Шаг за шагом. Транзисторы - Сворень Рудольф Анатольевич (читать книги полные .TXT) 📗
Весь процесс вплавления описан нами крайне упрощенно. В действительности подготовка к вплавлению включает в себя ряд ювелирных операций, которые производятся под микроскопом. А само вплавление идет при строгом контроле температуры печи и времени пребывания в ней кристаллов с добавками.
Однако как бы точно ни производилась подготовка к вплавлению и как бы строго операторы ни следили за этим процессом, он, по сути дела, протекает «заочно» — никто не может точно сказать, что в тот или иной момент происходит в той или иной кассете, находящейся в печи. Кристаллики основного полупроводника и вплавляемые в них крупинки индия не бывают абсолютно одинаковыми, и в основном поэтому сам ход процесса при образовании рn-переходов в разных кассетах тоже несколько отличается. В итоге в одной и той же группе кассет образуются транзисторы с разными параметрами.
Например, с разным содержанием неосновных носителей в области базы, а значит, с различными обратными токами коллектора (рис. 17) или с разной толщиной базы, поэтому и с разным коэффициентом усиления по току (рис. 35). Кроме того, транзисторы, у которых получилась более толстая база, работают на более низких частотах, так как одно из препятствий для повышения частоты сигнала — это запаздывание зарядов при диффузии их через базу. Заряды просто не поспевают за быстрым изменением высокочастотного сигнала.
После установки кристаллика с двумя рn-переходами в корпус многие параметры получившегося транзистора измеряют и формируют несколько групп приборов со схожими параметрами. Так и появляется вынужденный широкий ассортимент транзисторов, которые, конечно, вполне могли бы быть одним типом, если бы все технологические процессы шли абсолютно одинаково. В частности, такие транзисторы, как П13, П13А, П13Б, П14, П15, П16, П16А, П16Б, получались в результате единого технологического процесса изготовления сплавных рn-переходов только за счет разброса их параметров.
Если трудности полупроводниковой технологии увеличивают число различных типов транзисторов, то совершенствование технологии, применение новых технологических принципов, позволяет уменьшить излишне богатый ассортимент приборов. Так, например, получение рn-переходов методом диффузии позволяет создавать транзисторы, одинаково хорошо работающие и на низких, и на высоких частотах, вплоть до нескольких сот Мгц.
Сущность диффузионной технологии отражена в самом ее названии. Основой транзистора р-n-р здесь, так же как и в сплавной технологии, служит кристаллик германия, но уже с проводимостью р-типа (рис. 91). Сначала этот кристаллик помещают в пары донора, например мышьяка. В результате диффузии донора в кристалл в нем создается тонкий поверхностный слой с проводимостью n-типа. Затем следует еще одна диффузия примеси — кристалл помещают в пары акцептора, например индия. Теперь в тонком слое с проводимостью n-типа создается еще более тонкий слой с р-проводимостью, и кристалл, точнее, его поверхностная область, приобретает структуру р-n-р. В дальнейшем верхний слой (р) будет эмиттером, средний слой (n) — базой, а сам кристалл (р) — коллектором. Остается лишь добраться до внутренних участков этой структуры, то есть подключить выводы к коллектору и базе будущего транзистора.
В самом упрощенном виде эта операция выполняется так: на один из участков кристалла наносят кислотоупорное покрытие, а затем производят травление кристалла в кислоте. В итоге обе «одежды», появившиеся в результате диффузии, исчезают почти со всей поверхности кристалла и нужная структура остается лишь на небольшом участке. Именно к нему и припаивают выводы эмиттера и базы коллектора.
Мы описали лишь один из нескольких способов производства диффузионных транзисторов, причем описали его очень упрощенно. В действительности диффузионная технология, так же, впрочем, как и любая другая технология производства транзисторов, включает в себя большую серию очень тонких и точных технологических операций. Диффузионная технология хотя и сложнее сплавной, но зато позволяет более точно направлять сам ход процесса и получать транзисторные структуры с меньшим разбросом параметров. При этом сами рn-переходы получаются с ровной, плоской границей между зонами и, что особенно важно, получается ровная и очень тонкая, вплоть до нескольких микронов, база. А чем тоньше база, тем большие частоты может усиливать транзистор (рис. 92).
Рис. 92. Чем тоньше база, тем больше предельная частота, на которой может работать транзистор.
Поэтому в основном все высокочастотные транзисторы изготовляют диффузионным способом.
Обратите внимание на расположение выводов у сплавного и диффузионного транзисторов малой мощности (рис. 91). В первом случае сам кристалл становится базой, а во втором случае — коллектором. Кристалл устанавливают на кристаллодержатель, и он оказывается электрически соединенным с корпусом. Поэтому у большинства сплавных транзисторов средний вывод, соединенный с корпусом, — это вывод базы, а у многих диффузионных транзисторов средний вывод — это вывод коллектора. Чтобы не перепутать эмиттер с базой (это может кончиться трагично, если, например, подключить коллекторную батарею между коллектором и эмиттером и оставить «висящую базу»; см. рис. 89), на самом корпусе возле вывода эмиттера ставят желтую или белую точку.
Если диффузионная технология позволяет получать лучшие транзисторы, работающие не только на низких, но и на высоких частотах, то почему вообще не отказаться от сплавных транзисторов, которые работают только на низких частотах и производство которых порождает ненужное разнообразие типов приборов? Ответ на это наивное «почему» весьма прост: пока еще сплавные транзисторы делать проще и стоят они пока значительно дешевле. Представьте себе, что вы пришли в магазин, чтобы купить маломощный транзистор для усилителя НЧ, и вам предложили на выбор диффузионный триод стоимостью 2 рубля и сплавной — стоимостью 30 копеек. Конечно же, вы купите сплавной транзистор, который в низкочастотном усилителе работает не хуже диффузионного, а стоит во много раз дешевле.
Подобными соображениями руководствуются и разработчики радиоэлектронной аппаратуры, и специалисты, создающие сами полупроводниковые приборы. Задумываясь о том, нужно или не нужно производить какой-либо тип полупроводникового прибора, приходится учитывать не только его электрические характеристики, но и ту цену, которую за эти характеристики нужно заплатить. Потому что в итоге копейки и рубли стоимости транзистора, как, впрочем, любые рубли и копейки, пересчитываются во многие тысячи киловатт-часов электроэнергии, во многие тонны дорогостоящих материалов, во многие миллионы часов бесценного рабочего времени.
Сравнительная простота производства и невысокая стоимость — вот основные достоинства сплавных транзисторов, благодаря которым они остаются вне конкуренции во многих областях применения: в усилителях НЧ, ключевых схемах, генераторах импульсов и др.
Несколько слов еще об одном из многих методов производства транзисторов — о планарной технологии. Это новое направление, которое считается наиболее перспективным, использует для создания pn-переходов диффузию примесей.
Отличительная особенность планарной технологии в том, что все основные процессы создания pn-переходов в кристалле происходят с применением своего рода маски — тонкого защитного покрытия поверхности кристалла. Благодаря этому отпадает ряд трудных операций, а поверхность кристалла оказывается защищенной от всякого рода вредных воздействий. В результате получаются транзисторные структуры более высокого качества, в частности с меньшим поверхностным током, который суммируется с вредным обратным током коллектора Iко. Существует мнение, что применение планарной технологии позволит настолько уменьшить величину Iко, что во многих схемах вообще отпадет необходимость температурной стабилизации режима транзистора.
