нтиметров в едином технологическом процессе формировали несколько десятков, а то и несколько сотен одинаковых транзисторов. Мы сейчас посмотрим, как методами планарной технологии в пластине создаётся какая-нибудь одна новая деталь, — все остальные делаются примерно так же.
Для начала кристалл (1) покрывают тонким светочувствительным слоем — фоторезистом (2). Затем фоторезист засвечивают через очень точно изготовленную маску (3) — через особый тёмный рисунок с маленькими прозрачными пятнышками. Через них происходит засветка тех мест, где должны появиться новые детали. После этого фоторезист обрабатывают проявителем и засвеченные участки удаляют — образуются окна, оставляющие доступ к кристаллу (4). Затем пластину помещают в вакуумную камеру, заполненную газом, который содержит нужную (например, донорную) примесь (5), и в итоге в кристалле получают две детали — с р- и n-проводимостью (6). Повторяя подобную процедуру с разными масками, можно получить не только транзисторы (7), но и расположенные в одном кристалле интегральные схемы, в которых 5–6 слоёв деталей, нередко связанных внешним токопроводящим покрытием.
Итак, полупроводниковый диод, как и вакуумный, проводит ток только в одну сторону и может использоваться как выпрямитель переменного тока. В электронике, как правило, нужны маломощные диоды, рассчитанные на миллиамперы и микроамперы. Но существуют очень мощные диоды, пропускающие ток в сотни и тысячи ампер, и их широко используют в энергетике.
С помощью примесей можно сформировать в германиевом или кремниевом кристаллике трёхэлектродный полупроводниковый прибор транзистор, он имеет трёхслойную структуру р-n-р или n-р-n (Р-100). Одна крайняя зона называется «эмиттер» (выбрасывающий заряды), другая — «коллектор» (собирающий заряды), а средняя зона называется «база», что отражает конструктивные особенности первых транзисторов.
Как и вакуумный триод, транзистор даёт возможность усиливать слабые сигналы. Управляющее напряжение действует между эмиттером и базой, оно управляет коллекторным током своими методами (Т-8), но, как говорится, важен результат — в коллекторной цепи появляется мощная копия слабого сигнала, действующего в базовой цепи. По принципу действия особенно сильно похожи на вакуумный триод очень распространённые полевые транзисторы, три их основные «детали» исток, сток и затвор совсем уже напоминают катод, анод и управляющую сетку усилительной электронной лампы. В частности, усиливаемый сигнал подаётся на затвор, а он, подобно управляющей сетке, своим электрическим полем управляет током, который протекает между истоком и стоком.
ВК-251. На этих трёх рисунках и семи последующих показаны важные этапы производства интегральных схем. Началом можно считать разработку, проверку и создание окончательного варианта электронной схемы, которую нужно получить (1). Затем разрабатывается топология — создание в кристалле участков с разной проводимостью, их размещение и соединение (2). Затем в большом размере создаются маски (3) — размещение отверстий, через которые в кристалл будут вводиться примеси.
Р-102. ОТ УСИЛЕНИЯ К УСИЛИТЕЛЮ. Так же как электронная лампа, транзистор обрастает резисторами, конденсаторами и другими деталями, превращаясь в усилительный каскад или иной схемный узел, работающий с электрическими сигналами. На рисунке некоторые схемы транзисторных усилителей. Первая из них (1) — типичный усилитель низкой частоты (НЧ), на вход которого поступает усиливаемый сигнал Uвх, а усиленный сигнал Uвых снимается с коллекторной нагрузки и через конденсатор передаётся дальше, скорее всего для дальнейшего усиления. С делителя напряжения R1R2 небольшая часть коллекторного напряжения Uк подаётся на базу в качестве начального смещения. Это нужно для того, чтобы диод эмиттер-база был открыт и входной сигнал Uвх мог бы легко поставлять заряды в базу. Следующий усилитель (2) — высокочастотный (ВЧ), это видно по нагрузке в виде катушки Lн без сердечника. Роль нагрузки может выполнять и колебательный контур LкCк (3), который конденсатором переменной ёмкости можно настраивать на частоту принимаемой станции. В усилителях промежуточной частоты супергетеродинных приёмников (Р-111) может быть многозвенный фильтр из нескольких контуров (4), частота настройки которых никогда не меняется. На следующей схеме (5) двухтактный усилитель НЧ, транзисторы которого Т1 и Т3 работают поочередно (это несколько напоминает двухполупериодный выпрямитель, Р-99) и снабжают мощным выходным сигналом громкоговоритель. Два сдвинутых по фазе на 180° входных напряжения для транзисторов Т1 и Т3 поступают от предыдущего каскада на транзисторе Т1, а конкретно с двух половинок вторичной обмотки трансформатора Тр1. Этот каскад усилителя называют «фазоинвертор», то есть фазовращатель. Можно использовать и более простой фазоинвертор, без трансформатора (6), — два противофазных напряжения Uвых1 и Uвых2 получают в нём на двух сопротивлениях нагрузки, одно из которых Rн1 включено в цепь коллектора, а другое Rн2 в цепь эмиттера.
Т-202. Схемные блоки аналоговой аппаратуры. Электронных схем, разумеется, существует бессчётное множество, но, как правило, каждая — это сочетание некоторых основных схемных блоков, которых, правда, тоже немало вариантов. Но даже не вникая в эти подробности, поняв назначение и принцип действия основных схемных блоков, поняв суть дела, легче приподнять завесу таинственности, которая так часто присутствует в сообщениях о шедеврах электроники.
Т-203. Усилитель. Транзистор — основа усилителя, но ещё не усилитель. К транзистору нужно подвести питание, в частности, создать коллекторный ток, подав небольшое постоянное напряжение на коллектор и совсем небольшое напряжение (смещение) на базу. Нужно включить в коллекторную цепь нагрузку, которой усиленный сигнал отдаст свою мощность (Р-102). Нагрузкой может быть резистор, громкоговоритель, колебательный контур, настроенный на определённую частоту, наконец, входная цепь следующего транзистора — усилитель, как правило, многокаскадный, нужную мощность получают после нескольких последовательных усилений. Мощность эта может быть достаточно большой, десятки и даже сотни ватт, в то время как у входного сигнала — миллионные и миллиардные доли ватта. Мощные выходные транзисторы снабжают радиаторами, так как полупроводниковые структуры не терпят перегрева, для германия предельная температура 70 °C (градусов Цельсия), для кремния 150 °C.
Т-204. Генератор. Слабый сигнал на входе усилителя управляет коллекторным током и создаёт, таким образом, усиленный сигнал. Это нормальная, прямая связь входа и выхода, её направление — от входа к выходу. Вернув часть усиленного сигнала из коллекторной цепи обратно на базу, создают обратную связь — от выхода к входу. Здесь, так сказать, возможны варианты. Обратная связь может поддерживать входной сигнал, действовать согласованно с ним — это положительная обратная связь. Обратная связь может действовать против входного сигнала, ослаблять его — это отрицательная обратная связь. Она хоть несколько снижает усиление, но в целом, оказывается, вещь полезная — стабилизирует режим усилителя, уменьшает искажение сигнала в нём.
А вот достаточно сильная положительная обратная связь вообще ликвидирует усилитель, превращает его в совсем другое устройство — в генератор.
Представим себе, что на вход транзистора сигнал подаётся с колебательного контура. Контур получил порцию энергии, в нём начались свободные колебания, которые постепенно затухают из-за неизбежных потерь. Но если создать достаточную положительную обратную связь, то она добавит энергию входному сигналу, скомпенсирует потери, и колебания в контуре станут незатухающими (Р-105). Такой генератор незатухающих колебаний, частоту которых к тому же легко менять (изменяя индуктивность L или ёмкость С контура), — это жизненно важный электронный блок, например для радиопередатчиков.
Ламповый генератор в своё время в буквальном смысле слова совершил революцию в радиотехнике. До него переменный ток высокой частоты добывали с помощью электрической дуги или искры и даже строили машинные генераторы, выжимая из них частоту до сотни килогерц за счёт сверхбыстрого вращения ротора. Вращать ротор быстрее уже нельзя было, он мог просто разлететься под действием центробежных сил.
Для нынешних транзисторных генераторов, прямых наследников лампового, частота в тысячи, миллионы и даже миллиарды герц — не предел. Когда нужна особо высокая стабильность частоты, LC-контур заменяют кварцевой пластиной. Частота её собственных механических колебаний исключительно стабильна, а эти колебания за счёт физических процессов в кристалле создают на его гранях электрический сигнал, который, как и сигнал с LC-контура, подаётся на вход транзистора.
Р-103. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И НЕЛИНЕЙНАЯ. Каждый элемент электрической цепи, с которым мы встречались или будем встречаться, имеет характеристики, рассказывающие о его поведении в той или иной электрической обстановке. Очень простая и часто используемая характеристика — изменение тока, протекающего через данный элемент при изменении подведённого к нему напряжения. На рисунке показаны две такие характеристики — для резистора и для диода. Сразу можно заметить, что характеристика резистора — это прямая линия, в ней нет ни изгиба, ни излома, — чем больше напряжение, тем больше ток, как и предсказывает закон Ома. Показанная характеристика резистора так и называется «линейная», а вот вторая характеристика (для диода) явно нелинейная, у неё просто излом в районе напряжения равного нулю — меняется полярность напряжения и диод не пропускает тока. Кстати, и у транзистора коллекторный ток растёт с ростом коллекторного напряжения, но в какой-то момент он начинает расти медленней, график тока загибается — в коллекторный ток уже включились почти все свободные заряды, попавшие в базу.