Евгений Айсберг - Транзистор?.. Это очень просто!
Твой друг Любознайкин
Беседа пятая
НЕМНОГО ТЕХНОЛОГИИ
Конечно, Незнайкину не придется самому делать транзисторы, но это не мешает ему живо интересоваться довольно своеобразными приемами изготовления «трехлапых созданий». Попутно он узнает, что существует много разновидностей этих приборов, созданных для выполнения различных задач. Так, все возрастающие требования к частотным пределам и отдаваемой мощности заставили специалистов-технологов принять некоторые весьма оригинальные решения.
Содержание: Очистка методом зонной плавки. Высокочастотный нагрев. Выращивание монокристалла. Резка монокристалла. Метод изготовления «тянутых» переходов. Сплавные транзисторы. Проблема мощных транзисторов. Метод диффузии. Время пробега. Емкости р-n переходов. Полупроводниковый тетрод. Поверхностно-барьерные транзисторы. Метод двойной диффузии. Дрейфовый транзистор структуры р-n-р. Мезатранзистор. Полевой транзистор.
Первоначальная очистка
Незнайкин. — Знаешь ли ты, Любознайкин, что у меня никогда не возникало желания самому делать электронные лампы? Откачать из стеклянного баллона практически весь воздух было для меня непреодолимым препятствием, так как мой велосипедный насос не казался мне подходящим для этого. А теперь мне кажется, что я могу без особых затруднений изготовить несколько транзисторов. Как ты думаешь, найду ли я в магазине химреактивов все нужные мне вещества: чистый германий, сурьму для области n и индий для области р?
Любознайкин. — Ты это серьезно, мой бедный друг?
Н. — Конечно, а разве это так трудно?
Л. — Еще как!.. Прежде всего нужно достаточно хорошо очистить германий, так как тот, что ты можешь найти в продаже под названием «чистый», далеко не так чист, как нам нужно. Затем ему нужно придать правильную кристаллическую структуру, превратив его в единый кристалл, или монокристалл. Потом в него нужно ввести примеси типов р и n, создав оба перехода, разделяющих транзистор на три области — зоны. И, наконец, нужно припаять к этим областям выводы, смонтировать все это в единое целое и поместить в герметический корпус, чтобы защитить от внешних воздействий. Только большие, хорошо оснащенные заводы могут правильно выполнить эти разнообразные операции.
Н. — Ты приводишь меня в отчаяние. Неужели действительно так трудно очистить германий?
Л. — Не забывай, что нам нужен действительно чистый германий, в котором на миллиард атомов германия должно содержаться не более десяти атомов примесей, а то и еще меньше.
Н. — Я предполагаю, что для удаления из германия загрязняющих его посторонних веществ применяют химические процессы.
Л. — Химия делает все, что в ее силах, но этого недостаточно. Поэтому после химической очистки прибегают к физическому процессу, называемому зонной плавкой. Слиток очищаемого германия кладут в очень чистый тигель из кварца или графита и в атмосфере водорода или азота (чтобы избежать какого бы то ни было окисления) нагревают узкую зону этого слитка, доводя германий в этом месте до плавления. Эту расплавленную зону медленно перемещают от одного конца тигля к другому.
Н. — Я думаю, что при этом примеси выгорают.
Л. — Ошибаешься. Процесс основан на том явлении, что примеси, стремясь остаться в жидкой зоне, уходят из тех частей германиевого слитка, которые, охлаждаясь, начинают затвердевать. Таким способом их постепенно перемещают от одного конца бруска германия к другому и после повторения этой процедуры несколько раз обрезают конец стержня, в котором собраны все примеси.
Н. — И его выбрасывают?
Л. — Нет, потому что германии стоит очень дорого. Его повторно используют при очистке следующей порции германия.
Н. — Я начинаю думать, что наша Гора вчера испытала на себе зонную очистку…
Л. — Кто такая Гора, и что за чепуху ты мне рассказываешь?
Н. — Гора — наша кошка (мы ее так зовем, потому что она наполовину ангорская). Обычно очень чистая, она, должно быть, связалась с дурной компанией и нахватала блох. Проведя гребнем много раз от головы до хвоста, мы освободили ее от примесей… Но как устроен гребень для германия? Я хочу спросить, каким образом удается расплавить узкую зону германия?
Высокочастотный нагрев
Л. — Делается это с помощью индукционного высокочастотного нагрева. Короткая катушка из нескольких витков охватывает зону плавления, по катушке пропускается от мощного генератора ток высокой частоты. Магнитное поле этой катушки наводит в массе германия токи, которые нагревают находящийся внутри катушки участок слитка до плавления (рис. 34).
Рис. 34. Зонная плавка осуществляется нагреванием находящегося в тигле германия с помощью токов высокой частоты, протекающих по катушке, которая медленно перемещается от «одного конца тигля к другому. Тигель помещен в кварцевую трубку, заполненную азотом или водородом.
Н. — Это же самое делали моему дяде Жюлю!
Л. — Что сделали твоему дяде? Что, у него тоже были блохи?
Н. — Нет, из-за злополучного падения его коленный сустав заполнился синовиальной жидкостью, и ему делали высокочастотную диатермию.
Л. — Я понимаю. Колено помещают между двумя хорошо изолированными электродами, к которым подводят напряжение высокой частоты. Созданное таким образом электрическое поле благодаря потерям в диэлектрике нагревает больной орган. Но в отличие от этого при индукционном нагреве, используемом в зонной очистке, нагрев создается магнитным полем, которое наводит токи в массе полупроводника. Чудесная особенность высокочастотного нагрева заключается в том, что как при действии электрического поля на диэлектрик, так и при действии магнитного поля на проводник нагрев внутренних частей происходит не из-за постепенного проникновения тепла от периферийных частей в глубину (как это рекомендуется при приготовлении хорошего бифштекса), а одновременно на всю глубину.
Н. — Но вернемся к нашему германию. Катушка медленно двигается от одного конца тигля к другому…
Л. — …если только не сам тигель медленно движется внутри катушки, что дает такой же результат. В действительности устанавливается несколько катушек на определенном расстоянии одна от другой с тем, чтобы за один проход тигля получить несколько зон плавления, чередующихся с зонами затвердевания. Результат получается такой же, как если бы вдоль слитка германия несколько раз прогнали одну зону плавления. Я хочу подчеркнуть, что германий движется очень медленно: один миллиметр в минуту.
Н. — А что делают с кремнием?.
Л. — То же самое, только при более высокой температуре: если германий плавится при 940 °C, то для плавления кремния нужно 1420 °C.
После очистки-кристаллизация
Н. — А почему таким образом очищенный полупроводниковый материал нельзя непосредственно использовать для изготовления транзисторов? Разве он не кристаллический?
Л. — Он кристаллический, но это еще не такие кристаллы, какие нужны нам. После зонной очистки слиток состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Нам же нужна исключительно правильная, единая для всего куска германия кристаллическая решетка, ориентацию которой мы должны знать. Такую единую решетку, образующую монокристалл, получают путем выращивания кристалла вокруг маленького кристаллика, именуемого «затравкой».
Н. — В свое время я забавлялся, выращивая красивые кристаллы; для этого в стакан с крепким раствором поваренной соли я опускал нитку с приклеенным крохотным кристалликом соли. За неделю вокруг этого кристаллика образовывался чудесный прозрачный куб. Не таким ли образом выращивают кристаллы полупроводника?
Л. — Принцип тот же, но вместо раствора используют очищенный германий в расплавленном состоянии. В него опускают затравку, укрепленную на нижней части стержня, который вращается вокруг своей оси и одновременно очень медленно поднимается (рис. 35).
Рис. 35. Вытягивание монокристалла. Находящийся в тигле полупроводниковый материал поддерживается в расплавленном состоянии с помощью высокочастотного нагрева.
