Транзистор?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Н. — Ну, это не так много.

Л. — И тем не менее для сигнала частотой в 1 МГц это слишком много, так как период такого колебания имеет длительность всего лишь 1 мкс и нашему электрону-увальню за время его неторопливого путешествия через базу придется дважды менять теми. Вот мы и столкнулись с тем, что транзистор не способен усиливать токи, частота которых превышает несколько сотен килогерц[8].

Н. — Какая трагическая ситуация! И я вижу один только выход: уменьшить толщину базы. Это возможно?

Л. — Да, и я расскажу тебе о средствах достижения этой цели. Но надо учитывать второй опасный фактор: емкости р-n переходов.

Н. — А чем эти емкости нам мешают?

Л. — Разве ты забыл о том вреде, который причиняют паразитные емкости в ламповых схемах? Здесь они вызывают те же трудности. Емкостное сопротивление, которое они оказывают прохождению тока, тем меньше, чем выше частота токов. В результате токи высокой частоты не идут по предназначенной им дороге, а удирают через паразитные емкости.

Н. — Действительно, эти емкости подобны ячейкам в решете, которое способно удержать только крупные орехи, а если попытаться наполнить его горохом, то он весь высыплется… Следовательно, чтобы наш транзистор работал на высоких частотах, нужно уменьшить площади эмиттера и коллектора. Ведь это должно уменьшить их емкости.

Л. — Правильно. Попутно заметь, что есть окольный способ снизить эффективную емкость, не уменьшая при этом чрезмерно площади переходов, что сильно ограничило бы рассеиваемую мощность. Это осуществлено в полупроводниковом тетроде. Я спешу сказать тебе, что работа этого прибора не имеет никакой аналогии с работой вакуумного тетрода… Здесь четвертый электрод размещается на базе с противоположной от основного вывода стороны и его потенциал имеет противоположный знак (рис. 37).

Рис. 37. Принцип действия полупроводникового тетрода. Контакт с потенциалом —6 В, помещенный напротив вывода базы, отталкивает электроны, сокращая эффективное сечение базы.

В этих условиях только часть эмиттерного перехода, прилегающего к основному выводу базы, получает прямое смещение, обеспечивающее впрыскивание носителей зарядов. Соответственно поток этих носителей прижимается к одной стороне базы, и таким образом удается значительно снизить эффективное сечение транзистора, что приводит к уменьшению роли емкости р-n переходов[9].

Н. — Совсем неглупо придумали — сузить поток электронов или дырок! Но каким образом удастся уменьшить толщину базы?

Л. — Это достигается путем вырезания с каждой стороны базы своего рода воронок или лунок. Донышки обеих лунок разделяет в этом случае расстояние всего лишь в несколько микрон. Затем в них осаждают немного индия.

Н. — Тебя послушаешь, так это очень просто. Но я сомневаюсь в точности инструмента, используемого для вырезания этих углублений.

Л. — Этим инструментом служат очень тонкие струйки жидкости, по которым через германий проходит постоянный ток. В результате электролиза, а именно на этом явлении и основан процесс обработки, атомы отрываются от полупроводника. В конце операции изменяют направление тока и благодаря тому же электролизу атомы индия из соответствующего электролита осаждаются на поверхность только что вырезанных углублений (рис. 38).

Рис. 38. Процесс изготовления поверхностно-барьерного транзистора и разрез такого транзистора.

Н. — Чудесно! Но как точно узнают тот момент, когда база стала достаточно тонкой?

Л. — Измеряя электрическое сопротивление между двумя струйками жидкости. Изготовленные этим способом транзисторы (их называют поверхностно-барьерными) могут использоваться на частотах, достигающих 100 МГц.

Н. — Во всяком случае, они должны хорошо работать в диапазоне коротких волн.

Л. — Другой способ уменьшения толщины базы заключается в применении двойной диффузии. Чтобы сделать транзистор структуры p-n-p берут пластинку полупроводникового материала типа р…

Н. — Ты ошибаешься, Любознайкин.

Л. — Совсем нет. Сейчас ты увидишь, как все происходит. Пластинку подвергают действию паров только с одной стороны. Пары одновременно содержат примеси обоих типов, причем одна из примесей (обычно донорная) имеет скорость проникновения несколько большую, чем другая (акцепторная), но концентрация последней выше. В результате впереди слоя типа р образуется тонкий слой типа n и мы имеем транзистор структуры р-n-р, у которого база может иметь толщину всего лишь в одну тысячную долю миллиметра (1 мкм) и который способен усиливать на частотах до 400 МГц.

Н. — Действительно, остроумное решение.

Л. — Не менее остроумен метод изготовления дрейфовых транзисторов, у которых прилегающий к эмиттеру слой базы содержит большее количество примесей (в случае структуры р-n-р доноров), с тем чтобы увеличить проводимость. При этом проникающие в базу электроны получают значительное ускорение, что позволяет отодвинуть частотный предел транзисторов до 1000 МГц.

Н. — Все лучше и лучше! А развивая твою мысль, нельзя ли уменьшить емкость между коллектором и базой, разведя эти электроды и не увеличивая при этом толщины базы?

Л. — А каким средством ты предполагаешь достичь этой цели?

Н. — Я хотел бы проложить между базой и коллектором слой нейтрального германия, который не имел бы проводимости ни типа р, ни типа n, но увеличил бы расстояние между электродами.

Л. — Это, мой друг, совсем неглупое предложение, и оно осуществлено в транзисторах под названном p-n-i-p, где буква i обозначает слой германия с собственной проводимостью (рис. 39).

Рис. 39. Две возможные структуры транзистора с зоной собственной проводимости между базой и коллектором.

Н. — Черт возьми! Меня еще раз опередили!

Л. — Весьма сожалею, Незнайкин… В заключение мне хотелось бы рассказать тебе еще об одной модели транзистора для высоких частот, в производстве которого используется метод двойной диффузии. Для изготовления такого транзистора берут полупроводник типа р, который будет служить коллектором, и методом диффузии создают слой примесей типа n, который будет служить базой. Затем с той же стороны также с помощью диффузии вводят примеси типа р, которые, сокращая толщину базы до величины 0,002 мм, образуют эмиттер.

Хитрость заключается в том, что последняя диффузия производится через маску, с тем чтобы подвергать воздействию только узкие полоски поверхности полупроводника. Эта поверхность после такой обработки (рис. 40, а) представляет собой чередующиеся полоски типа р (эмиттер) и n (база). Затем на эту поверхность наносят капельки воска так, чтобы каждая из них одновременно прикрывала и зону n, и зону р (рис. 40, б).

Диаметр такой капельки не превышает четверти миллиметра. Пластинку полупроводника после этого опускают в раствор, стравливающий не защищенные воском участки. Произведенное таким образом травление уменьшает толщину всей пластинки и обнажает исходный материал типа р повсюду, кроме маленьких участков, которые были покрыты воском. После удаления воска пластинка оказывается покрытой крохотными бугорками (рис. 40, в), к каждому из которых можно припаять выводы базы и эмиттера (они делаются из золотой проволоки диаметром 0,025 мм).

Рис. 40. Последовательные этапы изготовления мезатранзистора.

Н. — Как можно работать с такой тонкой проволокой?

Л. — Под бинокулярным микроскопом, но, конечно, предварительно пластинка полупроводника травится и разрезается на кусочки по числу бугорков, из которых каждый превращается затем в транзистор. Эти транзисторы называют «меза», название, которое в Южной Америке служит для обозначения горных плато с обрывистыми краями. Мезатранзисторы свободно преодолевают границу 100 МГц, т. е. работают на волнах короче 3 м.