Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Знания, приобретенные в предыдущих разделах книги, вполне достаточны, чтобы разобрать приведенные в этой главе практические схемы. Однако, прежде чем приступать к описанию конкретных схем, нам нужно сделать еще один и, кстати, очень важный для будущей практической работы шаг. Нам нужно познакомиться с конкретными типами транзисторов.

Если заглянуть в справочник по полупроводниковым приборам, то прежде всего бросается в глаза огромное количество типов транзисторов и диодов — многие десятки диодов с разными названиями, многие десятки разных транзисторов. Нужно ли такое многообразие? Нельзя ли обойтись несколькими основными типами диодов и транзисторов или, может быть, каким-нибудь одним универсальным, пригодным на все случаи жизни прибором? На эти вопросы приходится отвечать уклончиво — и да и нет.

Одним универсальным типом прибора — одним диодом или одним транзистором— обойтись, конечно, нельзя. Потому что нет, в частности, идеального диода, который и большой ток пропускал бы, и высокое обратное напряжение терпел бы (напоминаем о примечании на стр. 26), и малой емкостью обладал бы, и еще ко всему имел бы незначительный обратный ток и слабую зависимость параметров от температуры. Такой диод изготовить невозможно, а по некоторым показателям принципиально невозможно. Вот и приходится создавать разные приборы, принося в одном случае в жертву выпрямленный ток ради уменьшения емкости, в другом случае жертвуя допустимым напряжением ради выпрямленного тока, в третьем случае снижая все предельные параметры для уменьшения габаритов и т. д. Так появляется в наших справочниках несколько типов диодов, каждый из которых имеет свои отличительные особенности и свои области применения.

То же самое можно сказать и о транзисторах. В некоторых случаях приходится жертвовать частотными свойствами триода, мириться со сравнительно низкой предельной частотой усиления ради того, чтобы получить большую мощность. В других случаях конструкторы умышленно разрабатывают приборы с малыми размерами рn-переходов, а значит, со сравнительно небольшой выходной мощностью, пытаясь тем самым уменьшить собственные емкости транзистора и ослабить его влияние на высокочастотные цепи. В третьем случае приходится идти на ухудшение усилительных свойств транзистора, чтобы ослабить влияние температуры на его параметры. Одним словом, при разработке транзисторов, так же как и при разработке диодов, приходится в разных случаях приносить разные жертвы и создавать таким образом различные типы приборов для разных областей применения.

Есть еще два обстоятельства, определяющих ассортимент полупроводниковых приборов, в частности транзисторов. Одно из этих обстоятельств весьма неприятно, так как оно приводит к излишнему расширению ассортимента. Второе обстоятельство, наоборот, позволяет бороться с разбуханием ассортимента транзисторов, помогает создавать полупроводниковые приборы «без жертв», то есть обладающие сразу многими ценными свойствами.

То, что разработчики вынуждены создавать транзисторы нескольких разных типов, это, как говорится, еще полбеды.

Разные типы транзисторов плодятся при самом их производстве, причем у каждого основного типа появляется сразу несколько подтипов. Давайте для примера посмотрим, как и почему размножается семейство простейшего сплавного полупроводникового триода со структурой р-n-р.

Сплавной транзистор с такой структурой получается в результате большого числа сложных и тонких технологических операций, некоторые из них названы на рис. 90.

Рис. 90. Производство транзистора — это большой комплекс сложных технологических операций.

При вытягивании кристалла германия в него вводится донорная примесь, и во всем кристалле создается n-проводимость. Затем кристалл разрезают на плоские пластины, которые тщательно шлифуют и в свою очередь разрезают на мелкие кристаллики. Каждый такой кристаллик — основа транзистора, его будущая база, в которую нужно вплавить эмиттер и коллектор.

Для вплавления эмиттера основной кристаллик с проводимостью р-типа помещают в небольшую металлическую кассету (рис. 91) и туда же укладывают заранее приготовленную микроскопическую крупинку индия. Затем кассету закрывают и устанавливают в печь, температура в которой достигает 500 градусов. В этой печи индий вплавляется в кристаллик германия, и в месте вплавления образуется эмиттерный рn-переход.

Рис. 91. Основные этапы производства сплавных и диффузионных транзисторов.

Затем кассету вынимают, переворачивают и с противоположной стороны вводят вторую крупинку индия, несколько большей величины, чем первая. Еще одна установка в печь, еще одно вплавление индия в германий — и еще один, на этот раз коллекторный pn-переход готов. Мы расчленили весь процесс лишь для наглядности: обычно эмиттер и коллектор вплавляют одновременно, при этом в печь устанавливают сразу большое количество кассет.

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.