קטגוריות: מאמרים מוצגים » חשמלאים מתחילים
מספר צפיות: 52646
הערות לכתבה: 4
טרנזיסטורים חלק 2. מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה
תחילת המאמר: היסטוריה של טרנזיסטור, טרנזיסטורים: מטרה, התקן ועקרונות הפעולה
בהנדסת חשמל משתמשים בחומרים שונים. המאפיינים החשמליים של חומרים נקבעים על ידי מספר האלקטרונים במסלול הערך החיצוני. ככל שפחות האלקטרונים נמצאים במסלול זה, כך הם קשורים חלש יותר לגרעין, כך הם יכולים להתקדם יותר לנסוע.
בהשפעת תנודות טמפרטורה, האלקטרונים מתנתקים מהאטום ונעים במרחב הבין-אטומי. אלקטרונים כאלה נקראים חופשיים, והם יוצרים זרם חשמלי במוליכים. האם יש חלל אינטראטומי גדול, האם יש מקום לאלקטרונים חופשיים לנוע בתוך חומר?
מבנה המוצקים והנוזלים נראה רציף וצפוף, מזכיר במבנה כדור חוט. אך למעשה, אפילו מוצקים דומים יותר לרשת דיג או כדורעף. כמובן שלא ניתן להבחין בכך ברמת משק הבית, אך נקבע על ידי מחקרים מדעיים מדויקים כי המרחקים בין האלקטרונים לגרעין האטומים גדולים בהרבה מממדיהם האישיים.
אם גודל הגרעין האטומי מיוצג בצורה של כדור בגודל כדור כדורגל, אז האלקטרונים בדגם זה יהיו בגודל של אפונה, וכל אפונה כזו ממוקמת מה"ליבה "במרחק של כמה מאות ואף אלפי מטרים. ובין הגרעין לאלקטרון הוא ריקנות - פשוט אין דבר! אם נדמיין את המרחקים בין אטומי החומר באותה סולם, הממדים יתבררו כפנטסטיים בדרך כלל - עשרות ומאות קילומטרים!
מוליכים חשמליים טובים הם מתכות. לדוגמא, לאטומי הזהב והכסף יש רק אלקטרון אחד במסלול החיצוני, ולכן הם המוליכים הטובים ביותר. ברזל מוליך גם חשמל, אך מעט גרוע יותר.
מוליכים חשמל עוד יותר גרוע סגסוגות עמידות גבוהה. אלה הם ניכרום, מנגנין, קבוע, פשראלי ואחרים. מגוון כזה של סגסוגות עמידות גבוהה נובע מהעובדה שהם נועדו לפתור בעיות שונות: גופי חימום, מדדי מתח, נגדי התייחסות למכשירי מדידה ועוד ועוד.
על מנת להעריך את יכולתו של חומר להוליך חשמל, מושג ה- "מוליכות חשמלית". ערך התשואה הוא התנגדות. במכניקה מושגים אלה תואמים את כוח הכבידה הספציפי.
מבודדיםבניגוד למוליכים, אינם נוטים לאבד אלקטרונים. בתוכם, הקשר של האלקטרון עם הגרעין הוא חזק מאוד, וכמעט ואין אלקטרונים חופשיים. ליתר דיוק, אך מעטים מאוד. יחד עם זאת, בחלק מבודדים ישנם יותר כאלה ואיכות הבידוד שלהם היא, בהתאם, גרועה יותר. מספיק להשוות, למשל, קרמיקה ונייר. לכן ניתן לחלק את המבודדים על תנאי לטוב ורע.
הופעתם של מטענים חופשיים אפילו בבידוד נגרמת על ידי תנודות תרמיות של אלקטרונים: בהשפעת טמפרטורה גבוהה תכונות הבידוד מתדרדרות, חלק מהאלקטרונים עדיין מצליחים להתנתק מהגרעין.
באופן דומה, ההתנגדות של מוליך אידיאלי תהיה אפס. אך למרבה המזל אין מוליך כזה: דמיין איך החוק של אוהם ((אני = U / R) היה נראה עם אפס במכנה !!! פרידה מתמטיקה והנדסת חשמל.
ורק בטמפרטורה של אפס מוחלט (-273.2 מעלות צלזיוס) התנודות התרמיות נעצרות לחלוטין, והמבודד הגרוע ביותר הופך להיות טוב מספיק. כדי לקבוע באופן מספרי "זה" רע - השתמש היטב במושג ההתנגדות. זו ההתנגדות באו"ם של קוביה באורך קצה של 1 ס"מ, מימד ההתנגדות מתקבל באוהם / ס"מ. העמידות הספציפית של חומרים מסוימים מוצגת להלן.מוליכות היא הדדיות של ההתנגדות, היא יחידת המידה של סימנס, - 1Sm = 1 / Ohm.
יש להם מוליכות טובה או התנגדות נמוכה: כסף 1.5 * 10 ^ (- 6), קרא כיצד (אחד וחצי עד עשר לכוח מינוס שש), נחושת 1.78 * 10 ^ (- 6), אלומיניום 2.8 * 10 ^ (- 6). המוליכות של סגסוגות עם עמידות גבוהה גרועה בהרבה: קבוע 0.5 * 10 ^ (- 4), ניכרום 1.1 * 10 ^ (- 4). ניתן לכנות את הסגסוגות הללו למוליכים רעים. אחרי כל המספרים המורכבים האלה, החלף את אוהם / ס"מ.
יתר על כן, ניתן להבחין במוליכים למחצה כקבוצה נפרדת: גרמניום 60 אוהם / ס"מ, סיליקון 5000 אוהם / ס"מ, סלניום 100 000 אוהם / ס"מ. ההתנגדות של קבוצה זו גדולה מזו של מוליכים רעים, אך פחות מזה של מבודדים רעים, שלא לדבר על טובים. ככל הנראה, עם אותה הצלחה, ניתן היה לקרוא למוליכים למחצה מוליכים למחצה.
לאחר היכרות כה קצרה עם מבנה אטום ותכונותיו, יש לקחת בחשבון כיצד אטומים מתקשרים זה עם זה, כיצד אטומים מתקשרים זה עם זה, כיצד מולקולות נוצרות מהם, מהם מורכבים חומרים שונים. לשם כך תצטרך לזכור שוב את האלקטרונים במסלול החיצוני של האטום. אחרי הכל, הם אלה שמשתתפים בקשירת האטומים למולקולות וקובעים את התכונות הפיזיקליות והכימיות של החומר.
כיצד עשויים אטומים מאטומים
כל אטום נמצא במצב יציב אם ישנם 8 אלקטרונים במסלולו החיצוני. הוא לא מבקש לקחת אלקטרונים מהאטומים השכנים, אך הוא לא מוותר על שלו. כדי לאמת זאת, די בטבלה המחזורית כדי לבחון גזים אינרטיים: ניאון, ארגון, קריפטון, קסנון. לכל אחד מהם 8 אלקטרונים במסלול החיצוני, מה שמסביר את חוסר הרצון של גזים אלה להיכנס ליחסים (תגובות כימיות) עם אטומים אחרים, לבניית מולקולות של כימיקלים.
המצב שונה לחלוטין עבור אותם אטומים שאין להם 8 אלקטרונים מוקירים במסלולם החיצוני. אטומים כאלה מעדיפים להתאחד עם אחרים על מנת להשלים את מסלולם החיצוני עם עד 8 אלקטרונים ולמצוא מצב יציב ורגוע.
לדוגמא, מולקולת המים הידועה H2O. זה מורכב משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד, כפי שמוצג באיור. 1.
ציור 1. כיצד נוצרת מולקולת מים.
בחלק העליון של הדמות מוצגים שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד בנפרד. במסלול החיצוני של חמצן ישנם 6 אלקטרונים ושני אלקטרונים בשני אטומי מימן בקרבת מקום. חמצן עד למספר 8 היקר הנעדר שני אלקטרונים במסלול החיצוני, אותו יקבל על ידי הוספת שני אטומי מימן לעצמו.
לכל אטום מימן חסר 7 אלקטרונים במסלולו החיצוני לאושר מוחלט. אטום המימן הראשון מקבל במסלולו החיצוני 6 אלקטרונים מחמצן ואלקטרון נוסף מהתאום שלו - אטום המימן השני. כעת יש 8 אלקטרונים במסלול החיצוני שלו יחד עם האלקטרון שלו. אטום המימן השני משלים גם את מסלולו החיצוני למספר היקיר 8. תהליך זה מוצג בחלק התחתון של הדמות. 1.
בתמונה 2 מוצג תהליך שילוב אטומי נתרן וכלור. התוצאה היא נתרן כלוריד, הנמכר בחנויות הנקראות מלח.
ציור 2. תהליך שילוב אטומי נתרן וכלור
גם כאן כל אחד מהמשתתפים מקבל את המספר החסר של אלקטרונים מהשני: כלור מחבר אלקטרון נתרן יחיד לשבעה אלקטרונים משלו, בעוד שהוא נותן את האטומים שלו לאטום הנתרן. לשני האטומים במסלול החיצוני 8 אלקטרונים, וכאן מושגים הסכמה ושגשוג מלאים.
שערות האטומים
אטומים עם 6 או 7 אלקטרונים במסלולם החיצוני נוטים לחבר לעצמם אלקטרונים 1 או 2. הם אומרים על אטומים כאלה שהם אחד או דו ערכי. אבל אם במסלול החיצוני של אטום 1, 2 או 3 אלקטרונים, אז אטום כזה נוטה להסגיר אותם. במקרה זה האטום נחשב לאחד, שניים או טריוולנטי.
אם יש 4 אלקטרונים במסלול החיצוני של אטום, אז אטום כזה מעדיף לשלב עם אותו אחד, שיש לו גם 4 אלקטרונים. כך משלבים אטומי גרמניום וסיליקון המשמשים בייצור טרנזיסטורים. במקרה זה האטומים נקראים טטרוואלנטיים. (ניתן לשלב את האטומים של גרמניום או סיליקון עם אלמנטים אחרים, למשל חמצן או מימן, אך תרכובות אלה אינן מעניינות בתוכנית הסיפור שלנו.)
בתמונה 3 מוצג אטום גרמניום או סיליקון המבקש להשתלב עם אותו אטום. עיגולים שחורים קטנים הם האלקטרונים של האטום עצמו, ומעגלי האור מצביעים על המקומות שבהם נופלים האלקטרונים של ארבעת האטומים - שכנים.
ציור 3. אטום גרמניום (סיליקון).
מבנה הגביש של מוליכים למחצה
אטומי הגרמניום והסיליקון בטבלה המחזורית הם באותה קבוצה כמו פחמן (הנוסחה הכימית של יהלום C היא פשוט גבישים גדולים של פחמן המתקבלים בתנאים מסוימים), ולכן, כאשר הם משולבים, יוצרים מבנה גבישי דמוי יהלום. היווצרותו של מבנה כזה מוצגת, בצורה מפושטת, כמובן, באיור 4.
ציור 4.
במרכז הקוביה אטום גרמניום, וארבעה אטומים נוספים ממוקמים בפינות. האטום המתואר במרכז הקוביה נקשר על ידי האלקטרונים הערכיים שלו לשכניו הקרובים. בתורו, האטומים הזוויתיים מעניקים אלקטרונים ערכיים שלהם לאטום הנמצא במרכז הקוביה ושכנותיה - אטומים שלא מופיעים בתמונה. לפיכך, הקווים החיצוניים מתווספים עד שמונה אלקטרונים. כמובן, אין קובייה בסריג הגביש, היא מוצגת רק בתמונה כך שהסידור ההדדי והנפולי של האטומים ברור.
אך כדי לפשט את הסיפור על מוליכים למחצה ככל האפשר, ניתן לתאר את סריג הגביש בצורת רישום סכמטי שטוח, למרות העובדה כי הקשרים הבין-אטומיים בכל זאת ממוקמים בחלל. מעגל כזה מוצג באיור. 5.
ציור 5. סריג הגביש הגרמניום בצורה שטוחה.
בגביש כזה, כל האלקטרונים מחוברים היטב לאטומים על ידי קשרי הערכיות שלהם, ולכן, ככל הנראה, פשוט אין כאן אלקטרונים חופשיים. מסתבר שלפנינו מבודד בדמות, מכיוון שאין בו אלקטרונים חופשיים. אבל, למעשה, זה לא כך.
מוליכות פנימית
העובדה היא שתחת השפעה של טמפרטורה, אלקטרונים מסוימים עדיין מצליחים להתנתק מהאטומים שלהם, ובמשך זמן מה להשתחרר מהקשר עם הגרעין. לכן קיימת כמות קטנה של אלקטרונים חופשיים בגביש גרמניום, שבזכותם ניתן להוביל זרם חשמלי. כמה אלקטרונים בחינם קיימים בגביש גרמניום בתנאים רגילים?
אין יותר משני אלקטרונים חופשיים כאלה לכל 10 ^ 10 (עשרה מיליארד) אטומים, כך שגרמניום הוא מוליך גרוע, או כפי שנהוג לומר מוליך למחצה. יש לציין כי רק גרם אחד של גרמניום מכיל 10 ^ 22 (עשרת אלפים מיליארד מיליארד) אטומים, המאפשר לך "להשיג" כאלפיים מיליארד אלקטרונים בחינם. נראה כי די בכדי לעבור זרם חשמלי גדול. כדי להתמודד עם סוגיה זו, די לזכור איזה זרם של 1 א '.
זרם של 1 A תואם לעבור במוליך בשנייה אחת מטען חשמלי של קולום 1, או 6 * 10 ^ 18 (שישה מיליארד מיליארד) אלקטרונים בשנייה. על רקע זה, סביר להניח כי אלפיים מיליארד אלקטרונים חופשיים, ואף מפוזרים על גבי גביש ענק, לא יבטיחו מעבר של זרמים גבוהים. למרות שבגלל תנועה תרמית, מוליכות קטנה קיימת בגרמניה. זהו מה שמכונה מוליכות פנימית.
מוליכות אלקטרונית וחור
ככל שהטמפרטורה עולה, אנרגיה נוספת מועברת לאלקטרונים, הרטט התרמי שלהם הופך להיות אנרגטי יותר, כתוצאה מכך אלקטרונים מסוימים מצליחים להתנתק מהאטומים שלהם.אלקטרונים אלה הופכים לחופשיים, ובהיעדר שדה חשמלי חיצוני, מבצעים תנועות כאוטיות ונעות במרחב הפנוי.
אטומים שאיבדו אלקטרונים אינם יכולים לבצע תנועות אקראיות, אלא רק מתנדנדים מעט יחסית למיקומם הרגיל בסריג הגביש. אטומים כאלה שאיבדו אלקטרונים נקראים יונים חיוביים. אנו יכולים להניח שבמקום אלקטרונים שנקרעו מהאטומים שלהם, מתקבלים חללים חופשיים, המכונים בדרך כלל חורים.
באופן כללי, מספר האלקטרונים והחורים זהה, כך שחור יכול לתפוס אלקטרון שנמצא בקרבת מקום. כתוצאה מכך אטום מיון חיובי שוב הופך להיות ניטרלי. תהליך שילוב האלקטרונים עם חורים נקרא רק קומבינציה.
באותה תדר, אלקטרונים מופרדים מהאטומים, ולכן, בממוצע, מספר האלקטרונים והחורים של מוליך למחצה מסוים שווה, קבוע ותלוי בתנאים חיצוניים, במיוחד בטמפרטורה.
אם מוחל מתח על גבי גביש המוליכים למחצה, אז תזוונו תנועת האלקטרון, זרם יזרום בגביש בגלל המוליכות האלקטרונית והחור שלו. מוליכות זו נקראת מהותית, היא כבר הוזכרה מעט גבוהה יותר.
אך מוליכים למחצה טהורים עם מוליכות אלקטרונית וחור אינם מתאימים לייצור דיודות, טרנזיסטורים ופרטים אחרים, מכיוון שבסיס ההתקנים הללו הוא צומת ה- p-n (קרא "pe-en").
כדי להשיג מעבר כזה יש צורך בשני סוגים של מוליכים למחצה, שני סוגים של מוליכות (p - חיובי - חיובי, חור) ו- (n - שלילי - שלילי, אלקטרוני). סוגים אלה של מוליכים למחצה מתקבלים באמצעות סמים, הוספת זיהומים לגבישים גרמניום או סיליקון טהורים.
למרות שכמות הזיהומים קטנה מאוד, נוכחותם במידה רבה משנה את תכונותיו של המוליך למחצה, מאפשרת לכם להשיג מוליכים למחצה בעלי מוליכות שונה. זה יידון בחלק הבא של המאמר.
בוריס אלאדישקין, electro-iw.tomathouse.com
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: