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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
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