Чистые полупроводники имеют равное количество свободных электронов и дырок. Как упоминалось ранее в этой статье, этот тип полупроводников не используется при производстве полупроводниковых приборов.
для производства транзисторов (в данном случае они относятся также к диодам, микросхемам и фактически ко всем полупроводниковым приборам) используются полупроводники n- и p-типа: с электронной проводимостью и дырочной проводимостью. В полупроводниках n-типа основными носителями являются электроны, а в полупроводниках p-типа — дырки.
Полупроводники с желаемым типом проводимости получают путем легирования (добавления примесей) чистых полупроводников. Количества этих примесей невелики, но свойства полупроводника изменяются до неузнаваемости.
присадка
транзистор не был бы транзистором без использования в процессе производства трехвалентных и пятивалентных элементов в качестве легирующих примесей. Без этих элементов было бы невозможно создать полупроводники различной проводимости, pn (произносится как pe-en) переходы и целые транзисторы.
С одной стороны, в качестве трехвалентных примесей используются индий, галлий и алюминий. Их внешняя оболочка содержит всего 3 электрона. Эти примеси крадут электроны у атомов полупроводника, что приводит к образованию дыр в проводимости полупроводника. Эти элементы называются акцепторами – «акцепторами».
с другой стороны, это пятивалентные элементы сурьма и мышьяк. На внешних орбитах у них 5 электронов. Входя в упорядоченные ряды решетки, они не могут найти место для пятого электрона, который остается свободным и проводимость полупроводника становится электронной, или n-типа. Эти примеси называются донорами — «дай».
На рисунке 1 представлена таблица химических элементов, используемых для производства транзисторов.
Рис. 1. Влияние примесей на свойства полупроводников
Даже химически чистые полупроводниковые кристаллы, например германий, содержат примеси. Их очень мало — один атом примеси на каждый миллиард атомов самого германия. В одном кубическом сантиметре содержится около 500 миллиардов посторонних предметов, которые называются атомами примесей. Не кажется ли это много?
Здесь нужно помнить, что при силе тока 1 А через проводник проходит заряд в 1 кулон или 6*10^18 (6 миллиардов) электронов в секунду. Другими словами, атомов примеси «не много», и проводимость, которую они сообщают полупроводнику, очень мала. В результате получается либо плохой проводник, либо не очень хороший изолятор. Вообще говоря, полупроводники.
как получают полупроводник с проводимостью n
Посмотрим, что произойдет, если в кристалл германия ввести атомы пятивалентной сурьмы или мышьяка. Это очень наглядно показано на рисунке 2.
Рис. 2. Введение 5-валентных примесей в полупроводники.
Небольшой комментарий к рисунку 2, который следовало бы сделать раньше. Каждая прямая линия между соседними атомами полупроводника на схеме должна быть двойной, что указывает на участие в связи двух электронов. Этот тип связи называется ковалентной связью, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Ковалентная связь в кристаллах кремния.
Для германия картина точно такая же.
Атом пятивалентной примеси внедряется в кристаллическую решетку потому, что ему некуда деваться. Он использует четыре из пяти своих валентных электронов для образования ковалентных связей с соседними атомами и внедряется в кристаллическую решетку. Но пятый электрон останется свободным. Самое интересное, что в этом случае сами атомы примеси становятся положительными ионами.
примесь в этом случае называется донором; она обеспечивает полупроводник дополнительными электронами, которые станут доминирующими носителями заряда в полупроводнике. Полупроводник, получивший дополнительные электроны от донора, сам будет электропроводящим или отрицательным полупроводником n-типа.
Количество примесей, вносимых в полупроводники, очень невелико: всего один атом на каждые десять миллионов атомов германия или кремния. Но это более чем в сто раз превышает содержание примесей, присущих самым чистым кристаллам, о чем написано выше.
Читайте также статью: Как узнать, сколько ядер в процессоре
если теперь к полученному полупроводнику n-типа подключить гальванический элемент, как показано на рисунке 4, то электроны (круги со знаком минус внутри) устремятся к своему положительному выводу под действием электрического поля батареи. Отрицательный вывод источника тока обеспечит кристаллу такое же количество электронов. Следовательно, через полупроводник будет течь ток.
шестиугольники со знаком плюс внутри — это не что иное, как атомы примеси, отдающие электроны. Теперь это положительные ионы. Приведенные выше результаты таковы: Введение донорных примесей в полупроводники обеспечивает инжекцию свободных электронов. В результате получается полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n-типа.
Если добавить к полупроводнику, германию или кремнию атомы вещества с тремя электронами на внешней орбите, например индия, то результаты, прямо скажем, будут обратными. Это объединение показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Введение трехвалентных примесей в полупроводники.
Если теперь подключить к такому кристаллу источник тока, движение дырок примет упорядоченный характер. Этап движения показан на рисунке 6.
Рис. 6. Стадии дырочной проводимости
Дырка, расположенная в первом атоме справа (т.е трехвалентном атоме примеси), захватывает электрон у соседа слева, в результате чего в нем остается дырка. Эта дырка, в свою очередь, заполняется электронами, отделившимися от соседа (на схеме она снова слева).
Видео: Как работает транзистор Часть третья
Это приводит к перемещению положительно заряженных дырок от положительной клеммы батареи к отрицательной клемме. Это продолжается до тех пор, пока дырка не приблизится к отрицательному электроду источника тока и не заполнится электронами от источника тока. При этом электроны из источника, ближайшего к положительному выводу, покидают свои атомы, образуя новые дырки, и процесс повторяется снова.
чтобы не путаться в типе полупроводника, получаемого при введении примесей, достаточно помнить, что в слове «донор» есть буквы en (отрицательный) – получение полупроводника n-типа. В слове рецептор есть буквы ре (положительный электрод) — полупроводник с проводимостью р.
Обычные кристаллы, например германия, не пригодны для использования в производстве полупроводниковых приборов в том виде, в котором они встречаются в природе. Фактически, обычные природные кристаллы германия состоят из небольших кристаллов, слитых вместе.
Сначала исходный материал очищают от примесей, затем плавят германий и в полученный расплав помещают затравочный кристалл — небольшой кристалл с регулярной решеткой. Семена медленно вращаются в расплаве и постепенно поднимаются вверх. Расплав окружает затравочный кристалл и при охлаждении образует крупный монокристаллический стержень с регулярной кристаллической решеткой. Внешний вид полученного монокристалла показан на рисунке 7.
в процессе производства монокристаллов в расплав добавляются легирующие примеси p- или n-типа для получения желаемой проводимости кристалла. Этот кристалл разрезается на небольшие пластины, которые становятся основой транзистора.
коллектор и эмиттер изготавливаются по-разному. Самый простой способ — разместить небольшие кусочки индия на противоположных сторонах платы и припаять их, нагревая контакты до 600 градусов. После остывания всей структуры насыщенные индием области приобретают проводимость p-типа. Полученный кристалл монтируется в корпус и соединяются проводами, образуя планарный транзистор из сплава. Конструкция этого транзистора показана на рисунке 8.
Этот тип транзисторов выпускался в 1960-е годы под торговыми марками МП39, МП40, МП42 и др. теперь это фактически музейный экспонат. Транзисторы структуры PNP имеют наибольшее применение.
в 1955 году был представлен диффузионный транзистор. Согласно этой методике для формирования коллекторной и эмиттерной областей германиевую пластину помещают в атмосферу, содержащую пары необходимых примесей. В этой атмосфере пластину нагревают до температуры чуть ниже температуры плавления и выдерживают необходимое время. В результате атомы примеси проникают в кристаллическую решетку, образуя pn-переход. Этот технический процесс называется диффузией, и сам транзистор тоже называется диффузией.
Надо сказать, что частотные характеристики сплавных транзисторов оставляют желать лучшего: частота среза не превышает нескольких десятков мегагерц, что позволяет использовать их в качестве переключателей низких и средних частот. Этот тип транзистора называется низкочастотным транзистором и усиливает только частоты звукового диапазона. Хотя транзисторы из германиевых сплавов уже давно заменены кремниевыми, германиевые транзисторы по-прежнему производятся для специальных применений, требующих низкого напряжения для прямого смещения эмиттера.
Кремниевые транзисторы производятся по планарной технологии. Это означает, что все переходы заканчиваются на одной поверхности. Они практически полностью заменили германиевые транзисторы в дискретных схемах и используются в качестве компонентов в интегральных схемах, где германий никогда не использовался. В настоящее время германиевые транзисторы трудно найти.
Продолжить чтение следующей статьи.
- Существует ли реактивное электричество?
- транзистор. Часть 2: Проводники, изоляторы и полупроводники
- Транзистор: назначение, конструкция и принципы работы
Надеюсь, эта статья была вам полезна. Смотрите также другие статьи в категории Электроэнергия в быту и работе » Помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш Telegram-канал: Бытовая техника
Здесь можно оставлять комментарии, задавать вопросы и общаться:
Обсудить электротехнические темы
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Видео: Биполярные транзисторы - Часть 3. Биполярный транзистор - Общие сведения
Видео: Транзисторы. Часть 1
Читайте также статью: Горизонтальные жалюзи: стильный и функциональный выбор для вашего интерьера
Комментарии
Отправить комментарий