Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

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.

Еще каких-нибудь десять лет назад, когда транзисторов было очень мало, буквально пять — десять типов, их нетрудно было знать наперечет. Разобраться же в нынешнем ассортименте полупроводниковых приборов уже не так просто. Чтобы облегчить эту задачу, можно прежде всего разделить все транзисторы на три группы малой мощности (наибольшая выходная мощность около 0,1 вт), средней мощности (около 0,5 вт) и большой (более 1,5 вт) мощности (рис. 93). Часто применяют еще более простое деление транзисторов: на мощные (2 вт и более) и маломощные (около 0,1 вт). На эти три или даже две группы можно разделить все многообразие транзисторов широкого применения.

Рис. 93. Все многообразие транзисторов можно разбить на несколько основных групп.

Внутри каждой группы целесообразно разделить транзисторы на низкочастотные (сплавные) и высокочастотные (диффузионные). И, наконец, для порядка следует ввести еще одно разделение транзисторов — в зависимости от их структуры (р-n-р или n-р-n) и исходного материала (германий или кремний). Как видите, получилось сравнительно небольшое число основных групп, и среди них четыре главные группы — маломощные транзисторы ВЧ и НЧ и мощные транзисторы ВЧ и НЧ. Это, конечно, грубое деление, не учитывающее многих важных показателей, однако же внутри каждой из четырех групп даже разные транзисторы очень часто могут заменять друг друга.

О принадлежности транзистора к той или иной основной группе говорит само его название (исключение составляют лишь довольно старые транзисторы, такие, как П4).

В названии транзисторов, разработанных до 1964 года, первая буква «П» происходит от слова «плоскостной» и относится ко всем без исключения транзисторам. Затем следуют цифры, значение которых указано в таблице 8. Пользуясь этой таблицей, можно, например, определить, что П403 — это маломощный германиевый высокочастотный (диффузионный) транзистор, П201 — мощный германиевый низкочастотный (сплавной) транзистор, П501 — маломощный кремниевый высокочастотный транзистор и т. д. Аналогично формируются названия приборов, созданных после 1964 года (таблица 9).

Таблица 8

Обозначения некоторых типов полупроводниковых приборов, выпускавшихся до 1964 года. (Для некоторых приборов, выпускаемых после 1964 года, и по сей день сохраняются старые обозначения.)

Первый элемент обозначения: буква Д — диоды, буква П (или МП) — транзисторы. Второй элемент — цифра, обозначающая конкретный тип прибора. Третий элемент обозначения — буква — разновидность приборов данного типа, имеющая некоторое отличие в параметрах. Ниже приведены значения некоторых цифр во втором элементе обозначения.

Диоды:

Точечные германиевые… от 1 до 100

Точечные кремниевые… от 101 до 200

Плоскостные кремниевые… от 201 до 300

Плоскостные германиевые… от 301 до 400

Стабилитроны… от 801 до 900

Варикапы… от 901 до 1000

Туннельные диоды… от 1001 до 1100

Транзисторы:

Маломощные германиевые низкочастотные… от 1 до 100

Маломощные кремниевые низкочастотные… от 101 до 200

Мощные германиевые низкочастотные… от 201 до 300

Мощные кремниевые низкочастотные… от 301 до 400

Маломощные германиевые высокочастотные… от 401 до 500

Маломощные кремниевые высокочастотные… от 501 до 600

Мощные германиевые высокочастотные… от 601 до 700

Таблица 9

Обозначения некоторых типов полупроводниковых приборов, выпускаемых после 1964 года

Первый элемент обозначения: буква Г (или цифра 1) — германиевый, буква К (или цифра 2) — кремниевый. Второй элемент обозначения: буква Д — диоды, Т — транзисторы, В — варикапы, А — диоды для сверхвысоких частот, Ф — фотоприборы, И — туннельные диоды, С — стабилитроны и т. д. Третий элемент обозначения — цифра — конкретный тип прибора. Четвертый элемент обозначения — буква — разновидность приборов данного типа, имеющая некоторые отличия в параметрах.