Как делают транзисторы

Содержание
  1. Как выполняют транзисторы
  2. Что такое транзистор и как он функционирует?
  3. Что такое транзистор?
  4. Виды транзисторов
  5. Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников
  6. Как работает транзистор: принцип и устройство
  7. Устройство транзисторов
  8. Рабочий принцип транзистора
  9. Как работает транзистор - видео

Транзисторы. Часть 3. Из чего изготавливают транзисторы

Как делают транзисторы

Чистейшие полупроводники имеют одинаковое кол-во свободных электронов и дырок. Такие полупроводники для производства полупроводниковых приборов не применяются, о чем было сказано в предыдущей части статьи.

Для изготовления транзисторов (под ними в таком случае имеются в виду также диоды, микросхемы и именно все полупроводниковые приборы) используются полупроводники n и p типов: с электронной и дырочной проводимостью. В полупроводниках типа n ключевыми носителями зарядов являются электроны, а в полупроводниках типа p – отверстия.

Полупроводники с требуемым типом проводимости получаются путем легирования (добавки примесей) к чистым полупроводникам. Кол-во данных примесей невелико, но свойства полупроводника меняются до такой степени что узнать будет совсем не просто.
Легирующие примеси
Транзисторы не были бы транзисторами, если бы в их производстве не использовались трех и пятивалентные детали, которые применяются в качестве легирующих примесей.

Без таких элементов просто нереально было бы создание полупроводников разной проводимости, создание p-n (читается пэ – эн) перехода и транзистора в общем.
В качестве трехвалентных примесей с одной стороны применяются индий, галлий, алюминий. Их оболочка с внешной стороны содержит всего 3 электрона.

Такие примеси отбирают электроны у атомов полупроводника, из-за чего проводимость полупроводника становится дырочной. Эти элементы называются акцепторами – «берущий».

С другой стороны это сурьма и мышьяк, – пятивалентные детали. На внешней орбите у них по 5 электронов.

Вступая в стройные ряды кристаллической решётки, они не могут найти места для пятого электрона, он остается свободным, а проводимость полупроводника становится электронной или типа n. Такие примеси называются донорами – «дающий».
На рисунке 1 показана таблица элементов химии, которые находят использование в производстве транзисторов.

Как делают транзисторы

Рисунок 1. Влияние примесей на свойства полупроводников

Даже в химически чистом кристалле полупроводника, к примеру, германия, содержатся примеси. Кол-во их невелико – один атом примеси на один миллиард атомов собственно германия.

А в одном кубическом сантиметре выходит приблизительно пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных тел, которые называются примесными атомами. Вроде довольно много?
Вот здесь прекрасное время припомнить, что при токе в 1 A через проводник проходит заряд в 1 Кулон, или 6*10^18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду.

Проще говоря примесных атомов «не очень то и много» и они придают полупроводнику совсем несущественную проводимость. Выходит то ли плохой проводник, то ли не самый лучший изолятор.

В общем, полупроводник.
Как выходит полупроводник с проводимостью n
Давайте, посмотрим, что случится, если в кристалл германия ввести пятивалентный атом сурьмы или мышьяка. Достаточно воочию это показано на рисунке 2.

Как делают транзисторы

Рисунок 2. Введение в полупроводник 5-ти валентной примеси.

Маленькой объяснение к рисунку 2, который следовало бы сделать до недавнего времени. Каждая прямая между соседними атомами полупроводника на рисунке должна быть двойной, показывая, что в связи принимают участие два электрона.

Такая связь именуется ковалентной и показана на рисунке 3.

Как делают транзисторы

Рисунок 3. Ковалентная связь в кристалле кремния.
Для германия рисунок был бы полностью аналогичный.

Пятивалентный примесный атом внедряется в кристаллическую решётку, так как деваться ему просто некуда. 4-ре валентных электрона из собственных пяти он применяет для создания ковалентных связей с соседними атомами, происходит внедрение в кристаллическую решётку.

А вот пятый электрон остается свободным. Наиболее интересное в том, что атом самой примеси в данном варианте становится позитивным ионом.

Примесь в данном варианте именуют донором, она даёт полупроводнику дополнительные электроны, которые будут ключевыми носителями заряда в полупроводнике. Сам полупроводник, получивший дополнительные электроны от донора, будет полупроводником с электронной проводимостью или типа n – negative.
Примеси вводятся в полупроводники в минимальных количествах, только один атом на десять миллионов атомов германия или кремния.

Однако это в сто с лишним раза больше, чем содержание своих примесей в самом чистом кристалле, о чем было написано немного выше.
Если теперь к получившемуся полупроводнику типа n подсоединить гальванический компонент, как показано на рисунке 4, то электроны (кружки с минусом в середине) под действием электрического поля батарейки устремятся к ее позитивному выводу.

Негативный полюс источника тока отдаст в кристалл такое же количество электронов. По этой причине через полупроводник потечет переменный ток.

Как делают транзисторы

Шестиугольники, у которых в середине символ плюс, есть не что иное, как атомы примеси, отдавшие электроны. Сегодня это позитивные ионы.

Итог вышесказанного такой: введение в полупроводник примеси – донора обеспечивает впрыск свободных электронов. В результате выходит полупроводник с электронной проводимостью или типа n.

Если в полупроводник, германий или кремний, добавить атомы вещества с тремя электронами на внешней орбите, к примеру индия, то результат будет, прямо сказать, противоположный. Это объединение показано на рисунке 5.

Как делают транзисторы

Рисунок 5. Введение в полупроводник 3-х валентной примеси.
Если теперь к такому кристаллу подсоединить источник тока, то перемещение дырок примет упорядоченный характер.

Фазы перемещения показаны на рисунке 6.

Как делают транзисторы

Рисунок 6. Фазы дырочной проводимости

Дырка, находящаяся в первом атоме с правой стороны, это как раз трехвалентный атом примеси, захватывает электрон у соседа слева, из-за чего в нем остается дырка. Эта дырка со своей стороны заполняется электроном, оторванным от соседа (на рисунке он снова слева).
Таким вариантом создается перемещение благоприятно заряженных дырок от позитивного к негативному полюсу батареи.

Так длится до той поры, пока дырка не сможет подойти очень плотно к негативному полюсу источника тока, и заполнится от него электроном. В то же время электрон из близлежащего к плюсовому выводу источника покидает собственный атом, выходит новая дырка и процесс повторяется сначала.

Чтобы не было путанницы, какого типа выходит полупроводник при введении примеси, достаточно усвоить, что в слове «донор» есть буква эн (negative) – выходит полупроводник типа n. А в слове акцептор находится буква пэ (positive) – полупроводник с проводимостью p.
Обыкновенные кристаллы, к примеру, германия, в том виде, в котором они есть в природе, для изготовления полупроводниковых приборов негодны. А дело все в том, что простой настоящий кристалл германия состоит из сросшихся между собой небольших кристаллов.

Сначала исходный материал очищался от примесей, после этого германий расплавляли и в получившийся расплав опускали затравку, – маленький кристалл с правильной решёткой. Затравка не быстро вращалась в расплаве и понемногу поднималась вверх. Расплав обволакивал затравку и остывая формировал монокристаллический стержень внушительных размеров с правильной кристаллической решёткой.

Внешний вид полученного монокристалла показан на рисунке 7.

При изготовлении монокристалла в расплав добавляли легирующую примесь месь p или n типа, таким образом получая требуемую проводимость кристалла.

Этот кристалл разрезали на небольшие пластинки, которые в транзисторе стали базой.
Коллектор и эмиттер изготавливали любыми способами. Довольно обычный сводился к тому, что на разные стороны пластинки подкладывали небольшие кусочки индия, которые приваривали, разогревая место контакта до 600 градусов.

После того как остынет всей конструкции, сочные индием участки, приобретали проводимость типа p. Получившийся кристалл устанавливали в корпус и присоединяли выводы, из-за чего получались сплавные плоскостные транзисторы. Конструкция этого транзистора показана на рисунке 8.

Как делают транзисторы

Такие транзисторы выпускались в шестидесятых годах двадцатого столетия под маркой МП39, МП40, МП42 и т.п. На сегодня это уже фактически экспонат музея. Самое большее использование находили транзисторы структуры туристические поездки p-n-p.

В 1955 году был разработан диффузионный транзистор. По такой технологии для образования областей коллектора и эмиттера пластинку германия помещали в газовую атмосферу, содержащую пары необходимой примеси. В данной атмосфере пластинку нагревали до температуры немного ниже точки плавления и выдерживали нужное время.

В результате атомы примеси проникали в кристаллическую решётку, образовывая p-n переходы. Такой техпроцесс известный как метод диффузии, а сами транзисторы получили наименование диффузионных.

Частотные свойства сплавных транзисторов, нужно сказать, не радуют: граничная частота не больше нескольких десятков мегагерц, что дает возможность применять их в качестве ключа на невысоких и средних частотах. Такие транзисторы получили наименование низкочастотных, и настойчиво будут усиливать лишь частоты диапазона звука. Хотя на смену сплавным германиевым транзисторам давно уже пришли кремниевые, германиевые транзисторы производятся до этих пор для специализированных применений, где требуется невысокое напряжение для смещения эмиттера в прямом направлении.

Кремниевые транзисторы выпускаются по планарной технологии. Это означает, что все переходы выходят на одну поверхность. Они практически полностью вытеснили германиевые транзисторы из схем на дискретных элементах и используются как элементы интегральных схем, где германий никогда не применялся.

Сейчас германиевый транзистор найти очень непросто.

Как выполняют транзисторы

Содержание:

Как выполняют транзисторы различных типов. Как чистят полупроводники и придают им монокристаллическую структуру.

Какие варианты дают возможность ввести в полупроводник примеси позитивного и негативного типов. Как на производстве делают обыкновенные транзисторы, мезатранзисторы и планарные. Какие непростые задачи ставит форма базы в транзисторах для усиления ВЧ.

Все данные вопросы рассматриваются тут профессором Радиолем.
Я с интересом прослушал вашу беседу о транзисторах и с удовлетворением отмечаю, что Любознайкин объяснил тебе все важные понятия, которые относятся к этим активным компонентам, которые за немногие годы удачно заменили вакуумные лампы во множестве видов электронной аппаратуры.

Ты хорошо понял, Незнайкин, что слабые электрические токи, приложенные между базой и эмиттером, формируют ток базы, который со своей стороны вызывает ток коллектора. Можно сказать, что показатель усиления транзистора определяется отношением изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы.

Очистка полупроводников

Я думаю, что ты желал бы знать, какие типы транзисторов есть и как их производят. По этой причине я попытаюсь описать тебе важные характеристики транзисторов и технологию их изготовления.

Транзисторы производят из германия или кремния, причем перед началом цикла производства следует иметь очень чистый полупроводник, который обладает безукоризненной кристаллической структурой.
Для устранения примесей используют метод нагрева, который носит название зонной плавки.

Полупроводниковый стержень укладывают в кварцевый тигель и греют до той поры, пока неширокая территория стержня не расплавится. После эту расплавленную территорию не быстро передвигают от одного конца полупроводникового стержня к иному. Что тут происходит?

Примеси стремятся остаться в расплавленной части. Перемещая эту территорию от одного конца стержня к иному, мы собираем примеси в одном конце и хорошо очищаем от них другую часть стержня.

После чего конец стержня, в котором собрались примеси, обрезают, а в хорошо очищенной части остается не больше одного атома примесей на сто миллионов атомов полупроводника.

Высокочастотный нагрев

Ты, может быть, хочешь знать, как получается подогреть полупроводник не широкой зоной, в которой температура может достигать

при очистке германия и

при очистке кремния? В данном варианте на помощь призывают электронику.

Расплавляемую территорию наряду с тиглем помещают в катушку, по которой течет крепкий ток высокой частоты. Этот ток наводит в массе полупроводника токи, которые сильно его подогревают. Катушку не быстро передвигают вдоль тигля, что вызывает подходящее перемещение расплавленной зоны (рис.

132).
Нагрев магнитным полем, наведенным токами высокой частоты и со своей стороны порождающим токи в массе полупроводника, координально отличается от нагревания спомощью пламени.

Нагрев пламенем увеличивает температуру поверхности тела, а уже с поверхности благодаря тепловой проводимости калорий проникают в глубь тела. При высокочастотном же нагреве тепло сразу охватывает всю массу нагреваемого тела.

Добавлю, что данный вариант можно применить и для нагревания диэлектриков, но тогда в нагреваемом теле делают электрическое (а не магнитное) поле. Для этого нагреваемое тело помещают между обкладками конденсатора, к которому прилагают напряжение ВЧ. Такой способ применяют в медицине, где его называют высокочастотной диатермией.

Как делают транзисторы

Рис.

132. Очистка полупроводника методом зонной плавки.

Рис. 133.

Расположение трех компонентов, образующих транзистор.

Получение монокристалла

Вернемся, впрочем, к полупроводникам. Теперь, когда они хорошо очищены, им необходимо дать безукоризненную кристаллическую структуру.

А дело все в том, что в большинстве случаев полупроводник состоит из огромного количества хаотично размещенных кристаллов. Такое толпа кристаллов надлежит превратить в один монокристалл с исключительно одинаковой кристаллической структурой во всей массе.

Для этого весь полупроводник необходимо вновь расплавить; данную операцию также выполняют при помощи токов ВЧ, протекающих по катушке. В расплав вводят маленький кристаллик, служащий затравкой для безупречной кристаллизации всей массы, и нужное кол-во примесей типа n или p в зависимости от типа будущих транзисторов.
После охлаждения получают монокристалл, который обладает массой несколько килограммов.

После его предстоит разрезать на немалое число небольших кусочков, любой из них потом будет превращен в транзистор. Кроме заготовок для транзисторов высокой мощности эти кусочки имеют приблизительно 2 мм по длине и в ширину и несколько десятых долей миллиметра в толщину.

Сплавление

Вот мы и имеем заготовки для базы. Как из них сделать транзисторы?

Ты очень легко догадываешься, что для этого по двум сторонам базы следует иметь примеси типа, противоположного тому, какой содержит база.
Для выполнения такой задачи сущесгвует несколько вариантов.

Если база изготовлена из германия типа p, то по двум сторонам ее можно положить маленькие таблетки из индия, предсгавляющего собой примесь типа n. Нагреем все это до температуры

которой индий начинает плавиться; германий маний же, как я тебе уже говорил, обращается в жидкость лишь при нагреве до 940°С.
Атомы индия вкрапляются в германий; проникновение это становится легче тепловым движением.

Подобным образом, с одной стороны базы образуется эмиттер, а со второй — коллектор (рис. 133).

Последний обязан иметь больший, чем эмиттер, объем, так как токи рассеивают на нем высокую мощность. Разумеется само собой, что к любому из этих трех электродов нужно припаять проволочный вывод.

Диффузия и электролиз

Только что описанный мною способ формирования эмиттера и коллектора используется при изготовлении Сплавных транзисторов. Но эмиттер и коллектор можно тоже создать методом диффузии.

Для этого полупроводник греют до температуры, близкой к точке плавления, и помещают его в атмосферу нейтрального газа, содержащую пары примеси, необходимой для формирования эмиттера и коллектора. Атомы примеси легко проникают в полупроводник. В зависимости от дозировки паров примеси и длительности операции глубина проникновения может быть большей или меньшей.

Это и определяет толщину базы.
Метод диффузии просто замечательно подойдет для производства мощных транзисторов, так как он дает возможность вводить примеси на площадях большого размера — подобным образом можно создать эмиттер и коллектор соответствующих размеров, достаточных для прохождения относительно больших токов.

Методу диффузии подобен электролитический метод, при котором полупроводник подвергают действию струек жидкости, содержащей примесь противоположного типа.
Как видишь, для изготовления транзисторов применяют вещества в твёрдом состоянии — сплавление, в жидком — электролиз и в газообразном — диффузия.

Созданный одним из перечисленных способов транзистор помещают в герметичный и непрозрачный корпус, чтобы свет не вызывал в полупроводнике фотоэлектрического эффекта. В корпусе делают вакуум или наполняют его нейтральным газом, к примеру азотом, чтобы устранить окисление германия или кремния кислородом воздуха. Корпуса для мощных транзисторов выполняют с подобным расчетом, чтобы они могли рассеять тепло и благодаря этому устранить излишний нагрев полупроводников.

Такой корпус собой представляет теплоотводящий отопительный прибор, он имеет внушительные размеры.

Высокие частоты ставят проблемы

К высокочастотному транзистору предъявляют требования в отношении толщины базы.
Если ее толщина достаточно мала, то между эмиттером и коллектором образуется относительно высокая емкость. Тогда токи ВЧ, взамен того чтобы проходить через два перехода, проходят конкретно от эмиттера к коллектору, они собой представляют своеобразные обкладки конденсатора.

Следует ли для уменьшения этой нежелательной емкости расширить толщину базы? Ты, Незнайкин, безусловно, собираешься предложить такое решение. Давай посмотрим, насколько оно правильно.

Увеличив расстояние, разделяющее эмиттер и коллектор, ты заставишь электроны делать между 2-мя переходами более большой путь. Но в полупроводнике скорость перемещения электронов и дырок довольно невысокая: около

.

Например, что толщина базы составляет ОД мм. Для прохождения этой более чем короткой дистанции электронам потребуется 2,5 мкс.
Это равно продолжительности одного полупериода тока с частотой

, подобающей волне длиной

.

Как видишь, при подобной толщине базы можно усиливать лишь токи, подходящие длинным волнам.
Вот почему в ВЧ транзисторах толщину базы нужно выполнить намного меньшей.

При толщине базы 0,001 мм можно усиливать волны длиной до

, а для приема дециметровых волн, на которых, например, ведутся телепередачи, база должна быть еще тоньше.
Как видишь, тут мы встречаемся с 2-мя противоречивыми требованиями: чтобы емкость эмиттер — коллектор не была очень большой, необходимо расширить толщину базы, а чтобы электроны проходили через базу очень быстро, ее необходимо сделать как можно тоньше.

Решения проблемы

Как же выйти из этой задачи? Достаточно легко, уменьшить емкость не путем сокращения расстояния между 2-мя обкладками, в роли которых тут выступают эмиттер и коллектор, а путем предельно предпологаемого уменьшения их площадей на переходах.

Рис.

134. Электролитическая обработка при помощи струек жидкости.

Рис. 135. Транзистор, в котором между базой и коллектором есть территория из полупроводника со своей проводимостью, улучшающая усиление на высоких частотах.

Для данной цели примеси вводят поэтому, чтобы эмиттер и коллектор имели форму конусов, вершины которых обращены в сторону базы. Подобный результат достигается, например, во время обработки двух сторон полупроводниковой пластинки струйками жидкости, которая под воздействием напряжения вызывает электролиз и благодаря этому понемногу вырывает атомы, создавая в полупроводнике реальные кратеры. Когда донышки данных углублений оказываются очень близко один от одного, меняют направление напряжения, а в жидкость добавляют большое количество примесей, которые при помощи электролиза вводят в углубления, образующие эмиттер и коллектор (рис.

134).
Есть категория ВЧ транзисторов, в которых обращенный к эмиттеру слой базы содержит очень высокое кол-во примесей, что увеличивает скорость электронов и благодаря этому позволяет усиливать очень высокие частоты.

Такие транзисторы именуют дрейфовыми; они дают возможность усиливать дециметровые волны.
Можно идти дальше в этом направлении, установив между базой и коллектором то, что именуют зоной со своей проводимостью (рис.

135). Она собой представляет слой очень чистого германия или кремния и по этой причине обладает посредственной проводимостью.

Эта территория разделяет очень тонкую базу от коллектора, что делает меньше емкость между эмиттером и коллектором и дает возможность усиливать довольно высокие частоты.

Транзисторы с мезаструктурой

Очередной метод служит для производства транзисторов, способных работать на частотах пару тысяч мегагерц, вследствие чего они, например, используются во входных схемах телевизоров.
Для производства подобных транзисторов берут пластину германия типа p, которая будет служить коллектором. На нижнюю сторону пластины прочно припаивают полоску золота — грядущий вывод.

Верхнюю сторону пластины подвергают влияниям паров сурьмы. Эта примесь типа n, плотность которой у поверхности выше, образовывает базу. После на данной же стороне пластины методом диффузии вводят примесь типа p (в большинстве случаев алюминий), которая сформировывает эмиттер.

Эту диффузию делают через решётку, из-за чего алюминий осаждается на поверхности узкими полосками (рис. 136, а).
После окончания данных операций на поверхность наносят маленькие капельки воска, любая из них одной стороной прикрывает участок полупроводника типа p — грядущий эмиттер, а другой собственной частью — участок типа n — будущую базу (рис.

136, б).

Как делают транзисторы

Рис. 136.

Последовательные этапы изготовления мезатранзистора: а — диффузия через решётку примеси типа p; б — нанесение капель воска на поверхности, образующие эмиттер и базу; в — обработка кислотой и деление пластины на отдельные транзисторы.

Как делают транзисторы

Рис. 137.

Этапы изготовления транзистора по планарной технологии: а — на эпитаксиальный слой наносят изолирующий слой двуокиси кремния; б — в изолирующем слое делают «окно», через которое методом диффузии вводят примесь типа p; в — после нанесения нового слоя изоляции в нем делают «окно» меньших, чем первое, размеров и через него вводят примесь типа n; г — для доступа к зонам базы и эмиттера вскрывают отверстия, заполняемые металлом, к которому после припаивают выводы; д — подложку крепят на железной пластинке, которая служит выводом коллектора.
После всю пластину обрабатывают кислотой, которая стравливает все участки эмиттеров и баз, кроме защищенных воском. Теперь остается только разрезать пластину на столько транзисторов, сколько есть эмиттеров и баз, образующих на коллекторе маленькие своеобразные горки с плоской вершиной (рис.

136, в). Транзисторы с подобной структурой стали именовать меза, так как в Южной Америке данным словом именуют гору с плоской вершиной.

Эпитаксиальный слой

Спустимся теперь с этой горы на равнину. Под этим я думаю планарную производственную технологию транзисторов, получившую очень большое распространение, так как она дает возможность приготовить на одном монокристалле тысячи штук транзисторов за один тех. цикл. Эти транзисторы дают возможность также усиливать высокие частоты и получать существенные мощности.

Очень часто такие транзисторы создают на эпитаксиальном слое полупроводника. Что же это такое?
Коллектор обязан иметь маленькое удельное электрическое сопротивление, чтобы легко пропускать ток.

Стало быть, его лучше делать из полупроводника с высоким содержанием примесей. База и эмиттер, наоборот, обязаны иметь намного меньше примесей.

Для создания нужной разницы роскошный примесями полупроводник покрывают тонким эпитаксиальным слоем. Для этого полупроводник, к примеру кремний, греют в атмосфере водорода до температуры приблизительно на сто градусов ниже точки его плавления. После температуру слегка понижают и в тоже время вводят полупроводник в тетрахлорид кремния.

Последний разлагается, и на поверхности полупроводника осаждается эпитаксиальный слой, который состоит из атомов кремния, размещенных в прекрасном состоянии кристаллической решётки. Толщина данного слоя составляет сотую долю миллиметра, а его высокая чистота определяет высокое удельное электрическое сопротивление.

Изготовление транзисторов по планарной технологии

Представим себе, что мы имеем пластину кремния, покрытую эпитаксиальным слоем. Для начала нужно нанести на эпитаксиальный слой изолирующий слой двуокиси кремния (рис.

137). После, действуя соответствующим химическим составом, вскроем в изолирующем слое отверстие, через которое введем в эпитаксиальный слой методом диффузии примесь типа p, к примеру бор; данный участок с примесями будет служить базой грядущего транзистора.
Вновь покроем всю пластину слоем для изоляции двуокиси кремния и повторным химическим травлением вскроем в самом центре маленькое отверстие.

Через это отверстие методом диффузии введем примесь типа n, к примеру фосфор. Подобным образом делают эмиттер.
Еще раз покроем всю пластину слоем для изоляции двуокиси кремния и потом вскроем в данном слое два отверстия: одно над эмиттером, а другое, расположенное прямо в центре, над базой.

Через эти отверстия напылением алюминия или золота создадим выводы эмиттера и базы. Что касается вывода коллектора, то его изготовление не вызывает трудности — достаточно закрепить проводящую пластинку на нижней стороне коллектора.

Ты, Незнайкин, безусловно, увидишь, что у сделанного подобным образом транзистора края переходов не имеют контакта с находящейся вокруг атмосферой; они защищены слоем двуокиси кремния, что абсолютно исключает возможность порчи транзистора. Двуокись кремния больше известна с названием кварца.

Если есть желание увеличить мощность планарного транзистора как правило следует повышать площадь перехода эмиттер — база; Для этого необходимо также сделать больше площадь контакта между этийи 2-мя зонами, сделав эмиттер не в виде небольшого круга, а в форме звезды или замкнутой ломаной линии.

Применение светочувствительных пленок

Выяснив из моих разъяснений об огромном количестве операций, нужных для изготовления транзистора по планарной технологии, ты, Незнайкин, безусловно, думаешь, что его стоимость изготовления должна быть слишком высокой. По этой причине я спешу успокоить тебя.
За раз изготавливают пару десятков либо даже сотен транзисторов.

В производстве используют фотолитографические методы, еще шире применяемые во время изготовления интегральных схем, про которые мы будем говорить в следующий раз.
Запомни, что для вскрытия маленьких отверстий («окон») каждый сантиметр поверхности сначала покрывают светочувствительной пленкой, которая под воздействием света становится твёрдой и стойкой к растворителю, применяемому на другом шаге. Подобным образом, подвергшиеся засветке участки поверхности оказываются защищенными своеобразным лаком, в который преобразовалась отвердевшая пленка.

Как я надеюсь, ты догадался, что на пленку проецируют световые изображения участков эпитаксиального слоя, которые не должны подвергаться химической отделке. В большинстве случаев световая проекция выполняется через объективы, разрешающие уменьшать проецируемое изображение, что способствует микроминиатюризации.
Я мог бы рассказать тебе и об иных транзисторах, к примеру полевых.

Но мне не хочется утомлять тебя. Можешь выключить магнитофон.

Что такое транзистор и как он функционирует?

Принцип полупроводникового управления электротоком был известен ещё перед началом 20 века. Не обращая внимания на то, что инженеры, работающие в регионах радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Основой такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов.

Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью параметров и сильно зависели от режимов температур.
Большую конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы только в конце 50-х годов. С данного периода времени электронная промышленность начала бурно формироваться, а небольшие полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов.

С возникновением интегральных микросхем, где кол-во транзисторов достигает миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В сегодняшнем значении транзистором именуют полупроводниковый радиоэлемент, который предназначен для изменения показателей электротока и управления им. У простого полупроводникового триода есть три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор.

Есть также составные транзисторы высокой мощности.
Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные детали, применяемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, которые предназначены для энергетических установок и оборудования которое применяется в промышленности.

Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и прочих элементов химии.

Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов определенные виды полимерных материалов, и даже углеродных нанотрубок. По всей видимости в скором времени мы выясним о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

До недавнего времени кристаллы полупроводника расположились в железных корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Эта конструкция была специфична для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов сделаны на основе легированного в конкретных частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса.

У конкретных из них имеются выступающие пластины из металла для отвода тепла, которые закрепляются на отопительные приборы.
Электроды современных транзисторов размещены в один ряд. Подобное размещение ножек комфортно для автоматической сборки плат.

Выводы не маркируются на корпусах. Вид электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов применяют кристаллы полупроводников с различными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они выделяются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде 2-ух полупроводниковых диодов, поделённых добавочным слоем. (Смотри рисунок 1).

Собственно наличие данного слоя дает возможность управлять проводимостью полупроводникового триода.

Как делают транзисторы

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически нарисовано строение биполярных триодов. Есть ещё класс полевых транзисторов, о которых поговорим дальше.

Базовый рабочий принцип

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не течет. Переменному току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое появляется в результате взаимные действия слоёв. Для включения транзистора требуется подать небольшое напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая рабочий принцип триода.
Управляя токами базы можно включать и выключить устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов.

При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Иначе говоря случится усиление поступившего на вход электрического сигнала.
Подобным образом, полупроводниковые триоды как правило будут работать в режиме аппаратных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме аппаратного ключа можно догадаться из рисунка 3.

Как делают транзисторы

Рис.

3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепризнанное обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. К примеру, VT 3. На более первых схемах можно повстречать вышедшие из употребления определения: «Т», «ПП» или «ПТ».

Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих подходящие электроды, обведённые кружком либо же без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены современным способом, а на рисунке 5 – схематические изображения различных типов полевых транзисторов.

Как делают транзисторы

Рис.

4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и зданию отличают полупроводниковые триоды:
Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, впрочем существуют различия как правило их работы.

Полевые

Этот вид триодов ещё именуют униполярным, из-за электрических параметров – у них течет ток лишь одной полярности. По зданию и типу управления данные устройства делятся на 3 вида:

  1. Транзисторы с руководящим p-n переходом (рис. 6).
  2. С изолированным затвором (бывают с вмонтированным либо с индуцированным каналом).
  3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Характерная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.
Детали очень восприимчивы к электричеству возникающему в результате трения.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Как делают транзисторы

Рис.

5. Полевые транзисторы

Как делают транзисторы

Рис. 6. Фото настоящего полевого триода
Внимание свое обратите на наименование электродов: слив, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют довольно мало энергии. Они как правило будут работать более года от маленькой батарейки или аккумулятора.

По этой причине они нашли повсеместное использование в современных электронных устройствах, например как пульты дистанционного управления, мобильные девайсы и т.п.

Биполярные

Про этот вид транзисторов много сказано в подразделе «Базовый рабочий принцип». Отметим только, что наименование «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды разных знаков через один канал. Их спецификой считается невысокое выходное сопротивление.

Транзисторы увеличивают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку.

Благодаря большому току коллектора можно уменьшить сопротивление нагрузки.
Намного подробнее о строении и рабочем принципе ниже рассмотрим.

Комбинированные

С целью достижения конкретных электрических показателей от использования одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно отметить:

  • биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
  • конфигурации из 2-ух триодов (похожих или различных структур) в одном корпусе;
  • лямбда-диоды – комбинирование 2-ух полевых триодов, образующих участок с негативным сопротивлением;
  • конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (используются для управления электрическими моторами).

Комбинированные транзисторы – это, по существу, простая микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основывается на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понимать рабочий принцип триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электроцепях.

Полупроводники.
Некоторые кристаллы, например кремний, германий и др., являются диэлектриками.

Но есть у них одна характерность – если добавить конкретные примеси, то они становятся проводниками с специальными качествами.
Одни добавки (доноры) приводят к возникновению свободных электронов, а иные (акцепторы) – образовывают «отверстия».
Если, к примеру, кремний легировать фосфором (донор), то получаем полупроводник с избытком электронов (структура n-Si).

При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), другими словами в его структуре будут доминировать благоприятно заряженные ионы.
Односторонняя проводимость.
Проведём мысленный эксперимент: соединим два разного типа полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции.

Случится нечто спонтанное. Если объединить негативный кабель с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся.

Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с различными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует отверстия в зоне контакта.

В результате появляются некомпенсированные заряды: в области n-типа – из негативных ионов, а в области p-типа из позитивных. Разница потенциалов может достигать величины от 0,3 до 0,6 В.
Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

VT величина термодинамического напряжения, Nn и Np концентрация исходя из этого электронов и дырок, а ni означает свою концентрацию.
При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля в середине p-n перехода. В таком случае переход открыт.

Однако если полюса заменить местами, то переход закроется. Поэтому делаем вывод: p-n переход образовывает одностороннюю проводимость.

Данное свойство применяется в конструкции диодов.
От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между 2-мя полупроводниками с одноимёнными структурами. К примеру, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si).

Легко догадаться, что случится в зонах соприкасания. По аналогичности с описанным выше процессом появляются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрозарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.
Наиболее интересное случится тогда, когда мы приложим небольшое напряжение к прослойке (базе).

В нашем случае, подадим ток с негативным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток.

Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.
Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что позитивные ионы заполнили все пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока.

Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Как делают транзисторы

Рис.

7. Рабочий принцип триода
При обесточивании базы транзистор достаточно стремительно приходит в первое состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство способна работать и в усилительном режиме.
Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: Iк = ?*IБ, где ? показатель усиления по току, IБ ток базы.
Если скорректировать величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды анодного напряжения, со сбережением частоты сигнала.

Такой принцип применяют для усиления сигналов.
Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы приобретаем аналогичную частоту усиления, но со намного большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Подобным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность стрессов. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью.

Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Необходимо добавить, что полупроводниковый кристалл таким образом откликается на ультрафиолетовый спектр света.

Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники применяют следующие схемы подсоединения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Как делают транзисторы

Рис.

8. Схемы подсоединения биполярных транзисторов
Для усилителей с общей базой отличительно:

  • невысокое входное сопротивление, которое не будет больше 100 Ом;
  • хорошие температурные свойства и частотные критерии триода;
  • высокое допустимое напряжение;
  • требуется два различных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

  • большими коэффициентами усиления по току и напряжению;
  • невысокие критерии усиления по мощности;
  • инверсией анодного напряжения относительно входного.

При подобном подключении хватит одного источника питания.
Схема подсоединения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

  • большое входное и небольшое выходное сопротивление;
  • невысокий показатель напряжения по усилению (
    Как делают транзисторы

    Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

Точно также работают полевые триоды с вмонтированным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На самом деле используют схемы подключений по аналогичности с биполярным триодом:

  • с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
  • схемы с общим затвором обеспечивающие невысокое входное сопротивление, и небольшое усиление (имеет небольшое использование);
  • с общим сливом, работающие также, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны разные схемы включения.

Как делают транзисторы

Рис. 10.

Изображение схем подсоединения полевых триодов
Фактически каждая схема может работать при экстремально низких входных напряжениях.

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, который предназначен для управления током в электроцепи. Используется почти что во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально старым ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры.

Для производства полупроводниковых моделей прежде применялся германий, но сферы его использования лимитированны из-за чувствительности к колебаниям температур. На смену германию пришёл кремний, т.к. кремниевые детали стоят намного дешевле германиевых и достаточно устойчивые к скачкам температуры.

Транзисторы ограниченной мощности делают в прямоугольных корпусах из материалов на основе полимера или в железных цилиндрических. В данной публикации мы попытаемся обычными словами рассказать, Что такое транзистор, как он устроен и что выполняет.

Как делают транзисторы

Устройство транзисторов

Самый популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора данного типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), любая из них имеет собственный вывод.

  • Б – база, сверхтонкий слой находящийся внутри;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составная часть, имеющую вид проводимости, аналогичный с эмиттером, необходима для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.
  • n-типа – носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа – носители зарядов – благоприятно заряженные «отверстия».

Требуемый вид проводимости достигается путем легирования самых разных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала самых разных примесей с целью улучшения химических и физических параметров данного материала.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на 2 типа: n-p-n и p-n-p.

Рабочий принцип транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование.

В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит небольшое кол-во примесей.
Обычное изложение рабочего принципа биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноимённого напряжения к эмиттеру и базе (p присоединяется к «+», а n – к «-») приводит к возникновению тока между эмиттером и базой. В базе появляются носители зарядов. Чем напряжение больше, тем больше кол-во носителей зарядов возникает в базе. Ток, подаваемый на базу, именуется руководящим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подсоединяется к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором возникнет разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда собирается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем незначительный рост напряжения приводит к существенному усилению тока «эмиттер-коллектор». Такой принцип используется при изготовлении усилителей.

Если к эмиттеру и базе подсоединяют напряжение, противоположное по знаку, ток заканчивается, и транзистор переходит в закрытое состояние.
Коротко рабочий принцип полупроводникового транзистора можно рассказать так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноимённого заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор – видео

Как клеить обои бумажные
Вопросы о ремонте
0 0
Как выставить опалубку
Вопросы о ремонте
0 0
Как короед штукатурка
Вопросы о ремонте
0 0
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

15 + 4 =