Главная Промышленная автоматика.

л. - Ошибаешься. Процесс основан на том явлении, что примеси, стремясь остаться в жидкой зоне, уходят из тех частей германиевого слитка, которые, охлаждаясь, начинают затвердевать. Таким способом их постепенно сгоняют от одного конца бруска германия к другому и после повторения этой процедуры несколько раз обрезают конец стержня, в котором собраны все примеси.

Н. - И его выбрасывают?

Л. - Нет, потому что германий стоит очень дорого. Его повторно используют при очистке следующей порции германия.

Н. - Это заставляет меня думать, что наша Гора вчера испытала на себе зонную очистку...

Л. - Кто такая Гора, и что за чепуху ты мне рассказываешь?

Н. - Гора - наша кошка (мы ее так зовем, потому что она наполовину ангорская). Обычно очень чистая, она, должно быть, связалась с дурной компанией и нахватала блох. Проведя гребнем много раз от головы до хвоста, мы ее освободили от ее примесей... Но как устроен гребень для германия? Я хочу сказать, каким образом удается расплавить узкую зону германия?



Высокочастотный нагрев

Л. - Делается это с помощью индукционного высокочастотного нагрева. Короткая катушка из нескольких витков охватывает зону плавления, по катушке пропускается от мощного генератора ток высокой частоты. Магнитное иоле этой катушки наводит в массе германия токи, которые нагревают находящийся внутри катушки участок слитка до плавления (рис. 34).

Н. - Это же самое делали моему дяде Жюлю!

Л.- Что сделали твоему дяде? Что, у него тоже были блохи?

Н. - Нет, из-за злополучного падения его коленный сустав заполнился синовиальной жидкостью, и ему делали высокочастотную диатермию.


Рис. 34. Зонная плавка осуществляется нагреванием находящегося в тигле германия с помощью токов высокой частоты, протекающих по катушке, которая медленно перемещается от одного конца тигля к друго.чу. Тигель помещен в кварцевую трубку, заполненную азотом или водородом.


Кварцевая тру5на

Л. - Я понимаю. Колено помещают между двумя хорошо изолированными электродами, к которым подводят напряжение высокой частоты. Созданное таким образом электрическое поле благодаря потерям в диэлектрике нагревает сам больной орган. Но в отличие от этого при индукционном нагреве, используемом в зонной очистке, нагрев создается магнитным полем, которое наводит токи в массе полупроводника. Чудесная особенность высокочастотного нагрева заключается в том, что как при действии электрического поля на изолятор, так и при действии магнитного поля на проводник нагрев внутренних частей происходит ие из-за постепенного проникновения тепла от периферийных частей, а одновременно на всю глубину, как это рекомендуется при приготовлении хорошего бифштекса...

Н. - Но вернемся к нашему германию. Катушка медленно двигается от одного конца тигля к другому...

Л. - ...если только не сам тигель медленно движется внутри катушки, что дает такой же результат. В действительности устанавливается несколько катушек на определенном расстоянии одна от другой с тем, чтобы за один проход тигля получить несколько зон плавления, чередующихся с зонами затвердевания. Результат получается такой же, как если бы вдоль слитка германия несколько раз прогнали одну зону плавления. Я хочу подчеркнуть, что германий движется очень медленно: один миллиметр в минуту.

Н. - А что делают с кремнием?

Л. - То же самое, только при более высокой температуре; если германий плавится при 940° С, то для плавления кремния нужно 1 420° С.





После очистки-кристаллизация



Н. - А почему таким образом очищенный полупроводниковый материал нельзя непосредственно использовать для изготовления транзисторов? Разве он не кристаллический?

Л. - Он кристаллический, но это еще не такие кристаллы, какие нужны нам. После зонной очистки слиток состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Нам же нужна исключительно правильная, единая для всего куска германия кристаллическая решетка, ориентацию которой мы должны знать. Такую единую решетку, образующую монокристалл, получают путем выращивания кристалла вокруг маленького кристаллика, именуемого <!!затравкой» Н. - В свое время я забавлялся, выращивая красивые кристаллы: для этого в стакан с крепким раствором поваренной соли я опускал нитку с приклеенным крохотным кристалликом соли. За неделю вокруг этого кристаллика образовывался чудесный прозрачный куб. Не таким ли способом выращивают кристаллы полупроводника?

JI- - Принцип тот же, но вместо раствора используют очищенный германий в расплавленном состоянии. В него опускают заТравку, укрепленную на нижней части стержня, который вращается вокруг своей оси и одновременно очень медленно поднимается (рис. 35). Вокруг затравки атомы германия (или кремния) выстраиваются в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевает, обволакивая затравку. В результате этого процесса через несколько часов получают монокристаллический стержень диаметром в несколько сантиметров, длиной до 30 см, весом в 1 /сг и больше. Из него можно сделать тысячи транзисторов.

Н. - Одним словом, этот монокристалл представляет собой полупроводник высокой чистоты.

Л.- Нет, я забыл сказать тебе, что в расплавленную массу, нз которой вытягивают монокристаллы, добавляют примесь типа р или типа л, так как для изготовления транзистора обычно требуется материал, содержащий определенную примесь в нужном количестве. Тогда одна из областей будущего транзистора, например база, уже будет готова.


Затраена

Тигель

Рис. 35. Вытягивание монокристалла. Находящийся в тнгле полупроводниковый материал поддерживается в расплавленном состоянии с помощью высокочастотного нагрева.


Л теперь немного механики

Н. - Ты сказал мне, что из одного монокристалла делают тысячи транзисторов; значит ли это, что его дробят на мелкие кусочки?

Л. - Разумеется. Для начала монокристалл режут, как обычную колбасу, на ломтики или пластинки толщиной от 0,1 до 2 мм. Такая тонкая операция производится алмазной дисковой пилой. Можно применять также ленточную пилу, состоящую из вольфрамовых нитей с абразивным покрытием. Затем каждая пластинка в свою очередь разрезается иа маленькие квадратики со стороной в несколько миллиметров. Один такой квадратик с размерами 2 X 2 жл1 при толщине 0,5 мм весит всего лишь одну сотую грамма. Ты можешь подсчитать, что теоретически одного монокристалла в 5 /сг достаточно на полмиллиона транзисторов! В действительности же при обработке немалая часть монокристалла превращается в отходы, что снижает выход готовых транзисторов.

Метод чередующихся ядов

Н. - Все же их получится внушительное количество, даже если предположить, что половина материала идет в отходы. Однако как эти чешуйки германия превращают в готовые транзисторы?

Л. - <!!Отравляя» такую чешуйку с обеих сторон примесью другого типа по сравнению с содержащейся в самой чешуйке. Например, если



чешуйка вырезана из монокристалла с примесью типа п, то с обеих сторон в чешуйку вводят примесь типа р с тем, чтобы образовать эмиттер и коллектор транзистора типа р-п-р.

Н. -Уважаемый Любозиайкин, у меня есть блестящая идея: почему бы ие выпускать «полностью испеченные» транзисторы, вводя обе примеси сразу же при вытягивании кристалла. Например, в начале вытягивания в расплавленную массу полупроводника можно было бы бросить примесь типа р, хотя бы индий. Затем после образования зоны р и выведения ее из расплава в последний можно было бы бросить примеси типа л, например мышьяк, чтобы получить зону с проводимостью типа л. Затем следовало бы добавить индия, чтобы акцепторы стали основными носителями зарядов, что снова дало бы нам зону р, и т. д. В конечном итоге мы получили бы стержень германия с чередующимися зонами типов рил. Достаточно было бы разрезать его на пластинки с зоной типа п посередине, чтобы получить транзисторы типа р-п-р, и с зоной типа р посередине, если мы захотим получить транзисторы типа п-р-п., Согласись, Любозиайкин, что иногда мне приходят гениальные идеи!

Л.- Чем я любуюсь в тебе, так это твоей скромностью... К сожалению, в твоей идее нет ничего нового. Она давно известна и лежит в основе изготовления так называемых выращенных или «тянутых» переходов. Метод этот неэкономичен, так как полученные с его помощью зоны обладают довольно большой толщиной. Кроме того, прибавляя каждый раз примесь то одного типа, то другого, непрерывно повышают содержание примесей в поочередно образуемых зонах, что также не лишено недостатков. Тем не менее метод выращивания переходов применяется еще и в наши дни, особенно при изготовлении транзисторов из кремния.

Сплавные транзисторы

Н. - я еще раз убеждаюсь, что родился слишком поздно.. Но вернемся к нашим чешуйкам - объясни мне, как на них формируют эмиттер и коллектор.

Л. - Для этого в зависимости от желаемой структуры транзистора применяют различные методы Чаще всего процесс сводится к «отравлению» базы, т. е. введению в нее примесей другого типа, чем содержащиеся в материале базы. Наиболее простой и наиболее часто используемый метод заключается в накладывании на обе стороны пластинки гер-



Рис. 36. Схематический разрез сплавного транзистора структуры р-п-р.

Коллектор

Эмиттер

Тбаза

мания типа л, служащей базой, маленьких кусочков («навесок») индия и быстром нагревании примерно до 600° С. При этой температуре индий сплавляется с находящимся под ним слоем германия, несмотря на то, что сам германий плавится только при 940° С. При остывании насыщенные индием области сплавления рекристаллизуются и приобретают проводимость типа р. Так получают транзистор структуры р-л-р (рис. 36). Как L мы уже говорили раньше, пластинка, образующая коллектор, больше \ пластинки эмиттера. Это облегчает тепловой режим транзистора (на кол- X лекторе рассеивается большая мощность) и улучшает его усилительные свойства. Операцию сплавления проводят при тщательно подобранных температуре и времени нагрева, добиваясь того, чтобы остающаяся между расплавленными областями часть чешуйки, образующая базу, составляла менее одной двадцатой доли миллиметра. Транзисторы, изготовленные таким способом, называются сплавными; они пригодны для самых различных применений в области низких и умеренно высоких частот (на длинных и средних волнах).

Н. - Ты опять говоришь мне о двух трудностях, с которыми мы сталкиваемся при применении транзисторов: о повышенных значениях мощности и частоты. Я хотел бы получить некоторые разъяснения по этому вопросу.






0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [11] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

0.0046