stesso atomo. I piccoli cerchi neri sono gli elettroni propri dell'atomo, mentre i cerchi di luce indicano i punti in cui cadono gli elettroni dei quattro atomi - vicini.
immagine 3. Atomo di germanio (silicio).
La struttura cristallina dei semiconduttori
Gli atomi di germanio e silicio nella tavola periodica sono nello stesso gruppo con il carbonio (la formula chimica del diamante C è semplicemente cristalli di carbonio di grandi dimensioni ottenuti in determinate condizioni) e, quindi, quando combinati, formano una struttura cristallina a forma di diamante. La formazione di una tale struttura è mostrata, in una forma semplificata, ovviamente, nella figura 4.
immagine 4.
Al centro del cubo si trova un atomo di germanio e altri 4 atomi si trovano negli angoli. L'atomo rappresentato al centro del cubo è legato dai suoi elettroni di valenza ai suoi vicini più vicini. A loro volta, gli atomi angolari danno i loro elettroni di valenza all'atomo situato al centro del cubo e ai suoi vicini - atomi non mostrati nella figura. Pertanto, le orbite esterne sono integrate da un massimo di otto elettroni. Ovviamente, non vi è alcun cubo nel reticolo cristallino, è solo mostrato nella figura in modo che la disposizione reciproca e volumetrica degli atomi sia chiara.
Ma per semplificare il più possibile la storia dei semiconduttori, il reticolo cristallino può essere rappresentato sotto forma di un disegno schematico piatto, nonostante il fatto che i legami interatomici si trovino comunque nello spazio. Tale circuito è mostrato in figura. 5.
immagine 5. Il reticolo di cristallo di germanio in una forma piatta.
In un tale cristallo, tutti gli elettroni sono saldamente attaccati agli atomi dai loro legami di valenza, quindi, apparentemente, semplicemente non ci sono elettroni liberi qui. Si scopre che davanti a noi c'è un isolante nella figura, dal momento che non ci sono elettroni liberi in esso. Ma, in realtà, non è così.
Conducibilità intrinseca
Il fatto è che sotto l'influenza della temperatura, alcuni elettroni riescono ancora a staccarsi dai loro atomi e per qualche tempo si liberano dal legame con il nucleo. Pertanto, esiste una piccola quantità di elettroni liberi in un cristallo di germanio, grazie al quale è possibile condurre una corrente elettrica. Quanti elettroni liberi esistono in un cristallo di germanio in condizioni normali?
Non ci sono più di due di questi elettroni liberi per 10 ^ 10 (dieci miliardi) di atomi, quindi il germanio è un cattivo conduttore, o come è consuetudine dire un semiconduttore. Va notato che solo un grammo di germanio contiene 10 ^ 22 (diecimila miliardi di miliardi) di atomi, che consente di "ottenere" circa duemila miliardi di elettroni liberi. Sembra che abbastanza per passare una grande corrente elettrica. Per affrontare questo problema, è sufficiente ricordare che una corrente di 1 A.
Una corrente di 1 A corrisponde al passaggio attraverso un conduttore in un secondo di una carica elettrica di 1 Coulomb, ovvero 6 * 10 ^ 18 (sei miliardi di miliardi) di elettroni al secondo. In questo contesto, è improbabile che duemila miliardi di elettroni liberi, e persino dispersi su un enorme cristallo, assicurino il passaggio di correnti elevate. Sebbene, a causa del movimento termico, in Germania esista una piccola conduttività. Questa è la cosiddetta conducibilità intrinseca.
Conduttività elettronica e di foro
All'aumentare della temperatura, l'energia aggiuntiva viene trasferita agli elettroni, le loro vibrazioni termiche diventano più energiche, a seguito della quale alcuni elettroni riescono a staccarsi dai loro atomi.Questi elettroni diventano liberi e, in assenza di un campo elettrico esterno, fanno movimenti caotici e si muovono nello spazio libero.
Gli atomi che hanno perso elettroni non possono fare movimenti casuali, ma oscillano solo leggermente rispetto alla loro normale posizione nel reticolo cristallino. Tali atomi, che hanno perso elettroni, sono chiamati ioni positivi. Possiamo supporre che al posto degli elettroni strappati dai loro atomi, si ottengano spazi liberi, che sono comunemente chiamati buchi.
In generale, il numero di elettroni e buche è lo stesso, quindi un buco può catturare un elettrone che si trova nelle vicinanze. Di conseguenza, un atomo di uno ione positivo diventa di nuovo neutrale. Il processo di combinazione degli elettroni con i fori si chiama ricombinazione.
Alla stessa frequenza, gli elettroni sono separati dagli atomi, quindi, in media, il numero di elettroni e lacune per un particolare semiconduttore è uguale, è costante e dipendente da condizioni esterne, in particolare la temperatura.
Se viene applicata una tensione al cristallo a semiconduttore, verrà ordinato il movimento dell'elettrone, una corrente scorrerà attraverso il cristallo a causa della sua conduttività elettronica e del foro. Questa conduttività si chiama intrinseca, è già stata menzionata un po 'più in alto.
Ma i semiconduttori nella loro forma pura, con conduttività elettronica e di foro, non sono adatti per la produzione di diodi, transistor e altri dettagli, poiché la base di questi dispositivi è la giunzione p-n (leggi "pe-en").
Per ottenere tale transizione, sono necessari due tipi di semiconduttori, due tipi di conduttività (p - positivo - positivo, foro) e (n - negativo - negativo, elettronico). Questi tipi di semiconduttori sono ottenuti mediante drogaggio, aggiungendo impurità ai cristalli di germanio o silicio puri.
Sebbene la quantità di impurità sia molto piccola, la loro presenza modifica in larga misura le proprietà del semiconduttore, consente di ottenere semiconduttori di diversa conduttività. Questo sarà discusso nella prossima parte dell'articolo.
Boris Aladyshkin, electro-it.tomathouse.com
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