Главная Промышленная автоматика.

р=ии


Метод пара и диффузии

л. - Так начнем с вопроса о мощности. Кто говорит ватты - говорит калории. Для получения достаточной мощности при небольшом напряжении, типичном для транзисторов, необходимо прибегать к большим токам.

Н. - Разумеется, потому что мощность равна напряжению, умноженному на ток.

Л.- Браво! Но эти токи, проходя через переходы, имеющие малое сечение, выделяют на них тепло, а ты знаешь, как плохо полупроводники выдерживают температуру.

Н. - И какое же средство против этого ты предлагаешь?

Л. - Прежде всего нужно увеличить сечение полупроводника, следовательно, делать транзисторы с относительно большой площадью. Затем следует облегчить отвод тепла, укрепив для этого коллектор на большой металлической пластинке, служащей радиатором. Медь является прекрасным проводником тепла, ее и рекомендуется использовать для этой цели.

Н. -Значит, рациональное использование транзисторов требует применения законов теплотехники. Если я правильно понял, мне следует заняться изучением и этой науки, бедная моя головушка!

Л. - 5спокойся, Незнайкин, для расчета распространения тепла можно пользоваться правилами расчета тока в электрических цепях; получаемые результаты вполне убедительны... Но вернемся к мощным транзисторам. Я должен тебе сказать, что их часто изготовляют методом диффузии. Поместив пластинки полупроводника в атмосферу газа, содержащего пары примесей, которые должны образовать эмиттер и коллектор, нагревают полупроводниковые пластинки до температуры, близкой к их точке плавления. Атомы примесей постепенно проникают в полупроводник. Операция длится несколько часов. Это означает, что, дозируя содержание примесей в газе и регулируя длительность диффузии, можно точно определять глубину проникновения примесных атомов в материал базы. Кроме того, этот метод позволяет получать эмиттер и коллектор с необходимой для мощных транзисторов большой площадью.

Н. - Тем лучше, но что же тогда препятствует работе транзисторов на высоких частотах?

v "pV 75«два препятствия


л.- Два фактора: время пробега и емкость. Н. - О каком пробеге ты говоришь?

Л. - О проходе носителей заряда через базу от эмиттера к коллектору. Этим временем пренебрегать нельзя, потому что, как я тебе уже говорил, электроны и дырки перемещаются с довольно ограниченными скоростями. Возьмем, например, электроны, пробегающие за секунду 40 м. Допустим, что нам удалось сделать базу толщиной в 0,1 мм. Значит, для пробега этого пути электрону потребуется 2,5 мксек, Н. - Ну, это ие 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 мксек, и нашему электрону-увальню за время его неторопливого путешествия через базу придется дважды менять темп. Вот мы и столкнулись с тем.что транзистор не способен усиливать токи, частота которых превышает несколько сотен килогерц. 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 также учитывать второй опасный фактор: емкости р-п переходов.

Н. - А Чем эти емкости нам мешают?

Строго говоря, частотный предел работы транзистора определяется не временем пробега носителей через базу (это привело бы лишь к задержке усиливаемого сигнала), а отличием времени пробега для отдельных носителей, в результате чего происходит «размываиие> усиливаемого сигнала Однако разброс времени пробега прямо пропорцноиалеи идущему в расчет среднему значению времени пробега, так что в конечном счете это время ограничивает частотный предел транзистора. Прим, ред.



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 вместо того, чтобы идти по предназначенной им дороге, 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.

Тетрод, который им не является

л.-Правильно. Попутно заметь, что есть окольный способ снизить эффективную емкость, ие уменьшая при этом чрезмерно площади переходов, что сильно бы ограничило 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


-е»

Иоллентор

База Не

Рис. 37. Принцип действия полупроводникового тетрода. Контакт с потенциалом -б е, помещенный напротив вывода базы, отталкивает электроны, сокращая эффективное сечение базы.

с противоположной от основного вывода стороны и его потенциал имее! противоположный знак (рис. 37). В этих условиях только часть эмиттер-иого перехода, прилегающего к основному выводу базы, получает прямое смещение, обеспечивающее вспрыскивание носителей зарядов. Соответственно поток этих носителей приживается к одной стороне базы, и таким образом удается значительно снизить эффективное сечение транзистора, что приводит к уменьшению роли емкостей р-п переходов

Тменыиение толщины базы

Н. - Совсем неглупо придумали - придушить поток электронов или дырок! Но каким образом удается уменьшать 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 - вот и весь фокус.

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, атом за атомом 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).

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


Е.мкость коллекторного перехода у тетрода остается такой же, как у триода с аналогичной геометрией. Уменьшение роли этой емкости на высоких частотах обусловлено снижением сопротивления области базы из-за того, что активная часть базы размещается в непосредственной близости от основного вывода базы. Прим. ред.





л. -Измеряя электрическое сопротивление между двумя струйками жидкости. Изготовленные этим способом транзисторы (их называют п о-верхностно-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 р-п-р, берут пластинку полупроводникового материала типа р....


база

Рнс. 38. процесс изготовления поверхностно-барьерного транзистора и разрез такого транзистора.

Н. - Ты ошибаешься, Любознайкии.

л. - Совсем нет. Сейчас ты увидишь, как все происходит. Пластинку подвергают действию паров только с одной стороны. Пары одновременно содержат примесн обоих типов, причем одна из примесей (обычно доиор-

- ная) имеет скорость проникновения несколько большую, чем другая (акцепторная)", но концентрация последней выше. В результате впереди слоя типа р образуется тонкий слой типа п и мы имеем транзистор структуры

-р-п-р, у которого база может иметь толщину всего лишь в одну тысячную ,долю миллиметра (1 мк) 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-п-р - доноров) с тем, чтобы увеличить проводимость. При этом проникающие в базу электроны получают значительное ускорение, что позволяет отодвинуть частотный предел транзисторов до 1 ООО 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?


Отдаление 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 п, но увеличил бы расстояние между электродами.

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

Н. - Черт возьми! Меня еще раз опередили!

Эмиттер

Эмитте£

\база

п f

Иоллеитар

Коллектор

Ваза

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





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

0.0035