Начало статьи: История транзисторов , Транзисторы: назначение, устройство и принципы работы , Проводники, изоляторы и полупроводники

Чистые полупроводники имеют одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такие полупроводники для изготовления полупроводниковых приборов не используются, о чем было сказано в предыдущей части статьи .

Для производства транзисторов (под ними в данном случае подразумеваются также диоды, микросхемы и собственно все полупроводниковые приборы) применяются полупроводники n и p типов: с электронной и дырочной проводимостью. В полупроводниках типа n основными носителями зарядов являются электроны, а в полупроводниках типа p – дырки.

Полупроводники с требуемым типом проводимости получаются путем легирования (добавления примесей) к чистым полупроводникам. Количество этих примесей невелико, но свойства полупроводника меняются до неузнаваемости.

Легирующие примеси

Транзисторы не были бы транзисторами, если бы в их производстве не применялись трех и пятивалентные элементы, которые используются в качестве легирующих примесей. Без этих элементов просто невозможно было бы создание полупроводников различной проводимости, создание p-n (читается пэ — эн) перехода и транзистора в целом.

В качестве трехвалентных примесей с одной стороны используются индий, галлий, алюминий. Их внешняя оболочка содержит всего 3 электрона. Такие примеси отбирают электроны у атомов полупроводника, в результате чего проводимость полупроводника становится дырочной. Такие элементы называются акцепторами – «берущий».

С другой стороны это сурьма и мышьяк, — пятивалентные элементы. На внешней орбите у них по 5 электронов. Вступая в стройные ряды кристаллической решетки, они не могут найти места для пятого электрона, он остается свободным, а проводимость полупроводника становится электронной или типа n. Такие примеси называются донорами — «дающий».

На рисунке 1 показана таблица химических элементов, которые находят применение в производстве транзисторов.

Рисунок 1. Влияние примесей на свойства полупроводников

Даже в химически чистом кристалле полупроводника, например, германия, содержатся примеси. Количество их невелико — один атом примеси на один миллиард атомов собственно германия. А в одном кубическом сантиметре получается примерно пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных тел, которые называются примесными атомами. Вроде очень много?

Вот тут самое время вспомнить, что при токе в 1 A через проводник проходит заряд в 1 Кулон, или 6*10^18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. Другими словами примесных атомов «не так уж и много» и они придают полупроводнику совсем незначительную проводимость. Получается то ли плохой проводник, то ли не очень хороший изолятор. В общем, полупроводник.

Как получается полупроводник с проводимостью n

Давайте, посмотрим, что произойдет, если в кристалл германия ввести пятивалентный атом сурьмы или мышьяка. Достаточно наглядно это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Введение в полупроводник 5-ти валентной примеси.

Небольшой комментарий к рисунку 2, который следовало бы сделать раньше. Каждая прямая между соседними атомами полупроводника на рисунке должна быть двойной, показывая, что в связи участвуют два электрона. Такая связь называется ковалентной и показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Ковалентная связь в кристалле кремния.

Для германия рисунок был бы абсолютно такой же.

Пятивалентный примесный атом внедряется в кристаллическую решетку, поскольку деваться ему просто некуда. Четыре валентных электрона из своих пяти он использует для создания ковалентных связей с соседними атомами, происходит внедрение в кристаллическую решетку. А вот пятый электрон останется свободным. Самое интересное в том, что атом самой примеси в этом случае становится положительным ионом.

Примесь в этом случае называют донором, она дает полупроводнику дополнительные электроны, которые будут основными носителями заряда в полупроводнике. Сам полупроводник, получивший дополнительные электроны от донора, будет полупроводником с электронной проводимостью или типа n – negative.

Примеси вводятся в полупроводники в небольших количествах, всего один атом на десять миллионов атомов германия или кремния. Но это в сто с лишним раз больше, чем содержание собственных примесей в самом чистом кристалле, о чем было написано чуть выше.

Если теперь к получившемуся полупроводнику типа n присоединить гальванический элемент, как показано на рисунке 4, то электроны (кружки с минусом внутри) под действием электрического поля батарейки устремятся к ее положительному выводу. Отрицательный полюс источника тока отдаст в кристалл столько же электронов. Поэтому через полупроводник потечет электрический ток.

Рисунок 4.

Шестиугольники, у которых внутри знак плюс, есть не что иное, как атомы примеси, отдавшие электроны. Теперь это положительные ионы. Итог выше сказанного таков: введение в полупроводник примеси – донора обеспечивает впрыск свободных электронов. В результате получается полупроводник с электронной проводимостью или типа n.

Если в полупроводник, германий или кремний, добавить атомы вещества с тремя электронами на внешней орбите, например индия, то результат будет, прямо сказать, противоположный. Это объединение показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Введение в полупроводник 3-х валентной примеси.

Если теперь к такому кристаллу присоединить источник тока, то перемещение дырок примет упорядоченный характер. Фазы перемещения показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Фазы дырочной проводимости

Дырка, находящаяся в первом атоме справа, это как раз трехвалентный атом примеси, захватывает электрон у соседа слева, в результате чего в нем остается дырка. Эта дырка в свою очередь заполняется электроном, оторванным от соседа (на рисунке он опять слева).

Таким способом создается перемещение положительно заряженных дырок от положительного к отрицательному полюсу батареи. Так продолжается до тех пор, пока дырка не подойдет вплотную к отрицательному полюсу источника тока, и заполнится от него электроном. В то же время электрон из ближайшего к плюсовому выводу источника покидает свой атом, получается новая дырка и процесс повторяется сначала.

Чтобы не запутаться, какого типа получается полупроводник при введении примеси, достаточно запомнить, что в слове «донор» есть буква эн (negative) – получается полупроводник типа n. А в слове акцептор присутствует буква пэ (positive) – полупроводник с проводимостью p.

Обычные кристаллы, например, германия, в том виде, в котором они существуют в природе, для производства полупроводниковых приборов непригодны. Дело в том, что обычный природный кристалл германия состоит из сросшихся между собой маленьких кристаллов.

Сначала исходный материал очищался от примесей, после чего германий расплавляли и в полученный расплав опускали затравку, — маленький кристалл с правильной решеткой. Затравка медленно вращалась в расплаве и постепенно поднималась вверх. Расплав обволакивал затравку и остывая формировал монокристаллический стержень больших размеров с правильной кристаллической решеткой. Внешний вид полученного монокристалла показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

В процессе изготовления монокристалла в расплав добавляли легирующую примесь месь p или n типа, тем самым получая требуемую проводимость кристалла. Этот кристалл разрезали на маленькие пластинки, которые в транзисторе становились базой.

Коллектор и эмиттер изготавливали разными способами. Самый простой сводился к тому, что на противоположные стороны пластинки подкладывали маленькие кусочки индия, которые приваривали, разогревая место контакта до 600 градусов. После остывания всей конструкции, насыщенные индием участки, приобретали проводимость типа p. Полученный кристалл устанавливали в корпус и присоединяли выводы, в результате чего получались сплавные плоскостные транзисторы. Конструкция этого транзистора показана на рисунке 8.

Рисунок 8.

Такие транзисторы выпускались в шестидесятых годах двадцатого века под маркой МП39, МП40, МП42 и т.п. Сейчас это уже практически музейный экспонат. Наибольшее применение находили транзисторы структуры туры p-n-p.

В 1955 году был разработан диффузионный транзистор. По этой технологии для образования областей коллектора и эмиттера пластинку германия помещали в газовую атмосферу, содержащую пары нужной примеси. В этой атмосфере пластинку нагревали до температуры чуть ниже точки плавления и выдерживали необходимое время. В результате атомы примеси проникали в кристаллическую решетку, образовывая p-n переходы. Такой техпроцесс известен как метод диффузии, а сами транзисторы получили название диффузионных.

Частотные свойства сплавных транзисторов, надо сказать, оставляют желать лучшего: граничная частота не более нескольких десятков мегагерц, что позволяет использовать их в качестве ключа на низких и средних частотах. Такие транзисторы получили название низкочастотных, и уверенно будут усиливать лишь частоты звукового диапазона. Хотя на смену сплавным германиевым транзисторам давно уже пришли кремниевые, германиевые транзисторы производятся до сих пор для специальных применений, где требуется низкое напряжение для смещения эмиттера в прямом направлении.

Кремниевые транзисторы выпускаются по планарной технологии. Это значит, что все переходы выходят на одну поверхность. Они почти полностью вытеснили германиевые транзисторы из схем на дискретных элементах и применяются как компоненты интегральных схем, где германий никогда не использовался. В настоящее время германиевый транзистор найти очень нелегко.

Продолжение читайте в следующей статье.