Радио и телевидение?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Как видишь, здесь мы сталкиваемся с двумя противоречивыми требованиями: чтобы емкость эмиттер — коллектор не была слишком большой, нужно увеличить толщину базы, а чтобы электроны проходили через базу достаточно быстро, ее нужно сделать как можно тоньше.

Решения проблемы

Как же выйти из этой дилеммы? Очень просто, снизить емкость не путем сокращения расстояния между двумя обкладками, в роли которых здесь выступают эмиттер и коллектор, а путем предельно возможного уменьшения их площадей на переходах.

Для этой цели примеси вводят таким образом, чтобы эмиттер и коллектор имели форму конусов, вершины которых обращены в сторону базы. Такой результат достигается, в частности, при обработке обеих сторон полупроводниковой пластинки струйками жидкости, которая под воздействием напряжения вызывает электролиз и тем самым постепенно вырывает атомы, создавая в полупроводнике настоящие кратеры. Когда донышки этих углублений оказываются достаточно близко друг от друга, изменяют направление напряжения, а в жидкость добавляют достаточное количество примесей, которые с помощью электролиза вводят в углубления, образующие эмиттер и коллектор (рис. 134).

Рис. 134. Электролитическая обработка с помощью струек жидкости.

Существует категория ВЧ транзисторов, в которых обращенный к эмиттеру слой базы содержит повышенное количество примесей, что повышает скорость электронов и тем самым позволяет усиливать более высокие частоты. Такие транзисторы называют дрейфовыми; они позволяют усиливать дециметровые волны.

Можно идти дальше в этом направлении, разместив между базой и коллектором то, что называют зоной с собственной проводимостью (рис. 135).

Рис. 135. Транзистор, в котором между базой и коллектором имеется зона из полупроводника с собственной проводимостью, улучшающая усиление на высоких частотах.

Она представляет собой слой очень чистого германия или кремния и поэтому обладает посредственной проводимостью. Эта зона отделяет очень тонкую базу от коллектора, что уменьшает емкость между эмиттером и коллектором и позволяет усиливать очень высокие частоты.

Транзисторы с мезаструктурой

Еще один метод служит для изготовления транзисторов, способных работать на частотах несколько тысяч мегагерц, благодаря чему они, в частности, применяются во входных схемах телевизоров.

Для изготовления таких транзисторов берут пластину германия типа р, которая будет служить коллектором. На нижнюю сторону пластины прочно припаивают полоску золота — будущий вывод. Верхнюю сторону пластины подвергают воздействиям паров сурьмы. Эта примесь типа n, плотность которой у поверхности выше, образует базу. Затем на этой же стороне пластины методом диффузии вводят примесь типа р (обычно алюминий), которая формирует эмиттер. Эту диффузию производят через решетку, в результате чего алюминий осаждается на поверхности узкими полосами (рис. 136, а).

После завершения этих операций на поверхность наносят крохотные капельки воска, каждая из которых одной стороной прикрывает участок полупроводника типа р — будущий эмиттер, а другой своей частью — участок типа n — будущую базу (рис. 136, б). Затем всю пластину обрабатывают кислотой, которая стравливает все участки эмиттеров и баз, за исключением защищенных воском. Теперь остается лишь разрезать пластину на столько транзисторов, сколько имеется эмиттеров и баз, образующих на коллекторе небольшие своеобразные горки с плоской вершиной (рис. 136, в). Транзисторы с такой структурой стали называть меза, потому что в Южной Америке этим словом называют гору с плоской вершиной.

Рис. 136. Последовательные этапы изготовления меза-транзистора.

а — диффузия через решетку примеси типа р;

б — нанесение капелек воска на поверхности, образующие эмиттер и базу;

в — обработка кислотой и разделение пластины на отдельные транзисторы.

Эпитаксиальный слой

Спустимся теперь с этой горы на равнину. Под этим я подразумеваю планарную технологию изготовления транзисторов, получившую очень широкое распространение, так как она позволяет подготовить на одном монокристалле тысячи штук транзисторов за один технологический цикл. Эти транзисторы позволяют также усиливать высокие частоты и получать значительные мощности.

Чаще всего такие транзисторы формируют на эпитаксиальном слое полупроводника. Что же это такое?

Коллектор должен иметь небольшое удельное электрическое сопротивление, чтобы легко пропускать ток. Следовательно, его желательно делать из полупроводника с большим содержанием примесей. База и эмиттер, наоборот, должны иметь значительно меньше примесей.

Для создания необходимой разницы богатый примесями полупроводник покрывают тонким эпитаксиальным слоем. Для этого полупроводник, например кремний, нагревают в атмосфере водорода до температуры примерно на сто градусов ниже точки его плавления. Затем температуру слегка понижают и одновременно вводят полупроводник в тетрахлорид кремния. Последний разлагается, и на поверхности полупроводника осаждается эпитаксиальный слой, состоящий из атомов кремния, расположенных в идеальном порядке кристаллической решетки. Толщина этого 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 нанесем на эпитаксиальный слой изолирующий слой двуокиси кремния (рис. 137). Затем, воздействуя соответствующим химическим составом, вскроем в изолирующем слое отверстие, через которое введем в эпитаксиальный слой методом диффузии примесь типа р, например бор; этот участок с примесями будет служить базой будущего транзистора.

Рис. 137. Этапы изготовления транзистора по планарной технологии.

а — на эпитаксиальный слой наносят изолирующий слой двуокиси кремния;

б — в изолирующем слое создают «окно», через которое методом диффузии вводят примесь типа р;

в — после нанесения нового изолирующего слоя в нем создают «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 затем припаивают выводы;

д — подложку укрепляют на металлической пластинке, которая служит выводом коллектора.

Вновь покроем всю пластину изолирующим слоем двуокиси кремния и повторным химическим травлением вскроем в центре небольшое отверстие. Через это отверстие методом диффузии введем примесь типа n, например фосфор. Таким образом создают эмиттер.

Еще раз покроем всю пластину изолирующим слоем двуокиси кремния и затем вскроем в этом слое два отверстия: одно над эмиттером, а другое, расположенное в самом центре, над базой. Через эти отверстия напылением алюминия или золота создадим выводы эмиттера и базы. Что же касается вывода коллектора, то его изготовление не вызывает сложности — достаточно укрепить проводящую пластинку на нижней стороне коллектора.

Ты, Незнайкин, несомненно, заметишь, что у выполненного таким образом транзистора края переходов не имеют контакта с окружающей атмосферой; они защищены слоем двуокиси кремния, что полностью исключает возможность порчи транзистора. Двуокись кремния больше известна под названием кварца.

При желании повысить мощность планарного транзистора в принципе следует увеличивать площадь перехода эмиттер — база; для этого можно также увеличить площадь контакта между этими двумя зонами, сделав эмиттер не в виде маленького круга, а в форме звезды или замкнутой ломаной линии.

Использование светочувствительных пленок

Узнав из моих объяснений о большом количестве операций, необходимых для производства транзистора по планарной технологии, ты, Незнайкин, несомненно, думаешь, что его себестоимость должна быть очень высокой. Поэтому я спешу успокоить тебя.

За один прием изготовляют несколько десятков или даже сотен транзисторов. В производстве применяют фотолитографические методы, еще шире используемые при изготовлении интегральных схем, о которых мы поговорим в другой раз.