Transistores Parte 3. De que são feitos os transistores

Início do artigo: História do transistor, Transistores: finalidade, dispositivo e princípios de operação, Condutores, Isoladores e Semicondutores

Semicondutores puros têm a mesma quantidade de elétrons e orifícios livres. Tais semicondutores não são utilizados para a fabricação de dispositivos semicondutores, como foi dito na parte anterior do artigo.

Para a produção de transistores (neste caso, eles também significam diodos, microcircuitos e, na verdade, todos os dispositivos semicondutores), são utilizados os tipos n e p de semicondutores: com condutividade eletrônica e de furo. Nos semicondutores do tipo n, os elétrons são os principais portadores de carga e os orifícios nos semicondutores do tipo p.

Os semicondutores com o tipo de condutividade necessário são obtidos por dopagem (adição de impurezas) aos semicondutores puros. A quantidade dessas impurezas é pequena, mas as propriedades do semicondutor mudam além do reconhecimento.

Dopantes

Os transistores não seriam transistores se não usassem três elementos pentavalentes, que são usados ​​como impurezas de liga. Sem esses elementos, seria simplesmente impossível criar semicondutores de condutividade diferente, criar uma junção pn (lê pe - en) e transistor como um todo.

Por um lado, índio, gálio e alumínio são usados ​​como impurezas trivalentes. Sua camada externa contém apenas 3 elétrons. Tais impurezas retiram elétrons dos átomos do semicondutor, resultando na condutividade do semicondutor que se torna um buraco. Tais elementos são chamados aceitadores - "tomador".

Por outro lado, são antimônio e arsênico, que são elementos pentavalentes. Eles têm 5 elétrons em sua órbita externa. Entrando nas fileiras ordenadas da rede cristalina, eles não conseguem encontrar um lugar para o quinto elétron, ele permanece livre e a condutividade do semicondutor se torna elétron ou tipo n. Tais impurezas são chamadas de doadores - o "doador".

A Figura 1 mostra uma tabela de elementos químicos que são usados ​​na produção de transistores.

Figura 1. O efeito das impurezas nas propriedades dos semicondutores

Mesmo em um cristal quimicamente puro de um semicondutor, por exemplo, germânio, estão contidas impurezas. Seu número é pequeno - um átomo de impureza por bilhão de átomos da própria Alemanha. E em um centímetro cúbico, ocorrem cerca de cinquenta mil bilhões de corpos estranhos, chamados átomos de impureza. Gosta muito?

Aqui é o momento de lembrar que a uma corrente de 1 A, uma carga de 1 Coulomb, ou 6 * 10 ^ 18 (seis bilhões de bilhões de elétrons) por segundo, passa pelo condutor. Em outras palavras, não existem tantos átomos de impureza e eles dão ao semicondutor muito pouca condutividade. Acontece que é um mau condutor ou um isolante não muito bom. Em geral, um semicondutor.

Como é um semicondutor com condutividade n

Vamos ver o que acontece se um átomo pentavalente de antimônio ou arsênico é introduzido em um cristal de germânio. Isso é mostrado claramente na Figura 2.

Figura 2. Introdução de uma impureza de 5 valências em um semicondutor.

Um breve comentário sobre a Figura 2, que deveria ter sido feito anteriormente. Cada linha entre átomos adjacentes do semicondutor na figura deve ser dupla, mostrando que dois elétrons estão envolvidos na ligação. Essa ligação é chamada covalente e é mostrada na Figura 3.

Figura 3. Ligação covalente em um cristal de silício.

Para a Alemanha, o padrão seria exatamente o mesmo.

Um átomo de impureza pentavalente é introduzido na estrutura cristalina, porque simplesmente não tem para onde ir.Ele usa quatro de seus cinco elétrons de valência para criar ligações covalentes com átomos vizinhos e é introduzido na estrutura cristalina. Mas o quinto elétron permanecerá livre. O mais interessante é que o átomo da própria impureza, nesse caso, se torna um íon positivo.

A impureza, neste caso, é chamada de doador; fornece elétrons adicionais ao semicondutor, que serão os principais portadores de carga no semicondutor. O próprio semicondutor, que recebeu elétrons adicionais do doador, será um semicondutor com condutividade eletrônica ou do tipo n - negativo.

As impurezas são introduzidas nos semicondutores em pequenas quantidades, apenas um átomo por dez milhões de átomos de germânio ou silício. Mas isso é cem vezes mais do que o conteúdo de impurezas intrínsecas no cristal mais puro, como foi escrito logo acima.

Se agora anexarmos uma célula galvânica ao semicondutor do tipo n resultante, como mostra a Figura 4, os elétrons (círculos com menos dentro) sob a ação do campo elétrico da bateria se apressarão em sua saída positiva. O pólo negativo da fonte de corrente dará tantos elétrons ao cristal. Portanto, uma corrente elétrica fluirá através do semicondutor.

Figura 4

Os hexágonos, que possuem um sinal de mais, não passam de átomos de impureza que doam elétrons. Agora, esses são íons positivos. O resultado do exposto acima é o seguinte: a introdução de um doador de impurezas no semicondutor garante a injeção de elétrons livres. O resultado é um semicondutor com condutividade eletrônica ou tipo n.

Se átomos de uma substância com três elétrons em uma órbita externa, como o índio, forem adicionados a um semicondutor, germânio ou silício, o resultado será, francamente, o contrário. Essa associação é mostrada na Figura 5.

Figura 5. Introdução de uma impureza de 3 valências em um semicondutor.

Se uma fonte atual agora estiver anexada a um cristal, o movimento dos furos terá um caráter ordenado. As fases de deslocamento são mostradas na Figura 6.

Figura 6. Fases de condução do furo

O buraco localizado no primeiro átomo à direita, este é apenas o átomo trivalente da impureza, captura o elétron do vizinho à esquerda, como resultado do qual o buraco permanece nele. Este buraco, por sua vez, é preenchido com um elétron arrancado de seu vizinho (na figura, é novamente à esquerda).

Dessa maneira, é criado o movimento de orifícios com carga positiva do pólo positivo para o negativo da bateria. Isso continua até que o buraco se aproxime do pólo negativo da fonte de corrente e seja preenchido com um elétron. Ao mesmo tempo, o elétron deixa seu átomo da fonte mais próxima do terminal positivo, um novo orifício é obtido e o processo é repetido novamente.

Para não se confundir sobre que tipo de semicondutor é obtido quando uma impureza é introduzida, basta lembrar que a palavra “doador” tem a letra en (negativa) - é obtido um semicondutor do tipo n. E na palavra aceitador, há a letra pe (positiva) - um semicondutor com condutividade p.

Os cristais convencionais, por exemplo, a Alemanha, na forma em que existem na natureza, são inadequados para a produção de dispositivos semicondutores. O fato é que um cristal de germânio natural comum consiste em pequenos cristais crescidos juntos.

Primeiro, o material de partida foi purificado a partir de impurezas, após o que o germânio foi derretido e uma semente foi baixada no derretimento, um pequeno cristal com uma rede regular. A semente girou lentamente no derretimento e subiu gradualmente. O derretimento envolveu a semente e o resfriamento formou uma grande haste de cristal única com uma treliça de cristal regular. A aparência do cristal único obtido é mostrada na Figura 7.

Figura 7

No processo de fabricação de um único cristal, um dopante do tipo p ou n foi adicionado ao fundido, obtendo assim a condutividade desejada do cristal. Esse cristal foi cortado em pequenas placas, que no transistor se tornaram a base.

O coletor e o emissor foram feitos de maneiras diferentes. O mais simples era que pequenos pedaços de índio eram colocados em lados opostos da chapa, que eram soldados, aquecendo o ponto de contato a 600 graus. Após o resfriamento de toda a estrutura, as regiões saturadas com índio adquiriram condutividade do tipo p. O cristal obtido foi instalado no invólucro e os condutores foram conectados, como resultado dos quais foram obtidos transistores planos de liga. O design deste transistor é mostrado na Figura 8.

Figura 8

Esses transistores foram produzidos nos anos sessenta do século XX sob a marca MP39, MP40, MP42, etc. Agora é quase uma exibição de museu. Os transistores mais amplamente utilizados da estrutura do circuito p-n-p.

Em 1955, um transistor de difusão foi desenvolvido. De acordo com esta tecnologia, para formar as regiões coletor e emissor, uma placa de germânio foi colocada em uma atmosfera de gás contendo vapores da impureza desejada. Nesta atmosfera, a placa foi aquecida a uma temperatura logo abaixo do ponto de fusão e mantida pelo tempo necessário. Como resultado, átomos de impureza penetraram na estrutura cristalina, formando junções pn. Esse processo é conhecido como método de difusão, e os próprios transistores são chamados de difusão.

As propriedades de frequência dos transistores de liga, deve-se dizer, deixam muito a desejar: a frequência de corte não é mais do que várias dezenas de megahertz, o que permite usá-los como chave em frequências baixas e médias. Esses transistores são chamados de baixa frequência e amplificam com confiança apenas as frequências da faixa de áudio. Embora os transistores de silício-germânio tenham sido substituídos por transistores de silício, os transistores de germânio ainda estão sendo fabricados para aplicações especiais em que é necessária baixa tensão para influenciar o emissor na direção direta.

Os transistores de silício são produzidos de acordo com a tecnologia planar. Isso significa que todas as transições vão para uma superfície. Substituíram quase completamente os transistores de germânio dos circuitos de elementos discretos e são usados ​​como componentes de circuitos integrados nos quais o germânio nunca foi usado. Atualmente, um transistor de germânio é muito difícil de encontrar.

Leia no próximo artigo.

Boris Aladyshkin