Историческая справка
Первые патенты на принцип работы полевых
транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (в Канаде, 22 октября 1925 года) на имя австро-венгерского
физика Юлия Эдгара Лилиенфельда.[1][2] В 1934 году немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор. Полевые
транзисторы (в частности, МОП-транзисторы)
основаны на простом электростатическом
эффекте поля, по физике они существенно
проще биполярных транзисторов, и поэтому
они придуманы и запатентованы задолго
до биполярных транзисторов. Тем не менее,
первый МОП-транзистор, составляющий основу
современной компьютерной индустрии,
был изготовлен позже биполярного транзистора,
в 1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология
стала доминировать над биполярной.
В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное
представление изобретения и именно эта
дата считается днём изобретения транзистора.
По технологии изготовления он относился
к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике
«за исследования полупроводников и открытие
транзисторного эффекта». Интересно, что
Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской
премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.
Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве
электронных устройств, совершив революцию
в создании интегральных схем и компьютеров.
Первоначально название «транзистор»
относилось к резисторам, управляемым напряжением.
В самом деле, транзистор можно представить
как некое сопротивление, регулируемое
напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением
между затвором и истоком, в биполярных транзисторах —
напряжением между базой и эмиттером). —
током базы.
По основному полупроводниковому
материалу
Помимо основного полупроводникового
материала, применяемого обычно в виде
монокристалла, транзистор содержит в
своей конструкции легирующие добавки
к основному материалу, металлические
выводы, изолирующие элементы, части корпуса
(пластиковые или керамические). Иногда
употребляются комбинированные наименования,
частично описывающие материалы конкретной
разновидности (например, «кремний на
сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»).
Однако основными являются транзисторы
на основе кремния, германия, арсенида галлия.
Другие материалы для транзисторов
до недавнего времени не использовались.
В настоящее время имеются транзисторы
на основе, например, прозрачных полупроводников
для использования в матрицах дисплеев.
Перспективный материал для транзисторов —
полупроводниковые полимеры. Также имеются
отдельные сообщения о транзисторах на
основе углеродных
нанотрубок[3], о графеновых
полевых транзисторах.
По структуре
- Биполярные
- n-p-n структуры, «обратной проводимости».
- p-n-p структуры, «прямой проводимости»
В
биполярном транзисторе носители заряда движутся от
эмиттера через тонкую базу к коллектору.
База отделена от эмиттера и коллектора pn переходами. Ток протекает
через транзистор лишь тогда, когда носители
заряда инжектируются из эмиттера в базу
через pn переход. В базе они являются неосновными
носителями заряда и легко проникают через
другой pn переход между базой и коллектором,
ускоряясь при этом. В самой базе носители
заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому
база должна быть достаточно тонкой. Управления
током между эмиттером и коллектором осуществляется
изменением напряжения между базой и эмиттером,
от которой зависят условия инжекции носителей заряда
в базу.
- Полевые
- с p-n переходом
- с изолированным затвором
В
полевом транзисторе ток протекает от
истока до стока через канал под затвором.
Канал существует в легированном полупроводнике
в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей
заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно
под затвором существует область обеднения,
в которой тоже нет носителей заряда благодаря
образованию между легированным полупроводником
и металлическим затвором контакта Шоттки.
Таким образом ширина канала ограничена
пространством между подложкой и областью
обеднения. Приложенное к затвору напряжение
увеличивает или уменьшает ширину области
обеднения и, тем самым, ширину канала,
контролируя ток.
- Однопереходные
- Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона)[источник не указан 1259 дней]
- Многоэммитерные транзисторы
- Баллистические транзисторы
- Одномолекулярный транзистор[4]
Комбинированные транзисторы
- Транзисторы со встроенными
резисторами (Resistor-equipped transistors (RETs)) — биполярные транзисторы со
встроенными в один корпус резисторами.
- Транзистор Дарлингтона — комбинация двух биполярных
транзисторов, работающая как биполярный
транзистор с высоким коэффициентом усиления по току.
- на транзисторах одной полярности
- на транзисторах разной полярности
- Лямбда-диод — двухполюсник, комбинация
из двух полевых транзисторов, имеющая,
как и туннельный диод, значительный участок
с отрицательным сопротивлением.
- Биполярный транзистор
с изолированным затвором (IGBT) — силовой электронный прибор,
предназначенный в основном, для управления электрическими приводами
По мощности
По
рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
- маломощные транзисторы до 100 мВт
- транзисторы средней
мощности от 0,1 до 1 Вт
- мощные транзисторы (больше 1 Вт).
По исполнению
- дискретные транзисторы
- корпусные
- Для свободного монтажа
- Для установки на радиатор
- Для автоматизированных систем
пайки
- бескорпусные
- транзисторы в составе интегральных
схем.
По материалу
и конструкции корпуса
- металло-стеклянный
- пластмассовый
- керамический
Прочие
типы
- Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными
переходами. Ток туннелирования управляется
напряжением на затворе, связанном с ним
ёмкостной связью.[5]
- Биотранзистор
ТЕОРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Действие электронных
ламп основано на управлении током электронов,
идущих от нагреваемого электрода (катода)
к собирающему электроду (аноду). Катод
нагревается отдельным нагревательным
элементом. Для работы такого устройства
требуется значительное количество электроэнергии.
В полупроводниках не нужно подводить
энергию к нагревателю, чтобы получить
свободные электроны, а собирающие электроды
могут работать при весьма низких напряжениях.
Сопротивление полупроводников можно
контролируемо изменять. Это осуществляется
путем легирования полупроводника другими
химическими элементами. Более того, выбирая
тот или иной материал для легирования,
можно задавать нужный вид носителей электрического
заряда (положительные или отрицательные).
Поясним эту мысль. Все химические элементы,
встречающиеся в природе, можно расположить
в последовательный ряд по числу положительных
зарядов, начиная с водорода, имеющего
один положительный заряд в ядре атома
(заряд одного протона), и кончая ураном
с 92 протонами. Положительный заряд ядра
компенсируется оболочками окружающих
его электронов (рис. 1). Электроны внутренних
оболочек довольно прочно связаны с ядром.
Электроны же наружной оболочки связаны
слабее; в качестве валентных электронов
они могут участвовать в химических процессах,
а в качестве электронов проводимости
- переносить электрический заряд (электрический
ток в металлах есть поток электронов).
В таких металлах, как медь, электроны
внешних оболочек практически свободны
и под влиянием очень слабого электрического
поля способны переносить колоссальные
токи. Внешние электроны в диэлектриках
связаны прочно, поэтому диэлектрики практически
не проводят электричества. Полупроводники
- это промежуточный случай. Согласно фундаментальному
постулату физики, называемому уравнением
Больцмана, число N частиц с энергией дается
формулой N = A exp [[-E/kT]], где A - константа,
характеризующая материал, k - постоянная
Больцмана (= 8,6Ч10-5 эВ/К), а T - абсолютная
температура в кельвинах (К). Отсюда видно,
что чем прочнее связь и ниже температура,
тем меньше освобождается электронов.
Если в кремний, который четырехвалентен,
ввести фосфор, сурьму или мышьяк, каждый
атом которых имеет пять валентных электронов,
то один электрон легирующей примеси будет
лишним. Этот избыточный электрон связан
слабо и легко может действовать как электрон
проводимости. Если же в кремний ввести
бор, галлий или алюминий, каждый атом
которых имеет три валентных электрона,
то для образования всех связей будет
недоставать одного электрона. В этом
случае перенос тока определяется электронными
вакансиями, или "дырками". На самом
деле электроны под влиянием электрического
поля перескакивают от одной вакантной
связи к другой, что можно рассматривать
как перемещение дырок в противоположном
направлении. Электрический ток при этом
направлен так же, как и в случае электронов,
но по величине он меньше (у электронных
"дырок" противоположный знак заряда
и меньшая подвижность). В соответствии
с законом np = N 2 можно произвольно изменять
число электронов n или дырок p в единице
объема полупроводника, задавая нужное
число избыточных доноров или акцепторов
электронов. Полупроводники, в которых
электронов больше, чем дырок, называются
полупроводниками n-типа, а полупроводники,
в которых больше дырок, - полупроводниками
p-типа. Те носители, которых больше, называются
основными носителями, а которых меньше
- неосновными. Граница, отделяющая в кристалле
область p-типа от области n-типа, называется
p-n-переходом.
Рис. 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ
ОБОЛОЧКИ атома кремния, типичного полупроводникового
материала. В образовании химических связей
и в процессе проводимости могут участвовать
только четыре электрона внешней оболочки
(темные кружки), называемые валентными
электронами. Десять внутренних электронов
(светлые кружки) в таких процессах не
принимают участия.
p-n-Переход. В соединенных вместе кусочках
полупроводников n и p-типа ближайшие к
границе электроны будут переходить из
n-области в p-область, а ближайшие дырки
- навстречу им, из p-области в n-область.
Сам переход будет образован из положительно
заряженных доноров, потерявших свои электроны,
на n-стороне, и из отрицательно заряженных
акцепторов, потерявших свои дырки, на
p-стороне. При этом переход уподобляется
заряженному конденсатору, на обкладках
которого есть некоторое напряжение. Перетекание
электронов и дырок через переход прекращается,
как только заряженные ионы создадут на
нем напряжение, равное и противоположное
контактному потенциалу (напряжению),
обусловленному различием знака избыточного
заряда в полупроводнике. Если на переход
подать соответствующее внешнее напряжение,
то ионизуются (теряют свои электроны
и дырки) дополнительные доноры и акцепторы,
причем в таком количестве, что переход
только-только поддерживает приложенное
напряжение. Ценность перехода в том, что
он позволяет управлять потоком электронов
или дырок, т.е. током. Возьмем типичный
случай, когда p-сторона сильно легирована,
а n-сторона легирована значительно слабее.
Если на переход подать такое напряжение,
при котором p-сторона положительна, а
n-сторона отрицательна, то внешнее напряжение
скомпенсирует внутреннее, т. е. понизит
внутренний барьер перехода и тем самым
сделает возможным перетекание больших
количеств основных носителей (дырок)
через барьер. Так, подавая небольшое напряжение
в "прямом" направлении, можно управлять
большими токами. Если изменить знак внешнего
напряжения на обратный (так, чтобы p-сторона
была отрицательна, а n-сторона - положительна),
то оно еще больше повысит внутренний
барьер и полностью перекроет поток основных
носителей. (Правда, небольшому количеству
неосновных носителей будет легче перетекать
через барьер.) Если постепенно повышать
"обратное" напряжение, то в конце
концов произойдет электрический пробой,
и переход может оказаться поврежденным
из-за перегрева. Фактическое пробивное
напряжение зависит от вида и степени
легирования слабо легированной стороны
перехода. В устройствах разной конструкции
пробивное напряжение может изменяться
от 1 до 15 000 В. Таким образом, одиночный
p-n-переход может служить выпрямителем,
пропускающим ток в одном направлении
и не пропускающим в противоположном.
В прямом направлении возможны очень большие
токи при напряжении менее 1 В; в обратном
же направлении при напряжениях ниже пробивного
возможны лишь токи порядка пикоампера
(10-12А). Мощные выпрямители могут работать
при токах порядка 5000 А, тогда как в устройствах
для управления сигнальными токами токи
обычно не превышают нескольких миллиампер.
Транзистор. Обычный (биполярный) транзистор,
подобно сэндвичу, состоит из двух близко
расположенных ("спина к спине") переходов,
образующих две отдельные области. Поэтому
возможны два типа транзисторов: pnp и npn.
В транзисторе входная внешняя область
называется эмиттером, средняя область
- базой, а выходная внешняя область - коллектором.
На рис. 2 представлен транзистор npn-типа.
Если база ни к чему не присоединена, то
при всех напряжениях на коллекторе и
эмиттере ниже пробивного возможен лишь
ток утечки. При нормальной работе транзистора
в качестве усилителя на эмиттере имеется
некоторое напряжение прямого смещения,
а на коллекторе - обратного. Для создания
прямого смещения в область базы вводится
небольшой ток. При этом в диоде эмиттер
- база возникает слабое электрическое
поле, вследствие чего эмиттер инжектирует
в базу заряд. Если толщина базы достаточно
мала, то весь этот заряд собирается коллектором.
Поскольку напряжение эмиттер - база мало
(около 0,6 В), а напряжение коллектор - база
велико (как правило, 5-50 В), получается
большой выигрыш в напряжении, а также
в мощности, т.е. усиление. В транзисторе
npn-типа электроны инжектируются в базу
эмиттером с напряжением прямого смещения
под управлением малого дырочного тока
базы и собираются смещенным в обратном
направлении (положительным) коллектором.
В транзисторах pnp-типа ток дырок, инжектируемых
эмиттером, управляется электронами, которые
инжектирует база, и коллектор находится
под отрицательным потенциалом. Такова
суть транзисторного действия. В названии
транзистора (транзит, резистор) отражено
то, что ток под внешним воздействием пропускается
через слой повышенного сопротивления
- базу.
Рис. 2. ТРАНЗИСТОР
С p-n-ПЕРЕХОДОМ типа npn. Показаны эмиттер,
коллектор и база. Толщина p-слоя сильно
увеличена. Транзисторы такого типа применяются
в качестве усилителей.
ТРАНЗИСТОРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Выше мы рассматривали транзисторы
главным образом в теоретическом плане.
Рассмотрим теперь некоторые основные
технологии.
Точечные транзисторы. Первым прибором,
позволившим получить заметное усиление
тока, был точечный транзистор Браттейна
и Бардина. Такой транзистор представляет
собой кусочек германия n-типа, припаянный
к металлическому основанию, которое играет
роль базового контакта. Эмиттерным и
коллекторным контактами служат две заостренные
бронзовые проволочки, прижатые концами
к противоположной стороне германиевого
элемента (рис. 3). Если расстояние между
такими точечными контактами достаточно
мало (порядка нескольких десятков микрометров),
то можно получить коэффициент усиления
тока, превышающий единицу. Удовлетворительный
эмиттер можно сделать почти из любого
металла, но хороший коллектор обязательно
должен содержать примесь n-типа. Коллекторные
контакты формируются подачей на коллекторный
вывод импульса сильного тока. При этом
медь проволочки с большой скоростью диффундирует
в материал n-типа коллектора (германий)
и в небольшой области превращает его
в материал p-типа. Медленно же диффундирующий
материал примеси (скажем, фосфор) в непосредственной
близости от контакта снова превращает
материал в германий n-типа. В результате
образуется структура pnpn-транзистора
(транзистора с коллекторной ловушкой).
Теория, объясняющая работу точечного
транзистора образованием pnpn-структуры,
оказалась наиболее приемлемой.
Рис. 3. ТОЧЕЧНЫЙ ТРАНЗИСТОР,
изображенный схематически. Две заостренные
проволочки прижаты к полупроводниковому
кристаллу n-типа (германий), припаянному
к металлическому кристаллодержателю.
1 - латунный или иной кристаллодержатель;
2 - области p-типа; 3 - припой или золотой
сплав (контакт базы); 4 - кристалл n-типа;
5 - эмиттерный точечный контакт (бериллиевая
бронза); 6 - коллекторный точечный контакт
(фосфористая бронза); 7 - область n-типа.
Точечные транзисторы были трудно воспроизводимы
при изготовлении и неустойчивы во времени.
Когда в 1949 Шокли опубликовал свою теорию
транзистора с p-n-переходами, внимание
исследователей переключилось на транзисторы
с выращенными переходами.
Транзисторы с выращенными переходами.
Для изготовления первых точечных транзисторов
использовался поликристаллический материал
с неоднородными характеристиками. Для
выращенных переходов требовались германий
с содержанием загрязнений менее 1*10-8 и
технология, которая позволяла бы изменять
содержание примеси на величину порядка
1Ч10-7.
Зонная очистка. Самый эффективный способ
получения кристаллов германия нужной
степени чистоты - метод зонной очистки
(плавки) - был предложен в начале 1950-х годов
У. Пфанном. По этому методу слиток германия,
загрязненного примесями, длиной ок. 50
см помещается в графитовой лодочке в
длинную горизонтальную кварцевую трубу,
которая проходит через ряд нагревательных
индукционных катушек. Каждая из них создает
узкую зону расплавленного германия, перемешающуюся
вдоль слитка со скоростью ок. 25 см/ч. Примеси
вместе с движущимися зонами расплава
перемещаются к концу слитка, где их собирают
и удаляют в отходы. Германий, полученный
таким методом, - это, пожалуй, самый чистый
из существующих материалов. Далее требует
решения вопрос о легировании германия
в кристаллической форме.
Вытягивание кристаллов. Способ выращивания
кристаллов путем вытягивания из расплава
под названием метода Чохральского был
известен с 1918, но лишь примерно в 1950 он
был успешно применен в технологии полупроводников.
Индукционная катушка, окружающая графитовый
тигель с чистым германием, наводит токи
в графите, нагревая тигель выше точки
плавления германия. Все это устройство
помещено в прозрачную кварцевую трубу,
наполненную инертным газом, как правило
аргоном, который защищает поверхность
германия от газообразных загрязнений.
В расплав вводится примесь n-типа, обычно
в виде легированного германия, которая
позволяет сформировать коллектор транзистора.
Примесь быстро и равномерно распределяется
по расплаву. В расплав опускают затравку
в виде небольшого монокристалла и медленно
вытягивают ее. Германий затвердевает
на затравке, и за счет роста в боковом
направлении образуется кристалл диаметром
2,5 см. (Затравку и тигель с расплавом непрерывно
вращают для равномерного перемешивания.)
Когда образуется кристалл определенного
диаметра, его наращивают еще немного
и в расплав вводят небольшое количество
примеси p-типа. Эта примесь компенсирует
первоначальную примесь n-типа и, кроме
того, образует новую область кристалла.
Материал примеси p-типа быстро и равномерно
расходится по расплаву, образуя тонкий
слой базы p-типа. После этого еще добавляют
примесь n-типа для образования эмиттера,
а затем кристалл извлекают из расплава.
Хорошие транзисторы получаются, как правило,
при отношениях удельного сопротивления
добавок примеси примерно 1:10. Описанный
метод плох тем, что из расплава может
быть вытянут только один слиток, так как
содержание примеси в конечном (эмиттерном)
расплаве слишком велико, чтобы он мог
служить исходным (коллекторным) расплавом
для следующего слоя транзисторов. Но
был найден остроумный метод, позволяющий
устранить эту трудность. Примеси накапливаются
непосредственно перед перемещающейся
в расплаве границей между твердым и жидким
материалом. Степень накопления (концентрация)
примесей зависит от скорости роста твердой
фазы. Если доноры и акцепторы, введенные
в жидкую фазу, таковы, что одни из них
больше "предпочитают" твердую фазу,
чем другие, то при вытягивании кристалла
с чередованием ускорения и замедления
образуются чередующиеся слои n- и p-типа,
и в одном слитке можно получить целый
ряд транзисторных слоев. В результате
на большом кристалле образуется полупроводниковая
npn-структура, пригодная для изготовления
транзисторов (сэндвич). Разумеется, таким
же способом можно получать и слои pnp-типа.
Сэндвич отпиливают от кристалла и разрезают
в двух взаимно перпендикулярных направлениях
на отдельные транзисторные элементы
длиной ок. 3 мм с поперечным сечением 0,6ґ0,6
мм. Эти элементы протравливают для удаления
повреждений, возникших при разрезании,
и к концам припаивают выводы. Перемещая
с помощью микроманипулятора заостренную
проволочку толщиной 0,05 мм по поверхности
германиевого элемента, электрически
определяют участок p-типа проводимости
базы и импульсом малого тока приваривают
к нему базовый вывод. У транзисторов с
выращенными переходами также имеются
существенные недостатки, ограничивающие
возможности их применения. Коэффициент
усиления таких транзисторов не очень
велик. Частота, на которой возможно усиление,
ограничивается толщиной базы и при толщине,
равной 1 мм, не может быть больше ТРАНЗИСТОР5
млн. герц. Транзисторами с выращенными
переходами можно пользоваться для передачи
низкочастотных сигналов, но они непригодны
для цифровых схем и для коммутации. Однако
приборы такого типа подтвердили правильность
теории и указали путь к более сложным
и совершенным транзисторам.
Сплавные плоскостные транзисторы. Сплавной
плоскостной транзистор представляет
собой тонкую пластинку германия, в которую
с разных сторон вплавлены два шарика
из индия, образующих эмиттер и коллектор
(рис. 4).
Рис. 4. СПЛАВНОЙ ПЛОСКОСТНОЙ
ТРАНЗИСТОР типа pnp, показанный схематически
в разрезе. Представляет собой электронный
ключ, который открывается и закрывается
при изменении направления смещения. Разные
варианты такого устройства применяются
в компьютерах, телефонном оборудовании
и радиоприемниках.
Зонное выравнивание. Исходный
материал нужного качества получают методом
зонного выравнивания, который можно считать
разновидностью метода зонной очистки.
В один конец графитовой лодочки помещают
соответствующим образом ориентированный
затравочный кристалл германия, прижатый
к слитку поликристаллического Ge. В торце
слитка со стороны затравки имеется прорезь
с вложенными в нее небольшими пластинками
германия (n-типа), легированного сурьмой.
При помощи индукционной катушки осуществляют
однократное прохождение по слитку расплавленной
зоны материала, легированного сурьмой.
На фронте охлаждения зоны остается ровно
столько сурьмы, сколько нужно для получения
требуемого удельного сопротивления базы
n-типа. Такой метод дает слитки удовлетворительного
качества длиной ок. 50 см и диаметром 3
см. Транзисторы изготавливаются из слитков
методами массового производства. Тонкие
круглые германиевые пластинки шириной
около 2,5 мм, тщательно протравленные для
удаления повреждений, вызванных разрезанием,
загружаются виброустройством в многогнездный
держатель. Индиевые шарики засыпаются
в распределитель, который кладет по одному
шарику на каждую пластинку. Все устройство
перемещается через водородную печь; при
этом в пластинку вплавляется эмиттер.
Затем пластинки переворачивают, и процесс
повторяется с несколько более крупными
шариками для коллектора. Водород нужен
для очистки поверхности германия от окисла,
чтобы индий хорошо ее смачивал. Длительность
обработки в печи и температуру подбирают
так, чтобы толщина базы составляла примерно
0,025 мм. Кристаллическую ось германия выбирают
таким образом, чтобы граница раздела
между индием и германием была плоской
и параллельной одной из кристаллических
плоскостей германия. При этом два перехода,
приближающихся друг к другу с противоположных
сторон пластинки, оказываются параллельными
и могут быть подведены очень близко друг
к другу. При охлаждении германий снова
кристаллизуется на исходной пластинке.
Рекристаллизованная область теперь становится
областью p-типа, так как она сильно легирована
индием. К оставшемуся за ее пределами
индию можно припаять выводы. Транзисторы
npn-типа изготавливаются по аналогичной
технологии, но в этом случае в исходный
германий p-типа вплавляется ввод, легированный
сурьмой. Далее поверхность германия стабилизируют
легким протравливанием в щелочном растворе.
Затем транзистор высушивают в нагретом
воздухе с контролируемой влажностью
и герметизируют. Внутри герметического
стеклометаллического корпуса имеется
"геттерный" влагопоглотитель - обычно
крупинка пористого стекла. Контроль за
влажностью очень важен, так как коэффициент
усиления и токи утечки готового транзистора
сильно зависят от количества влаги на
поверхности германия вблизи перехода.
Сплавной германиевый транзистор может
служить хорошим электронным ключом (для
диапазона низких и средних частот), так
как сильно легированные области коллектора
и эмиттера имеют очень низкое сопротивление
(доли ома) и не ограничивают переключаемый
ток. Однако его граничная частота тоже
не превышает нескольких десятков мегагерц.
К сожалению, такой транзистор непригоден
для работы при высоких температурах (выше
70-80° C) из-за увеличения тока утечки (который
удваивается при повышении температуры
на каждые 12 К). Хотя на смену германиевому
транзистору со сплавными переходами
давно уже пришли кремниевые транзисторы,
значительные количества их еще производятся
для специальных применений, так как они
сравнительно недороги и не требуют больших
напряжений для смещения эмиттера в прямом
направлении.
Диффузионные германиевые транзисторы.
Уже на ранней стадии разработки транзисторов
стало ясно, что для улучшения высокочастотных
характеристик нужен другой метод контроля
толщины перехода. Таким методом явился
метод диффузии. Суть его в том, что полированная
очищенная тонкая пластинка германия
в течение двух часов выдерживается при
650° C под воздействием источника сурьмы.
(Для защиты поверхности от загрязнений
процесс проводится в атмосфере водорода.)
В результате образуется базовый слой
толщиной порядка 1 мкм. Алюминиевый эмиттер
вплавляется на глубину ок. 0,5 мкм. На поверхность
пластинки напылением в вакууме наносится
базовый контакт в виде полоски, отстоящей
на 12 мкм от эмиттерной. Затем германий
вокруг двух полосок вытравливается так,
что на пластинке остается ряд меза-структур,
каждая из которых содержит активные элементы
транзистора (рис. 5).
Рис. 5. ДИФФУЗИОННЫЙ
МИКРОТРАНЗИСТОР, сформированный на поверхности
довольно большого микрокристалла. Тысячи
таких микрокристаллов могут одновременно
обрабатываться методом диффузии. 1 - базовая
область p-типа; 2 - коллекторный переход;
3 - слой диоксида кремния; 4 - коллекторный
контакт; 5 - микрокристалл кремния; 6 - вывод
базы; 7 - эмиттерный вывод; 8 - электрическое
соединение золото - кремний; 9 - металлический
кристаллодержатель; 10 - напыленный электрод;
11 - эмиттерная область n-типа; 12 - эмиттерный
переход.
При толщине базы 0,5 мкм номинальная граничная
частота достигает 900 МГц, что значительно
больше, чем у приборов прежнего типа.
Этот успех позволил проектировать схемы,
рассчитанные на высокочастотные транзисторы. Высокочастотные германиевые
транзисторы нашли применение в электронных
схемах спутников связи и в подводных
кабелях. Однако для германия так и не
были реализованы потенциальные возможности,
предоставляемые, в принципе, диффузионным
процессом, и он был вытеснен кремнием,
у которого на много порядков величины
меньше токи утечки. Поэтому кремниевые
транзисторы могут работать при температурах
до 150° С, а не до 70° С, как германиевые.
Биполярные планарные транзисторы. Современные
кремниевые планарные биполярные транзисторы
почти полностью вытеснили германиевые
из схем на дискретных компонентах в электронной
промышленности и широко применяются
в интегральных схемах, где германий вообще
не используется. (Термин "планарные"
означает, что все переходы выходят на
поверхность, где они могут быть защищены
слоем диоксида кремния. Термин "биполярные"
означает, что используются носители обоих
типов - и электроны, и дырки, в отличие
от полевых транзисторов, о которых будет
сказано ниже.) Появление современного
транзистора стало возможным благодаря
успешному развитию фотолитографии, диффузии
и выращивания кристаллов. Вообще говоря,
существуют два вида транзисторных структур
- из объемного материала и эпитаксиальная.
Первая создается просто на поверхности
пластинки из "массивного" кремния.
Такой транзистор имеет тот недостаток,
что у него большое последовательное сопротивление
коллектора, нежелательное в случае переключающего
устройства. Этот недостаток отсутствует
при использовании эпитаксиального материала
- тонкого слоя кремния с высоким удельным
сопротивлением (в котором может быть
создана транзисторная структура), выращенного
поверх толстого слоя сильно легированного
материала.
Эпитаксиальные транзисторы. Эпитаксиальная
технология позволяет расширить рабочий
диапазон транзисторов, особенно ключевых,
за счет уменьшения последовательного
сопротивления коллектора. Она основана
на выращивании очень тонкого слоя полупроводника
(достаточного для формирования активных
элементов) поверх исходного слоя того
же самого материала (рис. 6). Этот эпитаксиальный
слой представляет собой продолжение
исходной кристаллической структуры,
но с уровнем легирования, необходимым
для работы транзистора. Подложку сильно
легируют (до содержания легирующей примеси
порядка 0,1%), тщательно полируют и затем
промывают, поскольку дефекты на поверхности
подложки сказываются на совершенстве
структуры эпитаксиального слоя. Выращивание
совершенного эпитаксиального слоя - очень
сложный процесс, требующий тщательного
выбора материалов и поддержания исключительной
общей чистоты в системе. Слой выращивается
методом химического осаждения из паровой
фазы, обычно из паров тетрахлорида кремния
SiCl4. При этом используется водород, который
восстанавливает SiCl4 до чистого кремния,
осаждающегося затем на подложке при температуре
ок. 1200° С. Скорость роста эпитаксиального
слоя - порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать.
Для легирования слоя в рабочую камеру
вводят мышьяк (примесь n-типа), фосфор
(n-тип) или бор (p-тип). Обычно выращивают
только один слой, но в некоторых случаях,
например при изготовлении многослойных
тиристоров, получают два слоя - один n-,
а другой p-типа. Толщина эпитаксиального
слоя составляет от нескольких микрометров
для сверхвысокочастотных транзисторов
до ТРАНЗИСТОР100 мкм для высоковольтных
тиристоров. Эпитаксиальный материал
дает возможность изготавливать транзисторы
для усилителей и электронных ключей.
В противоположность технологии мезаструктур,
при которой диффузия происходит равномерно
по всей поверхности полупроводника, планарная
технология требует, чтобы диффузия была
локализована. Для остальной части поверхности
необходима маска. Идеальным материалом
для маски является диоксид кремния, который
можно наращивать поверх кремния. Так,
сначала в атмосфере влажного кислорода
при 1100° С выращивают слой диоксида толщиной
ок. 1000 нм (это занимает примерно час с
четвертью). На выращенный слой наносят
фоторезист, который может быть сенситизирован
для проявления ультрафиолетовым светом.
На фоторезист накладывают маску с контурами
базовых областей, в которых должна проводиться
диффузия (их тысячи на одной подложке),
и экспонируют фоторезист под освещением.
На участках, не закрытых непрозрачной
маской, фоторезист затвердевает под действием
света. Теперь, когда фоторезист проявлен,
его легко удалить растворителем с тех
мест, где он не затвердел, и на этих местах
откроется незащищенный диоксид кремния.
Для подготовки подложки к диффузии незащищенный
диоксид вытравливают и пластинку промывают.
(Здесь речь идет об "отрицательном"
фоторезисте. Существует также "положительный"
фоторезист, который, наоборот, после освещения
легко растворяется.) Диффузию проводят
как двухстадийный процесс: сначала некоторое
количество легирующей примеси (бора в
случае npn-транзисторов) вводят в базовый
поверхностный слой, а затем - на нужную
глубину. Первую стадию можно осуществлять
разными способами. В наиболее распространенном
варианте пропускают кислород через жидкий
трихлорид бора; диффузант переносится
газом к поверхности и осаждается под
тонким слоем борсодержащего стекла и
в самом этом слое. После такой начальной
диффузии стекло удаляют и вводят бор
на нужную глубину, в результате чего получается
коллекторный p-n-переход в эпитаксиальном
слое n-типа. Далее выполняют эмиттерную
диффузию. Поверх базового слоя наращивают
диоксид, и в нем прорезают окно, через
которое за одну стадию диффузией вводят
примесь (обычно фосфор), формируя тем
самым эмиттер. Степень легирования эмиттера
по крайней мере в 100 раз больше, чем степень
легирования базы, что необходимо для
обеспечения высокой эффективности эмиттера.
В обоих диффузионных процессах, упомянутых
выше, переходы перемещаются как по вертикали,
так и в боковом направлении под диоксидом
кремния, так что они защищены от воздействия
окружающей среды. Многие устройства герметизируют
поверхностным слоем нитрида кремния
толщиной ок. 200 нм. Нитрид кремния непроницаем
для щелочных металлов, таких, как натрий
и калий, которые способны проникать сквозь
диоксид кремния и "отравлять" поверхности
в переходах и поблизости от них. Далее
с использованием методов фотолитографии
на поверхность устройства напыляют металл
контакта (алюминий или золото), отделенный
от кремния другим металлом (например,
вольфрамом, платиной или хромом), впекают
его в области базового и эмиттерного
контактов, а излишек удаляют. Затем полупроводниковую
пластинку путем распиливания или разламывания
после надрезания разделяют на отдельные
микрокристаллы, которые прикрепляются
к позолоченному кристаллодержателю или
выводной рамке (чаще всего эвтектическим
припоем кремний - золото). С выводами корпуса
эмиттер и базу соединяют золотыми проволочками.
Транзистор герметизируют в металлическом
корпусе или путем заделки в пластик (последнее
дешевле). Первоначально контакты делали
из алюминия, но оказалось, что алюминий
образует с золотом хрупкое соединение,
обладающее высоким сопротивлением. Поэтому
проволочные контакты из алюминиевой
или золотой проволочки стали отделять
от кремния другим металлом - вольфрамом,
платиной или хромом. Граничная частота
транзисторов общего назначения составляет
несколько сот мегагерц - примерно столько
же, сколько было у ранних высокочастотных
германиевых транзисторов. В настоящее
время для высокочастотных типов эта граница
превышает 10 000 МГц. Мощные транзисторы
могут работать при мощности 200 Вт и более
(в зависимости от типа корпуса), и нередки
коллекторные напряжения в несколько
сот вольт. Используются кремниевые пластинки
размером несколько сантиметров, причем
на одной такой пластинке формируется
не менее 500 тыс. транзисторов. Транзисторные
структуры могут быть разного вида. Транзисторы
для низкочастотных схем с низким уровнем
сигнала нередко имеют точечно-кольцевую
конфигурацию (точка - эмиттер, кольцо
- база), которая, однако, не нашла широкого
применения в тех случаях, когда предъявляются
требования высокой частоты и большой
мощности. В таких случаях и в транзисторах
многих низкочастотных типов чаще всего
применяется встречно-гребенчатая структура.
Это как бы два гребешка с широкими промежутками
между зубцами, расположенные на поверхности
так, что зубцы одного входят между зубцами
другого. Один из них является эмиттером,
а другой - базой. База всегда полностью
охватывает эмиттер. Основная часть гребешка
служит токовой шиной, равномерно распределяющей
ток, так что все эмиттерные зубцы имеют
одинаковое смещение и дают одинаковый
ток. Это очень важно для сильноточных
приборов, в которых локальная неоднородность
смещения может вследствие местного нарастания
тока привести к точечному перегреву.
В нормальном рабочем режиме температура
перехода в транзисторах должна быть ниже
125° С (при ТРАНЗИСТОР150° С параметры прибора
начинают быстро изменяться, и работа
схемы нарушается), а потому в мощных транзисторах
необходимо добиваться равномерного распределения
тока по всей их площади. Сильноточные
устройства часто разделяют на секции
(группы зубцов, или малых транзисторов),
соединенные между собой токовыми шинами
с малым сопротивлением.
|