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Transistores Parte 3. De qué están hechos los transistores
Comienzo del artículo: Historia del transistor, Transistores: finalidad, dispositivo y principios de funcionamiento., Conductores, aisladores y semiconductores
Los semiconductores puros tienen la misma cantidad de electrones y agujeros libres. Tales semiconductores no se utilizan para la fabricación de dispositivos semiconductores, como se dijo en la parte anterior del artículo.
Para la producción de transistores (en este caso, también significan diodos, microcircuitos y, de hecho, todos los dispositivos semiconductores), se utilizan los tipos n y p de semiconductores: con conductividad electrónica y de orificio. En los semiconductores de tipo n, los electrones son los principales portadores de carga y los agujeros en los semiconductores de tipo p.
Los semiconductores con el tipo de conductividad requerido se obtienen por dopaje (agregando impurezas) a semiconductores puros. La cantidad de estas impurezas es pequeña, pero las propiedades del semiconductor cambian más allá del reconocimiento.
Dopantes
Los transistores no serían transistores si no usaran tres elementos pentavalentes, que se usan como impurezas de aleación. Sin estos elementos, simplemente hubiera sido imposible crear semiconductores de diferente conductividad, crear una unión pn (lee pe - en) y un transistor como un todo.
Por un lado, el indio, el galio y el aluminio se usan como impurezas trivalentes. Su capa exterior contiene solo 3 electrones. Tales impurezas quitan electrones de los átomos del semiconductor, con el resultado de que la conductividad del semiconductor se convierte en un agujero. Dichos elementos se llaman aceptadores - "tomador".
Por otro lado, estos son antimonio y arsénico, que son elementos pentavalentes. Tienen 5 electrones en su órbita exterior. Al ingresar a las esbeltas filas de la red cristalina, no pueden encontrar un lugar para el quinto electrón, permanece libre y la conductividad del semiconductor se convierte en electrón o tipo n. Estas impurezas se llaman donantes, el "donante".
La figura 1 muestra una tabla de elementos químicos que se utilizan en la producción de transistores.
Figura 1. El efecto de las impurezas en las propiedades de los semiconductores.
Incluso en un cristal químicamente puro de un semiconductor, por ejemplo, germanio, están contenidas impurezas. Su número es pequeño: un átomo de impureza por cada mil millones de átomos de la propia Alemania. Y en un centímetro cúbico resulta unos cincuenta mil millones de cuerpos extraños, que se llaman átomos de impureza. ¿Te gusta mucho?
Este es el momento de recordar que a una corriente de 1 A, una carga de 1 Coulomb pasa a través del conductor, o 6 * 10 ^ 18 (seis mil millones de electrones) por segundo. En otras palabras, no hay tantos átomos de impureza y le dan al semiconductor muy poca conductividad. Resulta que es un mal conductor o no un muy buen aislante. En general, un semiconductor.
¿Cómo es un semiconductor con una conductividad n
Veamos qué sucede si un átomo pentavalente de antimonio o arsénico se introduce en un cristal de germanio. Esto se muestra con bastante claridad en la Figura 2.
Figura 2. Introducción de una impureza de 5 valencia en un semiconductor.
Un breve comentario sobre la Figura 2, que debería haberse hecho antes. Cada línea entre los átomos adyacentes del semiconductor en la figura debe ser doble, lo que muestra que dos electrones están involucrados en el enlace. Tal enlace se llama covalente y se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Enlace covalente en un cristal de silicio.
Para Alemania, el patrón sería exactamente el mismo.
Se introduce un átomo de impureza pentavalente en la red cristalina, porque simplemente no tiene a dónde ir.Utiliza cuatro de sus cinco electrones de valencia para crear enlaces covalentes con átomos vecinos, y se introduce en la red cristalina. Pero el quinto electrón seguirá siendo libre. Lo más interesante es que el átomo de la impureza misma en este caso se convierte en un ion positivo.
La impureza en este caso se llama donante; le da al semiconductor electrones adicionales, que serán los principales portadores de carga en el semiconductor. El semiconductor en sí, que recibió electrones adicionales del donante, será un semiconductor con conductividad electrónica o de tipo n negativo.
Las impurezas se introducen en semiconductores en pequeñas cantidades, solo un átomo por cada diez millones de átomos de germanio o silicio. Pero esto es cien veces más que el contenido de impurezas intrínsecas en el cristal más puro, como se escribió anteriormente.
Si ahora conectamos una celda galvánica al semiconductor resultante de tipo n, como se muestra en la Figura 4, entonces los electrones (círculos con un signo menos dentro) bajo la acción del campo eléctrico de la batería llegarán rápidamente a su conclusión positiva. El polo negativo de la fuente de corriente dará tantos electrones al cristal. Por lo tanto, una corriente eléctrica fluirá a través del semiconductor.
Figura 4
Los hexágonos, que tienen un signo más en el interior, no son más que átomos de impurezas que donan electrones. Ahora estos son iones positivos. El resultado de lo anterior es el siguiente: la introducción de un donante de impurezas en el semiconductor asegura la inyección de electrones libres. El resultado es un semiconductor con conductividad electrónica o tipo n.
Si los átomos de una sustancia con tres electrones en una órbita externa, como el indio, se agregan a un semiconductor, germanio o silicio, entonces el resultado será, con toda franqueza, lo contrario. Esta asociación se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Introducción de una impureza de 3 valencia en un semiconductor.
Si una fuente actual ahora está unida a dicho cristal, entonces el movimiento de los agujeros tomará un carácter ordenado. Las fases de desplazamiento se muestran en la Figura 6.
Figura 6. Fases de conducción del agujero
El agujero ubicado en el primer átomo a la derecha, este es solo el átomo de impureza trivalente, captura el electrón del vecino a la izquierda, como resultado de lo cual el agujero permanece en él. Este agujero, a su vez, se llena con un electrón arrancado de su vecino (en la figura está nuevamente a la izquierda).
De esta manera, se crea el movimiento de los agujeros cargados positivamente desde el polo positivo al negativo de la batería. Esto continúa hasta que el agujero se acerca al polo negativo de la fuente de corriente y se llena con un electrón. Al mismo tiempo, el electrón abandona su átomo desde la fuente más cercana al terminal positivo, se obtiene un nuevo agujero y el proceso se repite nuevamente.
Para no confundirse sobre qué tipo de semiconductor se obtiene cuando se introduce una impureza, es suficiente recordar que la palabra "donante" tiene la letra en (negativo): se obtiene un semiconductor de tipo n. Y en la palabra aceptor está la letra pe (positiva): un semiconductor con conductividad p.
Los cristales convencionales, por ejemplo, Alemania, en la forma en que existen en la naturaleza, no son adecuados para la producción de dispositivos semiconductores. El hecho es que un cristal de germanio natural ordinario consiste en pequeños cristales cultivados juntos.
Primero, el material de partida se purificó de impurezas, después de lo cual se fundió germanio y se bajó una semilla a la masa fundida, un pequeño cristal con una red regular. La semilla giró lentamente en la masa fundida y se levantó gradualmente. La masa fundida envolvió la semilla y el enfriamiento formó una gran barra de cristal individual con una red cristalina regular. La apariencia del cristal individual obtenido se muestra en la Figura 7.
Figura 7
En el proceso de fabricación de un solo cristal, se añadió un dopante de tipo p o n a la masa fundida, obteniendo así la conductividad deseada del cristal. Este cristal se cortó en pequeñas placas, que en el transistor se convirtieron en la base.
El colector y el emisor se hicieron de diferentes maneras. Lo más simple fue que se colocaron pequeñas piezas de indio en lados opuestos de la placa, que se soldaron, calentando el punto de contacto a 600 grados. Después de enfriar toda la estructura, las regiones saturadas de indio adquirieron conductividad de tipo p. El cristal obtenido se instaló en la carcasa y los cables se conectaron, como resultado de lo cual se obtuvieron los transistores planos aleados. El diseño de este transistor se muestra en la Figura 8.
Figura 8
Dichos transistores se produjeron en los años sesenta del siglo XX bajo la marca MP39, MP40, MP42, etc. Ahora es casi una exhibición de museo. Los transistores más utilizados de la estructura del circuito p-n-p.
En 1955, se desarrolló un transistor de difusión. Según esta tecnología, para formar las regiones de colector y emisor, se colocó una placa de germanio en una atmósfera de gas que contenía vapores de la impureza deseada. En esta atmósfera, la placa se calentó a una temperatura justo por debajo del punto de fusión y se mantuvo durante el tiempo requerido. Como resultado, los átomos de impurezas penetraron en la red cristalina, formando uniones pn. Tal proceso se conoce como el método de difusión, y los transistores mismos se llaman difusión.
Hay que decir que las propiedades de frecuencia de los transistores de aleación dejan mucho que desear: la frecuencia límite no es más que varias decenas de megahercios, lo que le permite usarlas como clave en frecuencias bajas y medias. Dichos transistores se llaman de baja frecuencia y amplificarán con confianza solo las frecuencias del rango de audio. Aunque los transistores de aleación de silicio han sido reemplazados durante mucho tiempo por transistores de silicio, los transistores de germanio todavía se están fabricando para aplicaciones especiales donde se requiere un bajo voltaje para polarizar el emisor en la dirección de avance.
Los transistores de silicio se producen según la tecnología plana. Esto significa que todas las transiciones van a una superficie. Reemplazaron casi por completo los transistores de germanio de los circuitos de elementos discretos y se utilizan como componentes de circuitos integrados donde nunca se ha utilizado germanio. Actualmente, un transistor de germanio es muy difícil de encontrar.
Sigue leyendo en el próximo artículo.
Boris Aladyshkin
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