Hoe worden transistors van verschillende typen gemaakt?.. Hoe worden halfgeleiders gezuiverd en krijgen ze een monokristallijne structuur?.. Welke methoden maken het mogelijk om positieve en negatieve onzuiverheden in een halfgeleider te introduceren?.. Hoe worden conventionele transistors, mesatransistors en vlakke transistors geproduceerd? een fabriek?.. Welke zijn complex? Vormt de vorm van de basis in transistors voor HF-versterking een dilemma?.. Al deze kwesties worden hier door professor Radiol besproken.

Ik heb met interesse geluisterd naar uw gesprek over transistors en ben blij te kunnen vaststellen dat Lyuboznaykin u alle basisconcepten heeft uitgelegd met betrekking tot deze actieve componenten, die in een paar jaar met succes de vacuümbuizen in de meeste soorten elektronische apparatuur hebben vervangen.

Je begrijpt goed, Neznaykin, dat de zwakken wisselstromen, aangebracht tussen de basis en de emitter, bepalen de basisstroom, die op zijn beurt de collectorstroom veroorzaakt. We kunnen zeggen dat de versterking van de transistor wordt bepaald door de verhouding tussen de verandering in de collectorstroom en de verandering in de basisstroom die deze veroorzaakte.

Halfgeleiderreiniging

Ik denk dat je graag zou willen weten welke soorten transistors er bestaan ​​en hoe ze worden gemaakt. Daarom zal ik proberen u de belangrijkste kenmerken van transistors en hun productietechnologie te beschrijven.

Transistors zijn gemaakt van germanium of silicium, en aan het begin van de productiecyclus heb je een zeer zuivere halfgeleider nodig met een onberispelijke kristalstructuur.

Om onzuiverheden te verwijderen, wordt een verwarmingsmethode gebruikt die zone-smelten wordt genoemd. De halfgeleiderstaaf wordt in een kwartskroes geplaatst en verwarmd totdat een smalle zone van de staaf smelt. Deze gesmolten zone wordt vervolgens langzaam van het ene uiteinde van de halfgeleiderstaaf naar het andere verplaatst. Wat is hier aan de hand? Onzuiverheden hebben de neiging in het gesmolten deel achter te blijven. Door deze zone van het ene uiteinde van de staaf naar het andere te verplaatsen, verzamelen we onzuiverheden aan het ene uiteinde en reinigen we de rest van de staaf grondig. Hierna wordt het uiteinde van de staaf waarin de onzuiverheden zich hebben opgehoopt afgesneden, en in een goed gereinigd deel blijft er niet meer dan één atoom onzuiverheden achter per honderd miljoen atomen van de halfgeleider.

Hoogfrequente verwarming

Misschien wil je weten hoe het mogelijk is om een ​​halfgeleider te verwarmen met een smalle zone waarin de temperatuur bereikt wordt bij het zuiveren van germanium en bij het zuiveren van silicium? In dit geval wordt elektronica te hulp geroepen. De gesmolten zone wordt samen met de smeltkroes in een spoel geplaatst waar een sterke hoogfrequente stroom doorheen vloeit. Deze stroom induceert stromen in de halfgeleidermassa die deze sterk verhitten. De spoel wordt langzaam langs de smeltkroes bewogen, wat een overeenkomstige beweging van de gesmolten zone veroorzaakt (Fig. 132).

Verwarming door een magnetisch veld dat wordt geïnduceerd door hoogfrequente stromen en op zijn beurt stromen genereert in de halfgeleidermassa is fundamenteel anders dan verwarming door vlammen.

Verwarming door een vlam verhoogt de temperatuur van het lichaamsoppervlak en vanaf het oppervlak dringen calorieën, dankzij de thermische geleidbaarheid, diep in het lichaam door. Bij hoogfrequente verwarming bedekt de warmte onmiddellijk de gehele massa van het verwarmde lichaam.

Ik zal hieraan toevoegen dat deze methode ook kan worden gebruikt om diëlektrica te verwarmen, maar dan ontstaat er een elektrisch (in plaats van een magnetisch) veld in het verwarmde lichaam. Om dit te doen, wordt een verwarmd lichaam tussen de platen van een condensator geplaatst, waarop een HF-spanning wordt toegepast. Deze methode wordt gebruikt in de geneeskunde, waar het hoogfrequente diathermie wordt genoemd.

Rijst. 132. Zuivering van een halfgeleider met behulp van de zone-smeltmethode.

Rijst. 133. De opstelling van de drie elementen die de transistor vormen.

Het verkrijgen van een enkel kristal

Laten we echter terugkeren naar de halfgeleiders. Nu ze goed gereinigd zijn, moeten ze een onberispelijke kristallijne structuur krijgen. Feit is dat een halfgeleider meestal uit een groot aantal willekeurig gerangschikte kristallen bestaat. Een dergelijke verzameling kristallen moet worden omgezet in één enkel kristal met een uiterst uniforme kristalstructuur over de gehele massa.

Om dit te doen moet de gehele halfgeleider opnieuw worden gesmolten; deze operatie wordt ook uitgevoerd met behulp van RF-stromen die door de spoel stromen. Een klein kristal wordt in de smelt gebracht en dient als kiem voor een perfecte kristallisatie van de gehele massa en de vereiste hoeveelheid n- of p-onzuiverheden, afhankelijk van het type toekomstige transistors.

Na afkoelen wordt een enkel kristal verkregen dat enkele kilogrammen weegt. Vervolgens moet het in een groot aantal kleine stukjes worden gesneden, die vervolgens allemaal worden omgezet in een transistor. Met uitzondering van de blanco's voor transistors met een hoog vermogen, zijn deze stukken ongeveer 2 mm lang en breed en enkele tienden van een millimeter dik.

Fusie

Hier hebben we de lege plekken voor de basis. Hoe maak je er transistors van? Je kunt gemakkelijk raden dat om dit te laten gebeuren, je aan beide zijden van de basis onzuiverheden moet hebben van het type dat tegengesteld is aan wat de basis bevat.

Er zijn verschillende manieren om deze taak te volbrengen. Als de basis is gemaakt van type p germanium, kunnen aan beide zijden kleine tabletten indium worden geplaatst, wat een onzuiverheid van het n-type is. Laten we het allemaal opwarmen tot de temperatuur waarbij indium begint te smelten; Zoals ik al zei, wordt germaniummanium pas vloeibaar als het wordt verwarmd tot 940°C.

Indiumatomen zijn ingebed in germanium; deze penetratie wordt vergemakkelijkt door thermische beweging.

Zo wordt aan de ene kant van de basis een emitter gevormd en aan de andere kant een collector (Fig. 133). Deze laatste moet een groter volume hebben dan de emitter, omdat stromen er meer vermogen op dissiperen. Het spreekt voor zich dat aan elk van deze drie elektroden een geleidingsdraad moet worden gesoldeerd.

Diffusie en elektrolyse

De methode voor het vormen van de emitter en de collector die ik zojuist heb beschreven, wordt gebruikt bij de productie van legeringstransistors. Maar de emitter en collector kunnen ook via de diffusiemethode worden gemaakt. Om dit te doen, wordt de halfgeleider verwarmd tot een temperatuur dichtbij zijn smeltpunt en in een neutrale gasatmosfeer geplaatst die doteringsdampen bevat die bedoeld zijn om de emitter en de collector te vormen. Onzuiverheidsatomen dringen gemakkelijk door in de halfgeleider. Afhankelijk van de dosering van de onzuiverheidsdamp en de duur van de operatie kan de indringdiepte groter of kleiner zijn. Dit bepaalt de dikte van de basis.

De diffusiemethode is zeer geschikt voor productie krachtige transistoren, omdat het de introductie van onzuiverheden over grote gebieden mogelijk maakt - op deze manier is het mogelijk om een ​​emitter en collector van de vereiste afmetingen te vormen, voldoende voor de doorgang van relatief grote stromen.

De diffusiemethode is vergelijkbaar met de elektrolytische methode, waarbij de halfgeleider wordt blootgesteld aan vloeistofstromen die een onzuiverheid van het tegenovergestelde type bevatten.

Zoals je kunt zien, worden voor de productie van transistoren stoffen gebruikt in de vaste toestand - fusie, in de vloeibare toestand - elektrolyse en in de gasvormige toestand - diffusie.

Een transistor gemaakt door een van de beschreven methoden wordt in een afgesloten en ondoorzichtige behuizing geplaatst, zodat licht geen foto-elektrisch effect in de halfgeleider veroorzaakt. In de behuizing wordt een vacuüm gecreëerd of gevuld met een neutraal gas, zoals stikstof, om de oxidatie van germanium of silicium door zuurstof uit de lucht te voorkomen. Behuizingen voor hoogvermogentransistors zijn zo gemaakt dat ze warmte kunnen afvoeren en daardoor overmatige verwarming van de halfgeleiders kunnen voorkomen. Deze behuizing is een koellichaam en is groot van formaat.

Hoge frequenties zorgen voor problemen

Voor de hoogfrequente transistor gelden eisen ten aanzien van de dikte van de basis.

Als de dikte ervan erg klein is, wordt er een relatief hoge capaciteit gevormd tussen de emitter en de collector. Vervolgens gaan de RF-stromen, in plaats van door twee kruispunten te gaan, rechtstreeks van de emitter naar de collector, die een soort condensatorplaten zijn.

Moet de basisdikte worden vergroot om deze ongewenste capaciteit te verminderen? Jij, Neznaykin, gaat ongetwijfeld deze oplossing voorstellen. Laten we eens kijken hoe rationeel het is.

Door de afstand tussen de emitter en de collector te vergroten, dwing je de elektronen om meer tussen de twee overgangen te reizen. lange weg. In een halfgeleider is de bewegingssnelheid van elektronen en gaten echter vrij laag: ongeveer . Laten we aannemen dat de dikte van de basis OD mm is. Om deze meer dan korte afstand af te leggen, hebben elektronen 2,5 μs nodig.

Dit is gelijk aan de duur van een halve stroomcyclus met een frequentie die overeenkomt met een golf met lengte . Zoals je kunt zien, kunnen met een dergelijke basisdikte alleen stromen die overeenkomen met lange golven worden versterkt.

Daarom moet bij RF-transistoren de basisdikte aanzienlijk kleiner worden gemaakt. Met een basisdikte van 0,001 mm is het mogelijk golven tot maximaal te versterken, en om decimetergolven te ontvangen, waarop met name televisie-uitzendingen worden uitgevoerd, moet de basis nog dunner zijn.

Zoals je kunt zien, worden we hier geconfronteerd met twee tegenstrijdige vereisten: zodat de capaciteit van de emitter-collector niet te groot is, moeten we de dikte van de basis vergroten, en om elektronen snel genoeg door de basis te laten passeren, moet het moet zo dun mogelijk gemaakt worden.

Oplossingen voor het probleem

Hoe kom je uit dit dilemma? Het is heel eenvoudig om de capaciteit te verkleinen, niet door de afstand tussen de twee platen, die hier worden bespeeld door de emitter en de collector, te verkleinen, maar door hun oppervlakken op de kruispunten zo groot mogelijk te verkleinen.

Rijst. 134. Elektrolytische verwerking met behulp van vloeistofstromen.

Rijst. 135. Een transistor waarin zich tussen de basis en de collector een halfgeleiderzone bevindt met zijn eigen geleidbaarheid, die de versterking bij hoge frequenties verbetert.

Voor dit doel worden onzuiverheden op een zodanige manier geïntroduceerd dat de emitter en de collector de vorm hebben van kegels, waarvan de toppen naar de basis zijn gekeerd. Dit resultaat wordt met name bereikt door beide zijden van de halfgeleiderwafel te behandelen met vloeistofstromen, die onder invloed van spanning elektrolyse veroorzaken en daardoor geleidelijk atomen eruit trekken, waardoor echte kraters in de halfgeleider ontstaan. Wanneer de bodems van deze uitsparingen dicht genoeg bij elkaar zijn, verandert de richting van de spanning en wordt er een voldoende hoeveelheid onzuiverheden aan de vloeistof toegevoegd, die met behulp van elektrolyse in de uitsparingen worden geïntroduceerd die de emitter en de collector vormen (Fig. 134). ).

Er is een categorie RF-transistors waarbij de basislaag die naar de emitter is gericht een grotere hoeveelheid onzuiverheden bevat, waardoor de snelheid van de elektronen toeneemt en het daardoor mogelijk wordt om meer te versterken. hoge frequenties. Dergelijke transistors worden drifttransistors genoemd; ze stellen je in staat decimetergolven te versterken.

U kunt nog verder in deze richting gaan door tussen de basis en de collector een zogenaamde zone met eigen geleidbaarheid te plaatsen (Fig. 135). Het is een laag van zeer zuiver germanium of silicium en heeft daardoor een middelmatige geleidbaarheid. Deze zone scheidt zeer dunne basis van de collector, waardoor de capaciteit tussen de emitter en de collector wordt verminderd en zeer hoge frequenties kunnen worden versterkt.

Transistors met mesastructuur

Een andere methode wordt gebruikt om transistors te produceren die kunnen werken op frequenties van enkele duizenden megahertz, waardoor ze met name worden gebruikt in ingangscircuits TV's.

Om dergelijke transistors te vervaardigen, wordt een germaniumplaat van het p-type genomen, die als collector zal dienen. Aan de onderkant van de plaat wordt een strook goud stevig gesoldeerd - de toekomstige output. De bovenzijde van de plaat wordt blootgesteld aan antimoondamp. Deze n-type onzuiverheid, waarvan de dichtheid aan het oppervlak hoger is, vormt de basis. Vervolgens wordt aan dezelfde kant van de plaat door diffusie een p-type onzuiverheid (meestal aluminium) geïntroduceerd, die de emitter vormt. Deze diffusie vindt plaats door het rooster, waardoor aluminium in smalle strepen op het oppervlak wordt afgezet (Fig. 136, a).

Na voltooiing van deze bewerkingen worden kleine wasdruppeltjes op het oppervlak aangebracht, die elk één zijde van een sectie van een type p-halfgeleider bedekken - de toekomstige emitter, en het andere deel een sectie van type n bedekt - de toekomstige basis (Fig. 136, b).

Rijst. 136. Opeenvolgende stadia van de productie van mesatransistors: a - diffusie door het p-type onzuiverheidsrooster; b - het aanbrengen van wasdruppeltjes op de oppervlakken die de emitter en de basis vormen; c - zuurbehandeling en verdeling van de plaat in individuele transistors.

Rijst. 137. Fasen van de vervaardiging van een transistor volgens vlakke technologie: a - op de epitaxiale laag wordt een isolerende laag van siliciumdioxide aangebracht; b - er wordt een “venster” gecreëerd in de isolatielaag waardoorheen door diffusie een onzuiverheid van het type p wordt geïntroduceerd; c - na het aanbrengen van een nieuwe isolatielaag wordt er een "venster" met kleinere afmetingen dan het eerste in gecreëerd en wordt er een onzuiverheid van het n-type doorheen geïntroduceerd; d - om toegang te krijgen tot de basis- en emittergebieden, worden gaten geopend en gevuld met metaal, waaraan vervolgens de draden worden gesoldeerd; d - het substraat is gemonteerd op een metalen plaat, die dient als uitgang van de collector.

De hele plaat wordt vervolgens behandeld met een zuur, waardoor alle delen van de emitters en bases worden afgetapt, met uitzondering van de gebieden die door was worden beschermd. Nu hoeft de plaat alleen nog maar in evenveel transistors te worden gesneden als er emitters en bases zijn, waardoor kleine, bijzondere dia's met een platte bovenkant op de collector worden gevormd (Fig. 136, c). Transistoren met deze structuur werden mesa genoemd, omdat in Zuid-Amerika dit woord verwijst naar een berg met een platte top.

Epitaxiale laag

Laten we nu van deze berg afdalen naar de vlakte. Hiermee bedoel ik de productietechnologie van vlakke transistors, die zeer wijdverspreid is geworden, omdat je daarmee duizenden transistors op één enkel kristal in één technologische cyclus kunt voorbereiden. Met deze transistors kunt u ook hoge frequenties versterken en aanzienlijk vermogen verkrijgen.

Meestal worden dergelijke transistors gevormd op een epitaxiale halfgeleiderlaag. Wat is dit?

De verzamelaar moet een kleine specifieke hebben elektrische weerstand gemakkelijk stroom doorlaten. Daarom is het raadzaam om het te maken van een halfgeleider met een hoog gehalte aan onzuiverheden. De basis en de emitter zouden daarentegen aanzienlijk minder onzuiverheden moeten hebben.

Om het noodzakelijke verschil te creëren, wordt de onzuiverheidrijke halfgeleider bedekt met een dunne epitaxiale laag. Om dit te doen, wordt een halfgeleider, zoals silicium, in een waterstofatmosfeer verwarmd tot een temperatuur die ongeveer honderd graden onder het smeltpunt ligt. Vervolgens wordt de temperatuur iets verlaagd en wordt de halfgeleider tegelijkertijd in siliciumtetrachloride geïntroduceerd. Deze laatste valt uiteen en op het oppervlak van de halfgeleider wordt een epitaxiale laag afgezet, bestaande uit siliciumatomen die zich in perfecte bestelling kristal rooster. De dikte van deze laag is een honderdste millimeter en de hoge zuiverheid ervan bepaalt de hoge elektrische weerstand.

Het vervaardigen van transistors met behulp van planaire technologie

Laten we ons voorstellen dat we een siliciumwafel hebben bedekt met een epitaxiale laag. Laten we eerst een isolerende laag siliciumdioxide op de epitaxiale laag aanbrengen (Fig. 137). Vervolgens zullen we, met behulp van de juiste chemische samenstelling, een gat in de isolatielaag openen waardoor we door diffusie een p-type onzuiverheid, bijvoorbeeld boor, in de epitaxiale laag zullen introduceren; dit gedeelte met onzuiverheden zal dienen als de basis van de toekomstige transistor.

We bedekken de hele wafel opnieuw met een isolerende laag siliciumdioxide en openen, met behulp van herhaaldelijk chemisch etsen, een klein gaatje in het midden. Door dit gat introduceren we door diffusie een onzuiverheid van het n-type, bijvoorbeeld fosfor. Op deze manier ontstaat er een emitter.

Wederom bedekken we de hele wafer met een isolerende laag siliciumdioxide en openen vervolgens twee gaten in deze laag: één boven de emitter en de andere in het midden, boven de basis. Door deze gaten zullen we emitter- en basisdraden creëren door aluminium of goud te sputteren. Wat de output van de collector betreft, de vervaardiging ervan is niet moeilijk: het is voldoende om de geleidende plaat aan de onderkant van de collector te versterken.

Jij, Neznaykin, zult ongetwijfeld merken dat bij een op deze manier gemaakte transistor de randen van de overgangen geen contact hebben met de omringende atmosfeer; ze worden beschermd door een laag siliciumdioxide, waardoor de mogelijkheid van schade aan de transistor volledig wordt geëlimineerd. Siliciumdioxide is beter bekend als kwarts.

Als je het vermogen van een vlakke transistor wilt vergroten, moet je in principe het gebied van de emitter-basisovergang vergroten; Om dit te doen, kunt u ook het contactoppervlak tussen deze twee zones vergroten door de zender niet in de vorm van een kleine cirkel te maken, maar in de vorm van een ster of een gesloten onderbroken lijn.

Gebruik van lichtgevoelige films

Ik heb geleerd van mijn uitleg over grote hoeveelheden operaties die nodig zijn om een ​​transistor te produceren met behulp van planaire technologie, denkt u, Neznaykin, ongetwijfeld dat de kosten ervan zeer hoog zouden moeten zijn. Daarom haast ik mij om u gerust te stellen.

In één stap worden enkele tientallen of zelfs honderden transistors geproduceerd. Bij de productie worden fotolithografische methoden gebruikt, die zelfs op grotere schaal worden gebruikt bij de productie geïntegreerde schakelingen, waar we het een andere keer over zullen hebben.

Houd er rekening mee dat om kleine gaatjes ("vensters") te openen, het hele oppervlak eerst wordt bedekt met een lichtgevoelige film, die bij blootstelling aan licht hard wordt en bestand is tegen het oplosmiddel dat in de volgende stap wordt gebruikt. Zo worden de blootgestelde delen van het oppervlak beschermd door een soort vernis, waarin de uitgeharde film is veranderd.

Zoals je hopelijk al geraden hebt, worden op de film lichte beelden geprojecteerd van gebieden van de epitaxiale laag die niet aan een chemische behandeling mogen worden onderworpen. Meestal wordt lichtprojectie uitgevoerd via lenzen waarmee het geprojecteerde beeld kan worden verkleind, wat bijdraagt ​​aan microminiaturisatie...

Ik zou je over andere transistors kunnen vertellen, zoals veldeffecttransistors. Maar ik wil je niet vervelen. U kunt de bandrecorder uitschakelen.

Mensen die geïnteresseerd zijn in radiotechnologie verzamelen in de loop van de tijd behoorlijk wat verschillende elektronische onderdelen, waaronder oude Sovjet-transistors in een metalen behuizing. Door hun grote afmetingen zijn ze niet meer relevant als radiocomponent, maar ze kunnen voor een heel ander doel worden gebruikt: als zonnebatterij. Het is waar dat de kracht van een dergelijke batterij vrij klein is in verhouding tot de grootte ervan, en alleen geschikt is voor het voeden van apparaten met een laag vermogen. Maar je kunt het nog steeds verzamelen als experiment en voor de lol.

Om een ​​transistor in een zonnebatterij om te zetten, moet je eerst het deksel eraf snijden. Om dit te doen, klemt u de transistor voorzichtig bij de rand van het lichaam in een taxus en snijdt u het deksel af met een ijzerzaag. Dit moet voorzichtig gebeuren om het kristal en de dunne draden in de transistor niet te beschadigen.

Hierna kun je zien wat erin verborgen zit:

Zoals je op de foto kunt zien, is het kristal vrij klein vergeleken met het transistorlichaam, maar juist dit zal transformeren zonne-energie naar elektrisch.

Hier is een tabel met metingen gegeven door de auteur aan de hand van het voorbeeld van de KT819GM-transistor:

Na de metingen kunt u beginnen met het monteren van de zonnebatterij om de rekenmachine van stroom te voorzien. Om 1,5 volt te verkrijgen, moeten vijf transistors in serie worden geplaatst, waarbij de collector een min is en de basis een plus.

Om de transistors te bevestigen werd een stukje dun plastic gebruikt, met voorgeboorde gaten voor de poten. Nadat de transistors op hun plaats zijn geïnstalleerd, worden ze met elkaar verbonden volgens het bovenstaande diagram:

Zoals uit het experiment bleek, werkte de rekenmachine buiten goed in zonlicht, maar binnenshuis ontbrak het beslist aan energie, en op een afstand van meer dan 30 centimeter van een gloeilamp weigerde hij te werken.

In het huishouden van een radio-ontwerper zullen altijd oude diodes en transistors van radio's en televisies aanwezig zijn die overbodig zijn geworden. In bekwame handen is dit rijkdom die goed kan worden gebruikt. Maak bijvoorbeeld met uw eigen handen een zonnebatterij om een ​​transistorradio van stroom te voorzien in kampeeromstandigheden. Zoals bekend wordt een halfgeleider, wanneer hij met licht wordt verlicht, een bron van elektrische stroom: een fotocel. We zullen deze accommodatie gebruiken.

Huidige sterkte en elektromotorische kracht van een dergelijke fotocel hangt af van het materiaal van de halfgeleider, de grootte van het oppervlak en de verlichting. Maar om van een diode of transistor een fotocel te maken, moet je bij het halfgeleiderkristal komen, of preciezer gezegd: je moet het openen.

We zullen je later vertellen hoe je dit moet doen, maar kijk voor nu eens naar de tabel met de parameters van zelfgemaakte fotocellen. Alle waarden werden verkregen onder verlichting met een lamp van 60 W op een afstand van 170 mm, wat ongeveer overeenkomt met de intensiteit zonlicht op een mooie herfstdag.

Zoals uit de tabel blijkt, is de energie die door één fotocel wordt gegenereerd erg klein, dus worden ze gecombineerd tot batterijen. Om de stroom die aan het externe circuit wordt geleverd te vergroten, worden identieke fotocellen in serie geschakeld. Maar beste resultaten mee bereikt kan worden gemengde verbinding, wanneer een fotobatterij wordt samengesteld uit in serie geschakelde groepen, die elk zijn opgebouwd uit identieke parallel geschakelde elementen (Fig. 3).

Vooraf voorbereide groepen diodes worden gemonteerd op een plaat van bijvoorbeeld getinax, organisch glas of textoliet, zoals weergegeven in figuur 4. De elementen zijn met elkaar verbonden door dunne vertinde koperdraden.

Het is beter om de draden die geschikt zijn voor het kristal niet te solderen, omdat dit anders zal veroorzaken hoge temperatuur het halfgeleiderkristal kan beschadigd raken. Plaats de plaat met de fotocel in een duurzame koffer met een transparante bovenklep. Soldeer beide pinnen aan de connector - u sluit het snoer van de radio erop aan.

Een zonnefotobatterij van 20 KD202-diodes (vijf groepen van vier parallel geschakelde fotocellen) in de zon genereert een spanning tot 2,1 V met een stroomsterkte tot 0,8 mA. Dit is voldoende om een ​​radio-ontvanger van stroom te voorzien met behulp van een of twee transistors.

Laten we het nu hebben over hoe we diodes en transistors in fotovoltaïsche cellen kunnen veranderen. Houd een bankschroef, een zijsnijder, een tang, een scherp mes, een kleine hamer, een soldeerbout, POS-60 tin-loodsoldeer, hars, een pincet, een 50-300 µA-tester of microampèremeter en een 4,5 V-batterij klaar. D226, D237 en andere in soortgelijke gevallen moeten op deze manier worden gedemonteerd. Knip eerst de draden langs de lijnen A en B af met een zijsnijder (Fig. 1). Maak de verkreukelde buis B voorzichtig recht om aansluiting D los te maken. Klem vervolgens de diode in een bankschroef bij de flens.

Breng een scherp mes aan op de lasnaad en sla er lichtjes op achterkant mes, verwijder het deksel. Zorg ervoor dat het mesblad niet diep naar binnen gaat, anders kun je het kristal beschadigen. Conclusie D: Verwijder verf - de fotocel is gereed. Voor diodes KD202 (evenals D214, D215, D242-D247) gebruikt u een tang om flens A af te bijten (Fig. 2) en aansluiting B af te snijden. Net als in het vorige geval, maakt u de verfrommelde buis B recht en maakt u de flexibele aansluiting los. G.

Elektronica omringt ons overal. Maar bijna niemand denkt na over hoe dit hele ding werkt. Het is eigenlijk heel simpel. Dit is precies wat we vandaag zullen proberen te laten zien. Laten we hiermee beginnen belangrijk onderdeel, zoals een transistor. We vertellen je wat het is, wat het doet en hoe de transistor werkt.

Wat is een transistor?

Transistor– een halfgeleiderapparaat dat is ontworpen om elektrische stroom te regelen.

Waar worden transistoren gebruikt? Ja overal! Bijna geen enkele moderne technologie kan zonder transistors. elektrisch schema. Ze worden veel gebruikt in de productie computertechnologie, audio- en videoapparatuur.

Tijden waarop Sovjet-microcircuits waren de grootste ter wereld, geslaagd en maat moderne transistoren heel klein. De kleinste apparaten zijn dus in de orde van een nanometer groot!

Voorvoegsel nano- geeft een waarde aan in de orde van tien tot de min negende macht.

Er zijn echter ook gigantische exemplaren die vooral op het gebied van energie en industrie worden gebruikt.

Er zijn verschillende soorten transistors: bipolaire en polaire, directe en omgekeerde geleiding. De werking van deze apparaten is echter op hetzelfde principe gebaseerd. Een transistor is een halfgeleiderapparaat. Zoals bekend zijn de ladingsdragers in een halfgeleider elektronen of gaten.

Het gebied met overtollige elektronen wordt aangegeven met de letter N(negatief), en het gebied met gatgeleiding is P(positief).

Hoe werkt een transistor?

Om alles heel duidelijk te maken, laten we naar het werk kijken bipolaire transistor(het meest populaire type).

(hierna eenvoudigweg transistor genoemd) is een halfgeleiderkristal (meestal gebruikt). silicium of germanium), verdeeld in drie zones met verschillende elektrische geleidbaarheid. De zones zijn dienovereenkomstig genoemd verzamelaar, baseren En emitter. Het apparaat van de transistor en zijn schematische weergave worden getoond in de onderstaande figuur

Afzonderlijke voorwaartse en achterwaartse geleidingstransistoren. P-n-p-transistors worden voorwaartse geleidingstransistors genoemd, en n-p-n-transistors worden omgekeerde geleidingstransistors genoemd.

Laten we het nu hebben over de twee bedrijfsmodi van transistors. De werking van de transistor zelf is vergelijkbaar met de werking van een waterkraan of klep. Alleen in plaats van water is er elektrische stroom. Er zijn twee mogelijke toestanden van de transistor: in werking (transistor open) en rusttoestand (transistor gesloten).

Wat betekent het? Wanneer de transistor uitgeschakeld is, vloeit er geen stroom door. In de open toestand, wanneer een kleine stuurstroom op de basis wordt aangelegd, gaat de transistor open en begint een grote stroom door de emitter-collector te stromen.

Fysische processen in een transistor

En nu meer over waarom alles op deze manier gebeurt, dat wil zeggen waarom de transistor opent en sluit. Laten we een bipolaire transistor nemen. Laat het zo zijn n-p-n transistor.

Als je een stroombron aansluit tussen de collector en de emitter, zullen de elektronen van de collector aangetrokken worden door het positieve, maar zal er geen stroom lopen tussen de collector en de emitter. Dit wordt belemmerd door de basislaag en de emitterlaag zelf.

Als u verbinding maakt extra bron tussen de basis en de emitter zullen elektronen uit het n-gebied van de emitter in het basisgebied beginnen door te dringen. Als gevolg hiervan zal het basisgebied worden verrijkt met vrije elektronen, waarvan sommige zullen recombineren met gaten, sommige naar de plus van de basis zullen stromen en sommige (de meeste) naar de collector zullen gaan.

De transistor blijkt dus open te zijn en de emitter-collectorstroom vloeit erin. Als de basisspanning wordt verhoogd, zal de collector-emitterstroom ook toenemen. Bovendien wordt bij een kleine verandering in de stuurspanning een significante toename van de stroom door de collector-emitter waargenomen. Het is op dit effect dat de werking van transistors in versterkers is gebaseerd.

Dat is in een notendop de essentie van hoe transistors werken. U moet een eindversterker 's nachts berekenen met behulp van bipolaire transistors, of uitvoeren laboratorium werk de werking van een transistor bestuderen? Zelfs voor een beginner is dit geen probleem als je gebruik maakt van de hulp van onze studentenservicespecialisten.

Neem gerust contact op voor professionele hulp in zulke belangrijke kwesties zoals studeren! En nu je al een idee hebt over transistors, raden we je aan om te ontspannen en de video van Korn “Twisted transistor” te bekijken! Je besluit bijvoorbeeld contact op te nemen met de Correspondentie Student.

Het principe van halfgeleidercontrole van elektrische stroom was aan het begin van de twintigste eeuw bekend. Hoewel elektronica-ingenieurs wisten hoe een transistor werkte, bleven ze apparaten ontwerpen op basis van vacuüm buizen. De reden voor dit wantrouwen jegens halfgeleidertriodes was de imperfectie van de eerste punt-punt-transistors. De familie van germaniumtransistors had geen stabiele eigenschappen en was sterk afhankelijk van temperatuuromstandigheden.

Serieuze concurrentie om elektronenbuizen kwam van monolithisch silicium transistors pas eind jaren vijftig. Sinds die tijd begon de elektronica-industrie zich snel te ontwikkelen, en compacte halfgeleidertriodes vervingen actief energie-intensieve lampen uit elektronische apparaatcircuits. Met de komst geïntegreerde schakelingen Waar het aantal transistors in de miljarden kan lopen, heeft halfgeleiderelektronica een verpletterende overwinning behaald in de strijd om apparaten te miniaturiseren.

Wat is een transistor?

IN moderne betekenis Een transistor is een halfgeleiderradio-element dat is ontworpen om de parameters van een elektrische stroom te veranderen en te controleren. Een conventionele halfgeleidertriode heeft drie aansluitingen: een basis, die stuursignalen ontvangt, een emitter en een collector. Er zijn ook composiettransistoren met hoog vermogen.

De omvang van halfgeleiderapparaten is opvallend: van enkele nanometers (onverpakte elementen die in microschakelingen worden gebruikt) tot centimeters in diameter voor krachtige transistors bedoeld voor energiecentrales en industriële apparatuur. Speerspanningen van industriële triodes kunnen oplopen tot 1000 V.

Apparaat

Structureel bestaat de triode uit halfgeleiderlagen ingesloten in een behuizing. Halfgeleiders zijn materialen op basis van silicium, germanium, galliumarsenide en andere chemische elementen. Tegenwoordig wordt er onderzoek gedaan om bepaalde soorten polymeren, en zelfs koolstofnanobuisjes, voor te bereiden op de rol van halfgeleidermaterialen. Blijkbaar zullen we in de nabije toekomst meer leren over nieuwe eigenschappen van grafeen-veldeffecttransistors.

Vroeger bevonden zich halfgeleiderkristallen in metalen koffers in de vorm van hoeden met drie poten. Dit ontwerp was typisch voor punt-punttransistors.

Tegenwoordig zijn de ontwerpen van de meeste platte, inclusief silicium halfgeleider apparaten gemaakt op basis van een enkel kristal dat in bepaalde delen is gedoteerd. Ze worden in kunststof, metaal-glas of metaal-keramische behuizingen geperst. Sommigen van hen hebben uitstekende metalen platen voor warmteafvoer, die aan de radiatoren zijn bevestigd.

De elektroden van moderne transistors zijn in één rij gerangschikt. Deze opstelling van de poten is handig voor automatische bordmontage. De klemmen zijn niet gemarkeerd op de behuizingen. Het type elektrode wordt bepaald aan de hand van naslagwerken of door metingen.

Voor transistors worden halfgeleiderkristallen met verschillende structuren gebruikt, p-n-p-type of n-p-n. Ze verschillen in de polariteit van de spanning op de elektroden.

Schematisch kan de structuur van een transistor als twee worden weergegeven halfgeleiderdiodes, gescheiden door een extra laag. (Zie figuur 1). Het is de aanwezigheid van deze laag waarmee u de geleidbaarheid van de halfgeleidertriode kunt regelen.

Rijst. 1. Structuur van transistors

Figuur 1 toont schematisch de structuur van bipolaire triodes. Er is ook een klasse veldeffecttransistors, die hieronder zullen worden besproken.

Basis werkingsprincipe

In rust vloeit er geen stroom tussen de collector en de emitter van een bipolaire triode. Elektrische stroom interfereert met de weerstand van de emitterovergang, die ontstaat als gevolg van de interactie van de lagen. Om de transistor in te schakelen, moet je een kleine spanning op de basis aanbrengen.

Figuur 2 toont een diagram waarin het werkingsprincipe van een triode wordt uitgelegd.

Rijst. 2. Werkingsprincipe

Door de basisstromen te regelen, kunt u het apparaat in- en uitschakelen. Als u zich aanmeldt voor de basis analoog signaal, dan zal het de amplitude van de uitgangsstromen veranderen. In dit geval zal het uitgangssignaal exact de oscillatiefrequentie aan de basiselektrode herhalen. Met andere woorden: het elektrische signaal dat aan de ingang wordt ontvangen, wordt versterkt.

Halfgeleidertriodes kunnen dus werken in de elektronische schakelmodus of in de modus voor ingangssignaalversterking.

Bediening van het apparaat in de modus elektronische sleutel kan worden begrepen uit figuur 3.

Rijst. 3. Triode in schakelmodus

Aanduiding op diagrammen

Gemeenschappelijke aanduiding: "VT" of "Q", gevolgd door een positionele index. Bijvoorbeeld VT 3. Op eerdere diagrammen vindt u verouderde aanduidingen: "T", "PP" of "PT". De transistor wordt weergegeven als symbolische lijnen die de overeenkomstige elektroden aangeven, al dan niet omcirkeld. De richting van de stroom in de emitter wordt aangegeven met een pijl.

Figuur 4 toont een ULF-circuit waarin transistors op een nieuwe manier worden aangeduid, en figuur 5 toont schematische afbeeldingen van verschillende typen veldeffecttransistors.

Rijst. 4. Voorbeeld ULF-circuits op triodes

Soorten transistors

Op basis van hun werkingsprincipe en structuur worden halfgeleidertriodes onderscheiden:

• veld;
• bipolair;
• gecombineerd.

Deze transistors vervullen dezelfde functies, maar er zijn verschillen in het principe van hun werking.

Veld

Dit type triode wordt vanwege zijn elektrische eigenschappen ook wel unipolair genoemd: ze voeren stroom met slechts één polariteit. Op basis van hun structuur en type bediening zijn deze apparaten onderverdeeld in 3 typen:

1. Transistoren met beheerder p-n overgang (Fig. 6).
2. Met geïsoleerde poort (verkrijgbaar met ingebouwd of geïnduceerd kanaal).
3. MIS, met structuur: metaal-diëlektrische geleider.

Een onderscheidend kenmerk van een geïsoleerde poort is de aanwezigheid van een diëlektricum tussen de poort en het kanaal.

Onderdelen zijn zeer gevoelig voor statische elektriciteit.

Circuits van veldtriodes worden getoond in Figuur 5.

Rijst. 5. Veldeffecttransistoren
Rijst. 6. Foto van een echte veldeffecttriode

Let op de namen van de elektroden: drain, source en gate.

Veldeffecttransistoren verbruiken zeer weinig stroom. Ze kunnen werken meer dan een jaar van een kleine batterij of accu. Daarom hebben ze een brede toepassing gevonden in de moderne tijd elektronische apparaten zoals afstandsbedieningen afstandsbediening, mobiele gadgets enz.

Bipolair

Er is veel gezegd over dit type transistor in de paragraaf “ Basisprincipe werk." Laten we alleen opmerken dat het apparaat de naam "Bipolair" kreeg vanwege zijn vermogen om ladingen van tegengestelde tekens door één kanaal door te geven. Hun kenmerk is een lage uitgangsimpedantie.

Transistoren versterken signalen en fungeren als schakelapparaten. Het collectorcircuit kan voldoende bevatten krachtige lading. Dankzij hoge stroom collector, kunt u de belastingsweerstand verminderen.

Laten we hieronder de structuur en het werkingsprincipe in meer detail bekijken.

Gecombineerd

Om bepaalde te bereiken elektrische parameters Door het gebruik van een enkel discreet element bedenken transistorontwikkelaars gecombineerde ontwerpen. Onder hen zijn:

• met ingebouwde weerstanden en hun circuit;
• combinaties van twee triodes (dezelfde of verschillende structuren) in één pakket;
• lambdadiodes - een combinatie van twee veldeffecttriodes die een sectie vormen met negatieve weerstand;
• ontwerpen waarbij een veldeffecttriode met een geïsoleerde poort een bipolaire triode aanstuurt (gebruikt om elektromotoren aan te sturen).

Gecombineerde transistors zijn in feite een elementaire microschakeling in één pakket.

Hoe werkt een bipolaire transistor? Instructies voor dummies

De werking van bipolaire transistors is gebaseerd op de eigenschappen van halfgeleiders en hun combinaties. Om het werkingsprincipe van triodes te begrijpen, moeten we het gedrag van halfgeleiders in elektrische circuits begrijpen.

Halfgeleiders.

Sommige kristallen, zoals silicium, germanium, enz., zijn diëlektrica. Maar ze hebben één kenmerk: als je bepaalde onzuiverheden toevoegt, worden het geleiders met speciale eigenschappen.

Sommige additieven (donoren) leiden tot het verschijnen van vrije elektronen, terwijl andere (acceptoren) “gaten” creëren.

Als silicium bijvoorbeeld wordt gedoteerd met fosfor (donor), krijgen we een halfgeleider met een overmaat aan elektronen (n-Si-structuur). Door boor (een acceptor) toe te voegen, wordt het gedoteerde silicium een ​​gatengeleidende halfgeleider (p-Si), dat wil zeggen dat de structuur ervan wordt gedomineerd door positief geladen ionen.

Eénrichtingsgeleiding.

Laten we een gedachte-experiment uitvoeren: sluit twee verschillende soorten halfgeleiders aan op een stroombron en lever stroom aan ons ontwerp. Er zal iets onverwachts gebeuren. Als je de negatieve draad op een n-type kristal aansluit, is het circuit voltooid. Wanneer we echter de polariteit omkeren, zal er geen elektriciteit in het circuit zijn. Waarom gebeurt dit?

Als resultaat van het combineren van kristallen met verschillende soorten geleidbaarheid, wordt er een gebied met een p-n-overgang tussen gevormd. Sommige elektronen (ladingsdragers) van een n-type kristal zullen in een kristal met gatgeleiding stromen en gaten in de contactzone recombineren.

Als gevolg hiervan ontstaan ​​​​niet-gecompenseerde ladingen: in het n-type gebied - van negatieve ionen, en in het p-type gebied van positieve ionen. Het potentiaalverschil bereikt waarden van 0,3 tot 0,6 V.

De relatie tussen spanning en onzuiverheidsconcentratie kan worden uitgedrukt door de formule:

φ= V T*ln( Nn* Np)/n 2 ik , waar

V T – waarde van thermodynamische spanning, Nn En Np – de concentratie van respectievelijk elektronen en gaten, en ni geeft de intrinsieke concentratie aan.

Wanneer een plus wordt aangesloten op een p-geleider en een min op een n-type halfgeleider, zullen elektrische ladingen de barrière overwinnen, omdat hun beweging tegen elektrisch veld binnen p-n-overgang. IN in dit geval de doorgang is open. Maar als de polen zijn omgedraaid, is de transitie gesloten. Vandaar de conclusie: de p-n-overgang vormt eenrichtingsgeleiding. Deze eigenschap wordt gebruikt bij het ontwerp van diodes.

Van diode tot transistor.

Laten we het experiment ingewikkelder maken. Laten we nog een laag toevoegen tussen twee halfgeleiders met dezelfde structuren. Tussen p-type siliciumwafels plaatsen we bijvoorbeeld een geleidende laag (n-Si). Het is niet moeilijk om te raden wat er in de contactzones zal gebeuren. Naar analogie met het hierboven beschreven proces worden gebieden met p-n-overgangen gevormd die beweging blokkeren elektrische ladingen tussen emitter en collector, en ongeacht de polariteit van de stroom.

Het meest interessante zal gebeuren als we een lichte spanning op de laag (basis) aanbrengen. In ons geval zullen we een stroom met een negatief teken toepassen. Net als bij een diode wordt er een emitter-basiscircuit gevormd waardoor stroom zal vloeien. Tegelijkertijd zal de laag verzadigd raken met gaten, wat zal leiden tot gatengeleiding tussen de emitter en de collector.

Kijk naar figuur 7. Daaruit blijkt dat positieve ionen de hele ruimte van ons vulden voorwaardelijke constructie en nu interfereert niets met de stroomgeleiding. We hebben een visueel model verkregen van een bipolaire transistor met een p-n-p-structuur.

Rijst. 7. Werkingsprincipe van de triode

Wanneer de basis spanningsloos wordt gemaakt, komt de transistor zeer snel in actie originele staat en het collectorknooppunt sluit.

Het apparaat kan ook in de versterkingsmodus werken.

De collectorstroom is recht evenredig met de basisstroom : INaar= ß* IB , Waar ß – huidige winst, IB – basisstroom.

Als u de waarde van de stuurstroom wijzigt, zal de intensiteit van de gatvorming op de basis veranderen, wat een proportionele verandering in de amplitude van de uitgangsspanning met zich meebrengt, terwijl de signaalfrequentie behouden blijft. Dit principe wordt gebruikt om signalen te versterken.

Door zwakke pulsen aan de basis toe te passen, verkrijgen we aan de uitgang dezelfde versterkingsfrequentie, maar met een veel grotere amplitude (ingesteld door de spanning die wordt aangelegd op het collector-emittercircuit).

NPN-transistors werken op een vergelijkbare manier. Alleen de polariteit van de spanningen verandert. Apparaten met n-p-n-structuur directe geleidbaarheid hebben. Ze hebben omgekeerde geleidbaarheid pnp-transistoren type.

Er moet nog aan worden toegevoegd dat het halfgeleiderkristal is op een vergelijkbare manier reageert op het ultraviolette spectrum van licht. Door de fotonenstroom aan en uit te zetten, of de intensiteit ervan aan te passen, kun je de werking van een triode regelen of de weerstand van een halfgeleiderweerstand wijzigen.

Bipolaire transistorverbindingscircuits

Circuitingenieurs gebruiken de volgende aansluitschema's: met gemeenschappelijke basis, gemeenschappelijke emitterelektroden en verbinding met een gemeenschappelijke collector (Fig. 8).

Rijst. 8. Aansluitschema's voor bipolaire transistors

Versterkers met een gemeenschappelijke basis worden gekenmerkt door:

• laag ingangsimpedantie, die niet groter is dan 100 Ohm;
• goede temperatuureigenschappen en frequentiekarakteristieken van de triode;
• hoge toegestane spanning;
• er zijn er twee nodig verschillende bronnen voor eten.

Gemeenschappelijke emittercircuits hebben:

• hoge stroom- en spanningsversterking;
• lage vermogenswinst;
• inversie van de uitgangsspanning ten opzichte van de ingang.

Bij deze aansluiting is één stroombron voldoende.

Aansluitschema volgens het principe " gemeenschappelijke verzamelaar» biedt:

• hoge ingangs- en lage uitgangsweerstand;
• lage spanningsversterkingsfactor (< 1).

Hoe werkt een veldeffecttransistor? Uitleg voor dummies

De structuur van een veldeffecttransistor verschilt van een bipolaire transistor doordat de stroom daarin de pn-overgangszone niet doorkruist. De ladingen bewegen zich door een gecontroleerd gebied dat de poort wordt genoemd. Bandbreedte De poort is spanningsgestuurd.

Ruimte p-n-zones neemt af of toe onder invloed van een elektrisch veld (zie figuur 9). Het aantal gratis ladingdragers verandert dienovereenkomstig - van volledige vernietiging tot extreme verzadiging. Als gevolg van dit effect op de poort wordt de stroom aan de afvoerelektroden (contacten die de verwerkte stroom uitvoeren) geregeld. De inkomende stroom vloeit door de broncontacten.

Figuur 9. Veldeffecttransistor met pn-overgang

Veldtriodes met een ingebouwd en geïnduceerd kanaal werken volgens een soortgelijk principe. Je zag hun diagrammen in figuur 5.

Aansluitcircuits voor veldeffecttransistors

In de praktijk worden aansluitschema's gebruikt naar analogie van een bipolaire triode:

• met een gemeenschappelijke bron - produceert een grote winst aan stroom en kracht;
• circuits met een gemeenschappelijke poort zorgen voor een lage ingangsimpedantie en een verwaarloosbare versterking (hebben beperkt nut);
• common-drain-circuits die op dezelfde manier werken als common-emitter-circuits.

Figuur 10 laat zien diverse schema's insluitsels.

Rijst. 10. Afbeelding van veldtriode-aansluitschema's

Bijna elk circuit kan werken bij zeer lage ingangsspanningen.

Video's waarin het werkingsprincipe van een transistor in eenvoudige taal wordt uitgelegd