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.
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.
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.
Запомни, что для вскрытия крохотных отверстий («окон») всю поверхность сначала покрывают светочувствительной пленкой, которая под воздействием света становится твердой и устойчивой к растворителю, используемому на следующем этапе. Таким образом, подвергшиеся засветке участки поверхности оказываются защищенными своеобразным лаком, в который превратилась отвердевшая пленка.
Как я надеюсь, ты догадался, что на пленку проецируют световые изображения участков эпитаксиального слоя, которые не должны подвергаться химической обработке. Обычно световая проекция осуществляется через объективы, позволяющие уменьшать проецируемое изображение, что способствует микроминиатюризации…
Я мог бы рассказать тебе и о других транзисторах, например полевых. Но мне не хочется утомлять тебя. Можешь выключить магнитофон.
Беседа одиннадцатаяПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Принцип работы обычного транзистора существенно отличается от принципа работы полевого транзистора. В некотором отношении полевые транзисторы по своим свойствам более сходны с вакуумными триодами. В приведенном диалоге анализируются устройство и различные параметры полевых транзисторов, а затем рассматриваются способы их практического применения.
Незнайкин. — Твой дядюшка упомянул о существовании полевых транзисторов. Я предполагаю, что в этих приборах полупроводниковый кристалл помещен в катушку, магнитное поле которой воздействует на…
Любознайкин. — Нет, мой дорогой друг. В основу работы полевого транзистора положено воздействие на кристалл электрического поля. Транзистор этого типа совершенно не похож на те, которые мы изучали до сих пор. В частности, у него нет таких зон, как эмиттер, база и коллектор.
Полевой транзистор выполнен из полупроводниковой пластинки чаще всего n типа, в средней части которой имеются вырезы, значительно уменьшающие ее толщину. В образовавшиеся углубления помещен электрод, создающий электрическое поле. При использовании полупроводника типа n это поле должно быть отрицательным, чтобы противодействовать прохождению электронов, движение которых вызвано напряжением, приложенным к концам полупроводниковой пластинки.
Н. — Если я правильно понял, это отрицательное поле как бы душит пучок электронов, продвигающихся от отрицательного конца полупроводника к положительному (рис. 138).
Рис. 138.Полевой транзистор из полупроводника типа n.
Л. — Именно в этом суть полевого транзистора. Усиление в нем происходит за счет воздействия поля на поток электронов. Подлежащие усилению переменные напряжения прилагаются между электродами, создающими электрическое поле, и одним из концов полупроводниковой пластинки. Это служит входом, а выход образуется между концами полупроводниковой пластинки.
Н. — Твой полевой транзистор до смешного похож на триод! В лампе усиливаемые напряжения прилагают между сеткой и катодом, а изменения потенциала сетки в большей или меньшей степени влияют на прохождение потока электронов от катода к аноду. Такой же эффект создает в этом транзисторе электрод, который в зависимости от своего потенциала оказывает большее или меньшее влияние на прохождение электронов от одного конца полупроводниковой пластинки к другому. Поэтому я предполагаю, что один из концов полупроводниковой пластинки можно назвать катодом, другой — анодом, а создающий электрическое поле электрод — сеткой.
Л. — Сформулированная тобою аналогия совершенно обоснованна. Однако она не послужила основанием дать электродам транзистора названия, идентичные электродам триода. Электрод, который создает поле, получил название затвора. Вывод полупроводниковой пластинки, служащий вторым электродом, на который подаются усиливаемые напряжения, называется истоком, а противоположный вывод, с которого снимают усиленный ток, стоком.
Н. — По схеме я вижу, что между затвором и истоком последовательно прилагаются два напряжения: постоянное напряжение смещения затвора U3 и входное переменное напряжение, которое усиливается этим транзистором. Я думаю, что постоянное напряжение батареи должно быть достаточно велико, чтобы противоположные ему полупериоды переменного напряжения не изменили полярности затвора.
В рассматриваемом нами случае затвор сделан отрицательным. Поэтому не следует допускать, чтобы положительные полупериоды переменного напряжения оказались выше напряжения Е3батареи.
Л. — Можно подумать, Незнайкин, что ты уже имеешь опыт практического применения полевых транзисторов.
Н. — Пока еще нет, но надеюсь, что ждать осталось недолго. А пока я хотел бы знать, создает ли напряжение U3, большой ток между истоком и затвором.
Л. — Никакого! В этих транзисторах затвор образуется диффузией примесей типа, противоположного тем, которые содержатся в полупроводнике. Если примеси полупроводника типа n, затвор образуется двумя зонами с примесями типа р. Когда к созданному таким образом р-n переходу прилагают напряжение, делающее зону р отрицательной зоны n, переход превращается в непреодолимое для тока препятствие. Через переход проходит ничтожный ток порядка наноампера. Впрочем, существуют полевые транзисторы, в которых затвор выполнен из алюминиевых пластинок, отделенных от полупроводника очень тонким изолирующим слоем из двуокиси кремния.