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Transistor. Parte 3. Di cosa sono fatti i transistor
Inizio dell'articolo: Storia dei transistor, Transistor: scopo, dispositivo e principi di funzionamento, Conduttori, isolanti e semiconduttori
I semiconduttori puri hanno la stessa quantità di elettroni e buchi liberi. Tali semiconduttori non sono utilizzati per la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, come è stato detto nella parte precedente dell'articolo.
Per la produzione di transistor (in questo caso significano anche diodi, microcircuiti e in realtà tutti i dispositivi a semiconduttore), vengono utilizzati tipi di semiconduttori n e p: con conduttività elettronica e di foro. Nei semiconduttori di tipo n, gli elettroni sono i principali portatori di carica e i buchi nei semiconduttori di tipo p.
I semiconduttori con il tipo richiesto di conduttività sono ottenuti mediante drogaggio (aggiungendo impurità) ai semiconduttori puri. La quantità di queste impurità è piccola, ma le proprietà del semiconduttore cambiano oltre il riconoscimento.
droganti
I transistor non sarebbero transistor se non usassero tre e elementi pentavalenti, che sono usati come impurità leganti. Senza questi elementi, sarebbe semplicemente impossibile creare semiconduttori di diversa conduttività, creare una giunzione pn (legge pe - en) e un transistor nel suo insieme.
Da un lato, indio, gallio e alluminio sono usati come impurità trivalenti. Il loro guscio esterno contiene solo 3 elettroni. Tali impurità allontanano gli elettroni dagli atomi del semiconduttore, con il risultato che la conduttività del semiconduttore diventa foro. Tali elementi sono chiamati accettori - "acquirente".
D'altra parte, questi sono antimonio e arsenico, che sono elementi pentavalenti. Hanno 5 elettroni nella loro orbita esterna. Entrando nelle file ordinate del reticolo cristallino, non riescono a trovare un posto per il quinto elettrone, rimane libero e la conduttività del semiconduttore diventa elettrone o tipo n. Tali impurità sono chiamate donatori - il "donatore".
La Figura 1 mostra una tabella di elementi chimici che vengono utilizzati nella produzione di transistor.
Figura 1. L'effetto delle impurità sulle proprietà dei semiconduttori
Anche in un cristallo chimicamente puro di un semiconduttore, ad esempio germanio, sono contenute impurità. Il loro numero è piccolo: un atomo di impurità per un miliardo di atomi della Germania stessa. E in un centimetro cubo risulta circa cinquantamila miliardi di corpi estranei, che sono chiamati atomi di impurità. Piace molto?
Ecco il momento di ricordare che ad una corrente di 1 A, una carica di 1 Coulomb, o 6 * 10 ^ 18 (sei miliardi di miliardi) di elettroni al secondo, passa attraverso il conduttore. In altre parole, non ci sono così tanti atomi di impurità e danno al semiconduttore una conduttività molto ridotta. Si scopre un cattivo conduttore o un isolante non molto buono. In generale, un semiconduttore.
Come è un semiconduttore con una conduttività n
Vediamo cosa succede se un atomo pentavalente di antimonio o arsenico viene introdotto in un cristallo di germanio. Questo è mostrato abbastanza chiaramente nella Figura 2.
Figura 2. Introduzione di un'impurità a 5 valenze in un semiconduttore.
Un breve commento sulla figura 2, che avrebbe dovuto essere fatto in precedenza. Ogni linea tra gli atomi adiacenti del semiconduttore nella figura dovrebbe essere doppia, dimostrando che due legami sono coinvolti nel legame. Tale legame si chiama covalente ed è mostrato in Figura 3.
Figura 3. Legame covalente in un cristallo di silicio.
Per la Germania, il modello sarebbe esattamente lo stesso.
Un atomo di impurità pentavalente viene introdotto nel reticolo cristallino, perché semplicemente non ha nessun posto dove andare.Usa quattro dei suoi cinque elettroni di valenza per creare legami covalenti con atomi vicini e viene introdotto nel reticolo cristallino. Ma il quinto elettrone rimarrà libero. La cosa più interessante è che l'atomo dell'impurità stessa in questo caso diventa uno ione positivo.
L'impurità in questo caso si chiama donatore; fornisce al semiconduttore elettroni aggiuntivi, che saranno i principali portatori di carica nel semiconduttore. Il semiconduttore stesso, che ha ricevuto elettroni aggiuntivi dal donatore, sarà un semiconduttore con conducibilità elettronica o di tipo n - negativo.
Le impurità vengono introdotte nei semiconduttori in piccole quantità, solo un atomo per dieci milioni di atomi di germanio o silicio. Ma questo è cento volte dispari rispetto al contenuto di impurità intrinseche nel cristallo più puro, come è stato scritto sopra.
Se ora colleghiamo una cella galvanica al semiconduttore risultante di tipo n, come mostrato nella Figura 4, gli elettroni (cerchi con un segno meno all'interno) sotto l'azione del campo elettrico della batteria si affretteranno alla sua conclusione positiva. Il polo negativo della sorgente corrente fornirà altrettanti elettroni al cristallo. Pertanto, una corrente elettrica scorrerà attraverso il semiconduttore.
Figura 4
Gli esagoni, che contengono un segno più, non sono altro che atomi di impurità che donano elettroni. Ora questi sono ioni positivi. Il risultato di quanto sopra è il seguente: l'introduzione di un donatore di impurità nel semiconduttore garantisce l'iniezione di elettroni liberi. Il risultato è un semiconduttore con conducibilità elettronica o tipo n.
Se gli atomi di una sostanza con tre elettroni in un'orbita esterna, come l'indio, vengono aggiunti a un semiconduttore, germanio o silicio, il risultato sarà, francamente, il contrario. Questa associazione è mostrata in Figura 5.
Figura 5. Introduzione di un'impurità a 3 valenze in un semiconduttore.
Se una sorgente corrente è ora collegata a un tale cristallo, il movimento dei buchi prenderà un carattere ordinato. Le fasi di spostamento sono mostrate nella Figura 6.
Figura 6. Fasi di conduzione del foro
Il buco situato nel primo atomo a destra, questo è solo l'atomo di impurità trivalente, cattura l'elettrone dal vicino a sinistra, a seguito del quale il buco rimane in esso. Questo buco, a sua volta, è riempito con un elettrone strappato dal suo vicino (nella figura è di nuovo a sinistra).
In questo modo, viene creato il movimento dei fori caricati positivamente dal polo positivo a quello negativo della batteria. Questo continua fino a quando il foro si avvicina al polo negativo della sorgente corrente e viene riempito con un elettrone da esso. Allo stesso tempo, l'elettrone lascia il suo atomo dalla sorgente più vicina al terminale positivo, si ottiene un nuovo foro e il processo viene ripetuto di nuovo.
Per non confondersi su quale tipo di semiconduttore si ottiene quando viene introdotta un'impurità, è sufficiente ricordare che la parola "donatore" ha la lettera en (negativa) - si ottiene un semiconduttore di tipo n. E nella parola accettore c'è la lettera pe (positivo) - un semiconduttore con conduttività p.
I cristalli convenzionali, ad esempio la Germania, nella forma in cui esistono in natura, non sono adatti per la produzione di dispositivi a semiconduttore. Il fatto è che un normale cristallo di germanio naturale è costituito da piccoli cristalli cresciuti insieme.
Innanzitutto, il materiale di partenza è stato purificato dalle impurità, dopo di che il germanio è stato fuso e un seme è stato abbassato nella fusione, un piccolo cristallo con un reticolo regolare. Il seme ruotò lentamente nel fuso e si sollevò gradualmente. La fusione avvolse il seme e il raffreddamento formò una grande asta di cristallo singolo con un reticolo cristallino regolare. L'aspetto del singolo cristallo ottenuto è mostrato in Figura 7.
Figura 7
Nel processo di fabbricazione di un singolo cristallo, un fuso di tipo p o n è stato aggiunto al fuso, ottenendo così la conducibilità desiderata del cristallo. Questo cristallo fu tagliato in piccoli piatti, che nel transistor divenne la base.
Il collezionista e l'emettitore sono stati realizzati in diversi modi. Il più semplice era che piccoli pezzi di indio venivano posizionati sui lati opposti della piastra, che venivano saldati, riscaldando il punto di contatto a 600 gradi. Dopo il raffreddamento dell'intera struttura, le regioni sature di indio hanno acquisito conducibilità di tipo p. Il cristallo ottenuto è stato installato nell'alloggiamento e i conduttori sono stati collegati, a seguito del quale sono stati ottenuti transistor planari legati. Il design di questo transistor è mostrato nella Figura 8.
Figura 8
Tali transistor furono prodotti negli anni sessanta del XX secolo con il marchio MP39, MP40, MP42, ecc. Ora è quasi una mostra museale. I transistor più utilizzati della struttura del circuito p-n-p.
Nel 1955 fu sviluppato un transistor a diffusione. Secondo questa tecnologia, per formare le regioni di collettore ed emettitore, una piastra di germanio veniva posta in un'atmosfera gassosa contenente vapori dell'impurità desiderata. In questa atmosfera, la piastra è stata riscaldata a una temperatura appena sotto il punto di fusione e mantenuta per il tempo richiesto. Di conseguenza, gli atomi di impurità penetrarono nel reticolo cristallino, formando giunzioni pn. Tale processo è noto come metodo di diffusione e gli stessi transistor sono chiamati diffusione.
Le proprietà di frequenza dei transistor in lega, va detto, lasciano molto a desiderare: la frequenza di taglio non è superiore a diverse decine di megahertz, il che consente di utilizzarli come chiave a basse e medie frequenze. Tali transistor sono chiamati a bassa frequenza e amplificano con sicurezza solo le frequenze della gamma audio. Sebbene i transistor in lega di silicio siano stati a lungo sostituiti da transistor in silicio, i transistor al germanio vengono ancora prodotti per applicazioni speciali in cui è richiesta una bassa tensione per sollecitare l'emettitore in avanti.
I transistor al silicio sono prodotti secondo la tecnologia planare. Ciò significa che tutte le transizioni vanno su una superficie. Hanno quasi completamente sostituito i transistor al germanio da circuiti ad elementi discreti e sono usati come componenti di circuiti integrati in cui il germanio non è mai stato usato. Attualmente, un transistor al germanio è molto difficile da trovare.
Continua a leggere nel prossimo articolo.
Boris Aladyshkin
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