История вычислительной техники, ч.7 элементы - транзисторы и диоды
Поскольку далее речь пойдет в том числе и о транзисторах (они нашли применение в ЭВМ второй половины 1950-х), даю по возможности короткое описание того, что такое транзистор, как он работает и какие транзисторы бывают.
1. Зонная структура твердых тел.
Согласно квантовой теории, электроны в атоме могут находиться только на строго определенных энергетических уровнях.
При сближении атомов в твердое тело, находящиеся на верхних (валентных, т.е. определяющих химическое поведение - валентность - химических элементов) энергетических уровнях, вступают во взаимодействие. При этом уровней остается столько же, сколько атомов в веществе, но они расходятся по некоторому диапазону энергий, образуя зоны. В каждой зоне уровней очень много (ведь атомы очень маленькие), и различие энергии между соседними уровнями ничтожно, поэтому зону можно считать сплошной.
Самая верхняя зона, в которой уровни хотя бы частично заполнены электронами, называется валентной. Следующая за ней - зоной проводимости. Между ними находится запрещенная зона - диапазон энергий, в котором нет уровней и электронов там быть не может.
По структуре зон все твердые тела делятся на два больших класса - металлы и неметаллы.
Металлы - у них валентная зона заполнена частично или зона проводимости сливается с валентной зоной. Поэтому электроны очень легко, почти не приобретая дополнительной энергии (хватает с избытком тепловой энергии) переходят на свободные уровни и таким образом перемещаются по всему объему металла. Металлы отличаются очень высокой электропроводностью и металлическим блеском - чистая ровная поверхность любого металла хорошо отражает свет (что объясняется высокой электропроводностью, достаточной, чтобы отражать электромагнитные волны светового диапазона, длина волны от 0.75 до 0.4 мкм).
У неметаллов есть запрещенная зона между валентной зоной (полностью заполненной) и зоной проводимости. Поэтому они проводят электричество хуже - электрону, чтобы обрести подвижность, нужно приобрести заметную энергию.
Неметаллы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Это определяется шириной запрещенной зоны. Если она невелика, так что достаточно многие электроны за счет тепловой энергии оказываются в зона проводимости, это проводник (например, графит). Если шире и проводимость не очень высока - полупроводник (очень многие вещества являются полупроводниками, например, кремний, германий, селен в кристаллической форме, окись меди, сульфид и селенид кадмия, сульфид свинца и др.). Если запрещенная зона еще шире и электропроводность практически отсутствует - изолятор. Конечно, это зависит от температуры. Одно и то же вещество при очень низких температурах (когда тепловая энергия много меньше ширины запрещенной зоны) может быть изолятором, при температурах повыше полупроводником, еще выше - проводником. Например, германий при температурах от -60 до +75 или 100 градусов Цельсия полупроводник, а при +150 проводник. Кремний - при +300 проводник.
В полупроводниковых приборах используются эффекты именно в полупроводниках.
Применяются (если не говорить о фотоприемных или светоизлучающих приборах) германий (раньше был очень распространен, т.к. технологически проще кремния, в наше время полностью вытеснен кремнием), кремний (почти все полупроводниковые приборы из него сделаны), карбид кремния (используется в высоковольтных силовых приборах), арсенид галлия (в некоторых приборах очень высоких частот), нитрид галлия (в мощных полевых транзисторах). Как часть структуры полупроводникового прибора иногда используют SiGe - соединение кремния и германия.
В чистом (беспримесном) полупроводнике небольшое количество электронов за счет тепловой энергии приобретают достаточную энергию, чтобы перейти в зону проводимости. При этом образуется в зоне проводимости подвижный электрон, а в валентной зоне подвижная дырка (место, где нет электрона, на него легко переходят электроны с соседних атомов, за счет этого дырка движется как частица с положительным зарядом, равным по величине, но противоположным по знаку, заряду электрона). Таким образом, в полупроводнике есть и отрицательные подвижные заряды (электроны), и положительные (дырки). Надо учитывать, что согласно квантовой теории частица - не точка, а "облачко вероятностей", причем размеры этого облачка больше, чем расстояние между ближайшими атомами в твердом теле. Поэтому точно сказать "вот он, электрон" или "вот она, дырка" нельзя, их следует рассматривать как возмущение в некоторой группе внешних электронов атомов. Но если речь о расстояниях много больше межатомного, удобно рассматривать это возмущение как частицу. У этой частицы есть заряд, равный заряду электрона по абсолютной величине, эквивалентная масса (меньше массы свободного электрона в вакууме) и подвижность.
В отличие от электрона в вакууме, движущегося без трения, носители заряда в твердом теле (электроны и дырки) испытывают трение о кристаллическую решетку. Подвижность и определяет, насколько мало это трение и соответственно насколько свободно они движутся. Подвижность значит гораздо больше, чем эквивалентная масса, т.к. практически именно она определяет движение носителей заряда. Для полупроводниковых приборов нужны материалы с наибольшей подвижностью носителей, они позволяют получить более высокое быстродействие.
Подвижность дырок всегда меньше подвижности электронов, у германия вдвое, у кремния втрое (примерно). У германия подвижность носителей выше, чем у кремния (подвижность дырок в германии примерно равна подвижности электронов в кремнии), но у кремния лучше температурные свойства за счет большей ширины запрещенной зоны. Именно поэтому германиевые приборы работают до температуры +70 - +85 град, а кремниевые до +150 +200 град. И именно по причине более широкого температурного диапазона кремний вытеснил германий.
У беспримесного германия удельное сопротивление около 60 ом*см, у кремния 200 тыс ом*см. С ростом температуры оно падает.
Время жизни.
Носители рано или поздно встречаются друг с другом и рекомбинируют. Были дырка и электрон - нет ни того, ни другого. В основном это происходит на дефектах кристалла или атомах примесей, образующих промежуточные энергетические уровни внутри запрещенной зоны. Причем эти дефекты или атомы в равной мере облегчают и генерацию, и рекомбинацию электронно-дырочных пар (в обоих случаях это "перепрыгивание пропасти в несколько прыжков" по промежуточным уровням, что более вероятно, чем перепрыгивание за один прыжок всей запрещенной зоны). Среднее время существования носителя известно как время жизни, оно составляет от 100 микросекунд (в очень чистом полупроводнике с минимумом дефектов) до единиц наносекунд. Часто его специально уменьшают, добавляя в полупроводник атомы подходящей примеси, например, золота. Это увеличивает скорость переключения транзисторов и диодов (хотя ухудшает их параметры на очень низких частотах).
Донорные и акцепторные примеси.
Если добавить к полупроводнику (валентностью 4 - германию, кремнию) атомы с валентностью 3 (для кремния - например, бор, такая примесь называется акцепторной, акцептор - получатель), то такие атомы легко захватывают четвертый электрон, образуется дырка и неподвижный отрицательный заряд. Если же с валентностью 5 (например, фосфор для кремния, донорная примесь, донор - отдающий) - легко отдают электрон, получается электрон и неподвижный положительный заряд. При этом полупроводник остается электрически нейтральным - число подвижных зарядов одного знака и неподвижных другого знака одинаково. Но число носителей одного вида становится больше, чем другого. При этом, поскольку скорость рекомбинации определяется произведением концентраций дырок и электронов, при росте концентрации дырок падает концентрация электронов и наоборот. Например, если дырок в 100 раз больше чем в беспримесном полупроводнике, электронов там в 100 раз меньше, чем в беспримесном, и дырок оказывается в 10 тысяч раз больше, чем электронов. Тот носитель, которого больше, называется основным, которого меньше - неосновным. Если больше дырок - проводимость P-типа (Positive - положительный), если электронов - N-типа (Negative - отрицательный).
Если есть и донорная, и акцепторная примесь - результат определяется разностью их концентраций. Например, если в некотором объеме полупроводника 100 атомов донора и 50 атомов акцептора - это означает, что 100 электронов отданы донором, 50 из них взяты акцептором, а 50 свободны, т.к. результат тот же, как если бы было только 50 атомов донора.
P-N переход.
Если часть кристалла полупроводника легирована донором, а другая часть акцептором, на границе этих частей возникает P-N переход. По одну его сторону много дырок, по другую много электронов, в ходе хаотического теплового движения через P-N переход в одну сторону (от P к N) идут дырки, в другую электроны. В результате P-область заряжается отрицательно и начинает отталкивать электроны, а N-область - положительно и отталкивает дырки. Эта разность потенциалов, называемая контактной, такова, что ток основных носителей падает до тока неосновных носителей (которые другого знака, и им эта разность потенциалов не мешает), а суммарный ток равен нулю. При этом образуется обедненная область, где практически нет основных носителей, есть лишь ионы доноров и акцепторов, заряды которых и создают эту разность потенциалов. Отсюда ясно, что чем больше концентрация примесей, тем тоньше P-N переход.
Если подать на P-N переход прямое напряжение (плюсом к P, минусом к N), то величина потенциального барьера, препятствующего движению основных носителей, уменьшится, их через переход пойдет больше, возникнет большой прямой ток при малом прямом напряжении.
Если же подать обратное напряжение, основные носители совсем не смогут проходить через переход, и его ток будет определяться только неосновными носителями, которых мало. Получается малый обратный ток при больших обратных напряжениях.
Обедненная область, по обе стороны которой находятся проводящие области, представляет собой конденсатор. Поскольку при обратном напряжении обедненная область расширяется, емкость этого конденсатора тем меньше, чем больше обратное напряжение.
Полупроводниковый диод.
Кристалл полупроводника с P-N переходом, от обеих сторон которого сделаны выводы - полупроводниковый диод.
Практически всегда у такого диода одна область легирована гораздо сильнее, чем другая. Сильно легированная область называется эмиттером, слабо легированная - базой. Прямой ток в основном состоит из впрыснутых из эмиттера в базу носителей (они для базы неосновные), т.к. в базе основных носителей гораздо меньше, чем в эмиттере. Обратный ток - наоборот, неосновные носители из базы в эмиттер, т.к. в базе их больше.
Предельное обратное напряжение диода определяется степенью легирования базы, т.к. чем оно выше - тем переход тоньше и пробивается при меньшем напряжении.
Все существенное в диоде происходит в базе, именно туда впрыскиваются носители (а в эмиттер мало), именно база имеет относительно большое сопротивление (а сильно легированный эмиттер малое).
Для диода в режиме переключения (именно в этом режиме он работает в дискретных схемах) характерна прямая и обратная инерционность.
Прямая инерционность - сразу после подачи прямого тока прямое напряжение велико, за счет падения напряжения на сопротивлении базы. Потом оно падает, за счет того, что неосновные носители приходят из эмиттера (и к ним подтягивается такое же количество основных, чтобы сохранилась электронейтральность), большое количество носителей снижает удельное сопротивление, создавая низкоомную область сперва у эмиттера, а потом распространяющуюся в глубину базы.
Обратная инерционность - при переключении диода с прямого тока на обратное напряжение неосновные носители (ранее пришедшие из эмиттера) проходят P-N переход, который для них не препятствие, а ускоритель. За счет этого после переключения обратный ток велик. Для снижения обратной инерционности снижают время жизни носителей в базе. Также обратная инерционность вызывается емкостью P-N перехода, которая при заряде (в ходе нарастания обратного напряжения) дает обратный ток.
Хороший диод для схем переключения имеет (динамические параметры) малую прямую инерционность (тонкая низкоомная база) и малую обратную инерционность (малая емкость и малое время жизни носителей). Также (статические параметры) прямое падение напряжения и обратный ток - чем меньше, тем лучше. Предельное обратное напряжение - не меньше, чем необходимо. Но завышать его нет смысла, т.к. это ухудшает все остальные параметры.
Диод Шоттки.
Контакт металла с полупроводником может быть омическим или выпрямляющим. Омические контакты очень важны, ведь ими осуществляется присоединение выводов к полупроводниковому прибору.
Выпрямляющий контакт носит название перехода Шоттки (по имени Вальтера Шоттки, в 1938 году создавшего теорию такого контакта). Он также содержит обедненный слой со стороны полупроводника. Его параметры определяются свойствами металла и параметрами (P или N, степень легирования) полупроводника. Проводимость этого перехода определяется током носителей (основных в прямом направлении, неосновных в обратном) из полупроводника в металл.
Диод на основе такого контакта - диод Шоттки. У него нет ни прямой, ни обратной инерционности, т.к. они обе определяютс\я инжекцией неосновных носителей в базу, которой в переходе Шоттки нет.
Диоды Шоттки - низковольтные (до 200 вольт предельное обратное напряжение, если на кремнии, обычно гораздо меньше). Быстродействующие. С малым прямым напряжением (меньше, чем у обычного P-N перехода). Обратный ток больше, чем у обычного диода.
Транзистор биполярный.
Его работа основана на транзисторном эффекте, за который в 1956 году дали Нобелевскую премию по физике.
Транзисторный эффект - свойство двух близко расположенных P-N переходов (т.е. структуры P-N-P или N-P-N). Если один из этих переходов (эмиттерный, на него подано прямое напряжение)) инжектирует в базу носители, другой (коллекторный, на него подано обратное напряжение) почти все их собирает. При этом ток базы, как правило, много меньше тока коллектора (усиление по току), а сопротивление эмиттера (смещенного в прямом направлении) много ниже сопротивления коллектора (в обратном направлении), что дает усиление по напряжению. То есть транзистор - это твердотельный усилительный прибор.
В дискретных схемах транзистор работает, как правило, в режиме переключения. Этот режим характеризуется тем, что транзистор то открыт, то закрыт, а в промежуточном режиме (усиления) находится только в краткие моменты переключения между открытым и закрытым состоянием. Используется в основном схема с общим эмиттером - эмиттер соединен с землей (общим проводом схемы), на базу подается входной сигнал, коллектор через резистор нагрузки соединен с питанием (отрицательным для P-N-P, положительным для N-P-N). Выход - коллектор.
Режим отсечки (транзистор закрыт) - на эмиттерном переходе обратное напряжение или столь малое прямое, что ток эмиттера очень мал. При этом мал и ток коллектора.
Активный режим - напряжение на коллекторе относительно велико (коллекторный переход смещен в обратном направлении), имеется относительно большой эмиттерный ток. При этом ток коллектора сильно зависит от параметров входной цепи - тока базы, напряжения база-эмиттер. Изменение тока базы вдвое (или изменение напряжения эмиттер-база на 20 милливольт) меняет ток коллектора примерно вдвое. Транзистор работает как усилитель.
Режим насыщения (транзистор открыт) - при наличии резистора в цепи коллектора напряжение коллектора с ростом тока коллектора падает. В конце концов напряжение на коллекторном переходе меняет знак и коллектор начинает, как и эмиттер, эмиттировать носители (которые частично поглощаются эмиттером, а частично увеличивают ток базы). При этом напряжение коллектор-эмиттер мало (десятки-сотни милливольт) и практически не зависит от тока базы.
Переключение транзистора из закрытого состояния в открытое (включение) происходит со скоростью, характерной для активного режима, определяется частотными свойствами в активном режиме.
Переключение транзистора из открытого в закрытое состояние (выключение) состоит из двух этапов:
1. Рассасывание накопленных при насыщении неосновных носителей, при этом напряжение коллектор-эмиттер низкое и практически не меняется.
2. Собственно выключение, происходит с примерно той же скоростью, что и включение.
Первый этап (рассасывание) может занимать гораздо больше времени, чем собственно выключение, поскольку носители при насыщении накапливаются не только в активной базе (между эмиттером и коллектором), откуда могут быть довольно быстро удалены, но и в пассивной базе (остальная часть базы), и в коллекторе (если он высокоомный, что характерно для транзисторов повышенного быстродействия).
Пример - для транзистора 2N2222 время включения в одном из режимов (ток коллектора 150 ма в открытом состоянии, напряжение коллектора 15 вольт в закрытом, при включении прямой ток базы 15 ма, при выключении он меняется на обратный 15 ма) - не более 35 нс, а выключения - 250 нс, из них 200 нс - время рассасывания. То есть именно рассасывание определяет общее быстродействие транзистора этого типа.
В любом случае, чем больше ток базы при переключении, тем быстрее переключение происходит. По этой причине стараются форсировать (увеличить) открывающий или закрывающий ток во время переключения.
Значительно сократить время рассасывания можно, сокращая время жизни неосновных носителей (обычно для этого легируют весь кристалл золотом). При этом падает и усиление на постоянном токе, но можно подобрать такую степень легирования, что усиление падает еще не сильно, а время рассасывания сокращается в десятки раз.
Наиболее быстрые схемы дискретной логики (ЭСЛ, ТТЛ-шоттки) не допускают ввода транзистора в насыщение. В открытом состоянии транзистор близко к насыщению, но еще в него не вошел.
Технологические разновидности транзисторов.
Первый транзистор - точечный, получен в 1947 году (первая публикация - в 1948). Представляет собой два близко расположенных точечных диода - два рядом расположенных металлических острия (коллектор и эмиттер), упирающихся в кристалл германия, являющийся базой. Обладал плохими параметрами, быстро вытеснен более совершенными конструкциями.
Сплавной транзистор (самое начало 1950-х) - пластинка германия, в которую с двух сторон вплавлены таблетки индия, с одной поменьше размерами эмиттер (в него для улучшения параметров добавлено около 2% галлия), с другой коллектор, побольше (чтобы и носители, идущие немного в сторону от края эмиттера, попадали на коллектор. Сначала капли индия вплавляются в пластинку на нужную глубину, а потом, когда температура падает, кристаллизуется сперва сильно обогащенный индием германий, а потом и сам индий. Получается P-N-P структура. Можно, применив другой материал для вплавления, получить и N-P-N.
Довольно низкочастотный, граничная частота 1-2 МГц, поскольку база толстая, порядка 100 мкм (выпускались и сплавные транзисторы с более высокой граничной частотой, до 20 МГц, более тонкая база в них получена за счет местного уменьшения толщины пластинки в месте вплавления, но они не нашли широкого применения).
Производились и кремниевые сплавные транзисторы, первые - 1954 год, фирима Texas Instruments, США. У них выше предельная рабочая температура, но по параметрам они хуже германиевых.
Поверхностно-барьерный транзистор (1953 г. фирма Philco, США) - пластинка германия подвергается электротравлению с двух сторон двумя встречными струйками электролита. Толщина оставшегося германия контролируется светом - с одной стороны освещают, с другой фотоэлемент меряет, много ли света прошло сквозь тончайший слой германия. Когда толщина достигает нужной (порядка 5 мкм), полярность тока меняют, и из электролита на поверхность образовавшихся лунок осаждается слой индия. При этом образуется тончайший слой сильно легированного индием германия между базой и индием. Граничная частота до 50 МГц, транзисторы очень низковольтные и маломощные. Но у них есть одно положительное для дискретных схем свойство - сочетание относительно высокого (для германия) напряжения база-эмиттер, при котором транзистор начинает открываться, и очень низкого напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения. Поэтому можно подключить базу следующего транзистора к коллектору предыдущего, получив логический элемент с непосредственной связью. В 1950-е годы эта технология считалась очень перспективной для дискретных схем. Однако есть у нее недостатки - недостаточная механическая прочность и дороговизна - ведь каждый транзистор изготовляется индивидуально. А дешевые транзисторы получаются при групповых методах изготовления (например, сотни или тысячи заготовок сплавных транзисторов загружаются в печь одновременно и сплавляются все сразу).
Разновидность поверхностно-барьерного транзистора - микросплавной. Он отличается тем, что поверхностно-барьерные структуры подвергаются еще и сплавлению в печи. Это несколько повышает прочность.
Сплавно-диффузионный транзистор. В P-германий вплавляется сплав акцепторной и донорной примеси. Донорная примесь диффундирует вглубь впереди фронта сплавления. В результате получается структура P-N-P, база которой образуется диффузией, а эмиттер - вплавлением. У такого транзистора переменная концентрация примеси в базе - меньше у коллектора (и мала емкость коллектора), больше у эмиттера (и мало сопротивление базы). Тонкая база обеспечивает высокую граничную частоту (от 30 мегагерц до нескольких сотен мегагерц). Эти транзисторы были получены независимо и практически одновременно в США и СССР в 1957 году.
Можно по такой технологии делать и кремниевые транзисторы, но у них параметры хуже.
Меза-транзистор - принцип близок к сплавно-диффузионному, но технологические отличия позволяют получить более высокочастотные транзисторы.
Планарный транзистор - на кремнии N-типа образуется слой окисла толщиной около 1 мкм (нагревом во влажном воздухе). Затем наносится тончайший слой фоторезиста (органического вещества, полимеризующегося под воздействием ультрафиолета) и через маску с соответствующим рисунком освещают ультрафиолетом. Неполимеризованный фоторезист смывается, и в этих местах травлением удаляется двуокись кремния. Этот процесс называется фотолитографией. Затем через окна в ультрафиолете производится диффузия акцепторной примеси. Получается база. Затем операции окисления и фотолитографии, делая меньшие отверстия в каждой области базы. Через эти отверстия производится диффузия донорной примеси - создается эмиттер. Затем проделываются отверстия в окисле для контактов с базой, на поверхность наносится напылением алюминий, излишки его стравливаются - образуются контакты базы и эмиттера, к которым крепятся проволочки, соединяющие эти контакты с внешними выводами. Получается структура, изображенная на рисунке.
Как правило, планарные транзисторы кремниевые (поскольку маску для диффузии очень просто получить на кремнии, просто окисляя его, а окись германия не обладает нужными свойствами). Но в СССР изготовлялись и планарные германиевые транзисторы сверхвысоких частот - 1Т311, 1Т329, 1Т330 и др. Для них приходилось специально напылять на германий маску для диффузии. 1Т311 довольно широко применялись в дискретных устройствах, в основном в измерительной технике, где на них строили счетчики с максимальной частотой счета до 25 МГц.
Эпитаксиально-планарный транзистор. Берется пластина низкоомного (сильно легированного донорной примесью) кремния, на ней выращивается тонкий слой более слабо легированного кремния. Далее на этой структуре изготовляется планарный транзистор. За счет того, что слой высокоомного кремния тонкий, у такого транзистора меньше напряжение насыщения, чем у планарного.
Возможно изготовление по такой технологии как P-N-P,так и N-P-N транзисторов. Практически все современные маломощные транзисторы изготовляются по эпитаксиально-планарной технологии.
Краткая история советских транзисторов.
Упоминаются самые ранние транзисторы, а далее те, что применялись в дискретных устройствах. Даты могут быть не совсем точными, т.к. между "разработаны", "выпущена опытная партия" и "начато серийное производство" всегда проходит некоторое время.
В 1953-1954 годах начато производство точечных транзисторов С1, С2 и сплавных П1, П2, П3. Недостаток этих сплавных транзисторов - плохая герметизация, из-за чего они были ненадежны и недолговечны.
в 1956 году начато производство транзисторов П-6 - усовершенствованных П1 в герметичном корпусе. В 1958 году они стали несколько по-другому сортироваться по группам и получили название П13-П15.
В 1957 году начато производство сплавно-диффузионных транзисторов П401-П403 (30-120 МГц). Они применялись в том числе и в дискретных устройствах.
В 1958-1959 г. начато производство сплавного транзистора для дискретных устройств П16 (в дальнейшем МП16, МП42). Более ранние сплавные транзисторы имели "динамическую утечку" (в режиме насыщения у них мог образоваться (за счет улавливания неосновных носителей дефектами на поверхности) проводящий канал между базой и коллектором. Сразу после выключения ток мог составлять несколько миллиампер и спадать постепенно в течение десятков микросекунд. Эффект был весьма нестабилен, отбор транзисторов без "динамической утечки" не гарантировал, что она не появится в процессе работы. Несколько лет ушло на разработку технологии, контролирующей этот эффект и сводящих его к безопасным величинам.
В 1959 году были разработаны транзисторы по теме "Полет" - быстродействующие с импульсным током до 1,5 ампер. Вначале П601-П602 с максимальным напряжением 25-30 вольт, потом к ним добавились П605 (45 вольт). Эти транзисторы стали основой формирователей токов для ферритовой памяти.
В 1960 году П416 - быстродействующий сплавно-диффузионный транзистор для дискретных устройств. Довольно много лет (пока не стали широко применяться микросхемы), П16 для более медленных устройств и П416 для более быстрых были основными транзисторами в советских дискретных устройствах, включая ЭВМ. П416 был впоследствии модернизирован и получил название 1Т308. Группа П416Б (1Т308В) отличалась исключительной однородностью и малым разбросом параметров, что, конечно, облегчало жизнь разработчикам и повышало параметры устройств, где они применялись. Другие группы (П416, П416А) - "полубрак", шедший в менее ответственные применения. Хотя если не в сравнении с П416Б - вполне добротные транзисторы.
В 1963 году было начато производство кремниевых (все предыдущие - германиевые) планарно-эпитаксиальных транзисторов для дискретных устройств. В корпусном варианте они носили название 2Т312, в бескорпусном (для схем с общей герметизацией) 2Т319, потом 2Т317. Граничная частота 80-120 МГц, время рассасывания 100-130 нс.
Далее кремниевые планарно-эпитаксиальные N-P-N (если не оговорено другое) транзисторы.
В середине 1960-х был создан бескорпусный транзистор 2Т318 высокого быстродействия (граничная частота 450 МГц, время рассасывания 10-15 нс), на котором с 1969 года делалась весьма популярная в свое время серия логических микросхем 217.
В 1967 году был выпущен транзистор КТ315 - в пластмассовом корпусе, дешевый и рассчитанный на сверхмассовый выпуск. Хотя параметры его в режиме переключения оставляли желать лучшего (большое время рассасывания из-за того, что не принято никаких мер по его снижению), он нашел применение в настольных клавишных калькуляторах, где использовался до перевода этих калькуляторов на микросхемы.
В 1969-1970 годах были созданы 2Т306 (бескорпусный вариант - 2Т307) и 2Т316 (бескорпусный вариант - 2Т324), высокого быстродействия (2Т316 граничная частота 800-1000 МГц, время рассасывания 10 нс) и P-N-P 2Т326. Они применялись, в частности, в формирователях и размножителях тактовых импульсов для устройств на ТТЛ микросхемах - для тактовых импульсов требуются более быстрые элементы, чем те, на которые эти тактовые импульсы подаются.
В это же время (1969-1970) для формирователей токов ферритовой памяти были созданы сборки из четырех транзисторов в миниатюрном плоском корпусе 1НТ251 (125НТ1) N-P-N и 2ТС622 P-N-P, максимальное напряжение 45 вольт, ток в импульсе до 0.8 ампера. Эти же транзисторы выпускались и как одиночные - 2Т608 N-P-N и 2Т620 P-N-P, но в виде сборок по 4 транзистора они позволили сделать гораздо более компактные устройства. 125НТ1 и 2ТС622 до сих пор широко используются в авиационной, космической и подобной технике, в том числе в новых разработках, в качестве сборок транзисторов общего назначения. Проверенные временем и очень надежные, они сохранили свою ценность.
В начале 1970-х - бескорпусный 2Т396 (тема Снайпер"), он был предназначен для схем размножения тактовых импульсов в ЭВМ на микросхемах ЭСЛ (серия 100), применялся в ЭВМ "Эльбрус-2".
И на этом все - дискретная электроника полностью перешла на микросхемы.
Отечественные диоды для дискретных устройств.
Первыми, в 1952 году были выпущены точечные диоды ДГ-Ц1 - ДГ-Ц8 (пополнявшиеся постепенно до ДГ-Ц17), высоковольтные их группы практически сразу нашли применение в ламповых дискретных устройствах.
В 1954 или 1955 - сплавные диоды ДГ-Ц21 - ДГ-Ц24 (дополненные вскоре ДГ-Ц25 - ДГ-Ц27), вскоре (1956 год) замененные на Д7А-Ж, отличавшиеся лучшей герметизацией корпуса (хотя некоторое время выпускались впараллель и те, и другие). Применялись в блоках питания.
Выпрямленный ток 0,3 А, напряжение 50-400 вольт.
Далее только диоды, применявшиеся в дискретных устройствах.
В 1957 году были выпущены Д2, нашедшие широчайшее применение в ламповых ЭВМ.
Чуть позже - точечные Д9 (применялись в транзисторных схемах, не очень быстрые, хорошо подходили по скорости к П16, для П416 были медленными) и Д10 (низковольтные, 10 вольт, применялись в транзисторных устройствах повышенного быстродействия).
В начале 1960-х - реально быстрые Д18 и МД3 (МД3 - сверхминиатюрный), Д18 вместе с 1Т311 применялись в счетчиках на частоты до 25 МГц.
Для ферритовой памяти с начала 1960-х выпускались Д219-Д220 (кремниевые сплавные повышенного быстродействия, ток в импульсе 0.5 А, напряжение 50-100 вольт) и германиевые меза-диффузионные Д311 (более быстрые, 30 вольт) и Д312 (не столь быстрые, но 100 вольт), импульсный ток 0.5-0.6 А.
Затем, с конца 1960-х - маломощные 2Д503 (быстрые) и для ферритовой памяти 2Д509, 2Д510 (50 вольт, импульсный ток до 1.5 А).
С того же времени выпускались диодные сборки 2Д908 (8 диодов с общим катодом) и 2Д917 (8 диодов с общим анодом) того же назначения и примерно с теми же параметрами, что 2Д510.
В 1970-е к ним добавились 2Д521, 2Д522 (примерно то же, что 2Д509, но в более миниатюрном корпусе.
1. Зонная структура твердых тел.
Согласно квантовой теории, электроны в атоме могут находиться только на строго определенных энергетических уровнях.
При сближении атомов в твердое тело, находящиеся на верхних (валентных, т.е. определяющих химическое поведение - валентность - химических элементов) энергетических уровнях, вступают во взаимодействие. При этом уровней остается столько же, сколько атомов в веществе, но они расходятся по некоторому диапазону энергий, образуя зоны. В каждой зоне уровней очень много (ведь атомы очень маленькие), и различие энергии между соседними уровнями ничтожно, поэтому зону можно считать сплошной.
Самая верхняя зона, в которой уровни хотя бы частично заполнены электронами, называется валентной. Следующая за ней - зоной проводимости. Между ними находится запрещенная зона - диапазон энергий, в котором нет уровней и электронов там быть не может.
По структуре зон все твердые тела делятся на два больших класса - металлы и неметаллы.
Металлы - у них валентная зона заполнена частично или зона проводимости сливается с валентной зоной. Поэтому электроны очень легко, почти не приобретая дополнительной энергии (хватает с избытком тепловой энергии) переходят на свободные уровни и таким образом перемещаются по всему объему металла. Металлы отличаются очень высокой электропроводностью и металлическим блеском - чистая ровная поверхность любого металла хорошо отражает свет (что объясняется высокой электропроводностью, достаточной, чтобы отражать электромагнитные волны светового диапазона, длина волны от 0.75 до 0.4 мкм).
У неметаллов есть запрещенная зона между валентной зоной (полностью заполненной) и зоной проводимости. Поэтому они проводят электричество хуже - электрону, чтобы обрести подвижность, нужно приобрести заметную энергию.
Неметаллы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Это определяется шириной запрещенной зоны. Если она невелика, так что достаточно многие электроны за счет тепловой энергии оказываются в зона проводимости, это проводник (например, графит). Если шире и проводимость не очень высока - полупроводник (очень многие вещества являются полупроводниками, например, кремний, германий, селен в кристаллической форме, окись меди, сульфид и селенид кадмия, сульфид свинца и др.). Если запрещенная зона еще шире и электропроводность практически отсутствует - изолятор. Конечно, это зависит от температуры. Одно и то же вещество при очень низких температурах (когда тепловая энергия много меньше ширины запрещенной зоны) может быть изолятором, при температурах повыше полупроводником, еще выше - проводником. Например, германий при температурах от -60 до +75 или 100 градусов Цельсия полупроводник, а при +150 проводник. Кремний - при +300 проводник.
В полупроводниковых приборах используются эффекты именно в полупроводниках.
Применяются (если не говорить о фотоприемных или светоизлучающих приборах) германий (раньше был очень распространен, т.к. технологически проще кремния, в наше время полностью вытеснен кремнием), кремний (почти все полупроводниковые приборы из него сделаны), карбид кремния (используется в высоковольтных силовых приборах), арсенид галлия (в некоторых приборах очень высоких частот), нитрид галлия (в мощных полевых транзисторах). Как часть структуры полупроводникового прибора иногда используют SiGe - соединение кремния и германия.
В чистом (беспримесном) полупроводнике небольшое количество электронов за счет тепловой энергии приобретают достаточную энергию, чтобы перейти в зону проводимости. При этом образуется в зоне проводимости подвижный электрон, а в валентной зоне подвижная дырка (место, где нет электрона, на него легко переходят электроны с соседних атомов, за счет этого дырка движется как частица с положительным зарядом, равным по величине, но противоположным по знаку, заряду электрона). Таким образом, в полупроводнике есть и отрицательные подвижные заряды (электроны), и положительные (дырки). Надо учитывать, что согласно квантовой теории частица - не точка, а "облачко вероятностей", причем размеры этого облачка больше, чем расстояние между ближайшими атомами в твердом теле. Поэтому точно сказать "вот он, электрон" или "вот она, дырка" нельзя, их следует рассматривать как возмущение в некоторой группе внешних электронов атомов. Но если речь о расстояниях много больше межатомного, удобно рассматривать это возмущение как частицу. У этой частицы есть заряд, равный заряду электрона по абсолютной величине, эквивалентная масса (меньше массы свободного электрона в вакууме) и подвижность.
В отличие от электрона в вакууме, движущегося без трения, носители заряда в твердом теле (электроны и дырки) испытывают трение о кристаллическую решетку. Подвижность и определяет, насколько мало это трение и соответственно насколько свободно они движутся. Подвижность значит гораздо больше, чем эквивалентная масса, т.к. практически именно она определяет движение носителей заряда. Для полупроводниковых приборов нужны материалы с наибольшей подвижностью носителей, они позволяют получить более высокое быстродействие.
Подвижность дырок всегда меньше подвижности электронов, у германия вдвое, у кремния втрое (примерно). У германия подвижность носителей выше, чем у кремния (подвижность дырок в германии примерно равна подвижности электронов в кремнии), но у кремния лучше температурные свойства за счет большей ширины запрещенной зоны. Именно поэтому германиевые приборы работают до температуры +70 - +85 град, а кремниевые до +150 +200 град. И именно по причине более широкого температурного диапазона кремний вытеснил германий.
У беспримесного германия удельное сопротивление около 60 ом*см, у кремния 200 тыс ом*см. С ростом температуры оно падает.
Время жизни.
Носители рано или поздно встречаются друг с другом и рекомбинируют. Были дырка и электрон - нет ни того, ни другого. В основном это происходит на дефектах кристалла или атомах примесей, образующих промежуточные энергетические уровни внутри запрещенной зоны. Причем эти дефекты или атомы в равной мере облегчают и генерацию, и рекомбинацию электронно-дырочных пар (в обоих случаях это "перепрыгивание пропасти в несколько прыжков" по промежуточным уровням, что более вероятно, чем перепрыгивание за один прыжок всей запрещенной зоны). Среднее время существования носителя известно как время жизни, оно составляет от 100 микросекунд (в очень чистом полупроводнике с минимумом дефектов) до единиц наносекунд. Часто его специально уменьшают, добавляя в полупроводник атомы подходящей примеси, например, золота. Это увеличивает скорость переключения транзисторов и диодов (хотя ухудшает их параметры на очень низких частотах).
Донорные и акцепторные примеси.
Если добавить к полупроводнику (валентностью 4 - германию, кремнию) атомы с валентностью 3 (для кремния - например, бор, такая примесь называется акцепторной, акцептор - получатель), то такие атомы легко захватывают четвертый электрон, образуется дырка и неподвижный отрицательный заряд. Если же с валентностью 5 (например, фосфор для кремния, донорная примесь, донор - отдающий) - легко отдают электрон, получается электрон и неподвижный положительный заряд. При этом полупроводник остается электрически нейтральным - число подвижных зарядов одного знака и неподвижных другого знака одинаково. Но число носителей одного вида становится больше, чем другого. При этом, поскольку скорость рекомбинации определяется произведением концентраций дырок и электронов, при росте концентрации дырок падает концентрация электронов и наоборот. Например, если дырок в 100 раз больше чем в беспримесном полупроводнике, электронов там в 100 раз меньше, чем в беспримесном, и дырок оказывается в 10 тысяч раз больше, чем электронов. Тот носитель, которого больше, называется основным, которого меньше - неосновным. Если больше дырок - проводимость P-типа (Positive - положительный), если электронов - N-типа (Negative - отрицательный).
Если есть и донорная, и акцепторная примесь - результат определяется разностью их концентраций. Например, если в некотором объеме полупроводника 100 атомов донора и 50 атомов акцептора - это означает, что 100 электронов отданы донором, 50 из них взяты акцептором, а 50 свободны, т.к. результат тот же, как если бы было только 50 атомов донора.
P-N переход.
Если часть кристалла полупроводника легирована донором, а другая часть акцептором, на границе этих частей возникает P-N переход. По одну его сторону много дырок, по другую много электронов, в ходе хаотического теплового движения через P-N переход в одну сторону (от P к N) идут дырки, в другую электроны. В результате P-область заряжается отрицательно и начинает отталкивать электроны, а N-область - положительно и отталкивает дырки. Эта разность потенциалов, называемая контактной, такова, что ток основных носителей падает до тока неосновных носителей (которые другого знака, и им эта разность потенциалов не мешает), а суммарный ток равен нулю. При этом образуется обедненная область, где практически нет основных носителей, есть лишь ионы доноров и акцепторов, заряды которых и создают эту разность потенциалов. Отсюда ясно, что чем больше концентрация примесей, тем тоньше P-N переход.
Если подать на P-N переход прямое напряжение (плюсом к P, минусом к N), то величина потенциального барьера, препятствующего движению основных носителей, уменьшится, их через переход пойдет больше, возникнет большой прямой ток при малом прямом напряжении.
Если же подать обратное напряжение, основные носители совсем не смогут проходить через переход, и его ток будет определяться только неосновными носителями, которых мало. Получается малый обратный ток при больших обратных напряжениях.
Обедненная область, по обе стороны которой находятся проводящие области, представляет собой конденсатор. Поскольку при обратном напряжении обедненная область расширяется, емкость этого конденсатора тем меньше, чем больше обратное напряжение.
Полупроводниковый диод.
Кристалл полупроводника с P-N переходом, от обеих сторон которого сделаны выводы - полупроводниковый диод.
Практически всегда у такого диода одна область легирована гораздо сильнее, чем другая. Сильно легированная область называется эмиттером, слабо легированная - базой. Прямой ток в основном состоит из впрыснутых из эмиттера в базу носителей (они для базы неосновные), т.к. в базе основных носителей гораздо меньше, чем в эмиттере. Обратный ток - наоборот, неосновные носители из базы в эмиттер, т.к. в базе их больше.
Предельное обратное напряжение диода определяется степенью легирования базы, т.к. чем оно выше - тем переход тоньше и пробивается при меньшем напряжении.
Все существенное в диоде происходит в базе, именно туда впрыскиваются носители (а в эмиттер мало), именно база имеет относительно большое сопротивление (а сильно легированный эмиттер малое).
Для диода в режиме переключения (именно в этом режиме он работает в дискретных схемах) характерна прямая и обратная инерционность.
Прямая инерционность - сразу после подачи прямого тока прямое напряжение велико, за счет падения напряжения на сопротивлении базы. Потом оно падает, за счет того, что неосновные носители приходят из эмиттера (и к ним подтягивается такое же количество основных, чтобы сохранилась электронейтральность), большое количество носителей снижает удельное сопротивление, создавая низкоомную область сперва у эмиттера, а потом распространяющуюся в глубину базы.
Обратная инерционность - при переключении диода с прямого тока на обратное напряжение неосновные носители (ранее пришедшие из эмиттера) проходят P-N переход, который для них не препятствие, а ускоритель. За счет этого после переключения обратный ток велик. Для снижения обратной инерционности снижают время жизни носителей в базе. Также обратная инерционность вызывается емкостью P-N перехода, которая при заряде (в ходе нарастания обратного напряжения) дает обратный ток.
Хороший диод для схем переключения имеет (динамические параметры) малую прямую инерционность (тонкая низкоомная база) и малую обратную инерционность (малая емкость и малое время жизни носителей). Также (статические параметры) прямое падение напряжения и обратный ток - чем меньше, тем лучше. Предельное обратное напряжение - не меньше, чем необходимо. Но завышать его нет смысла, т.к. это ухудшает все остальные параметры.
Диод Шоттки.
Контакт металла с полупроводником может быть омическим или выпрямляющим. Омические контакты очень важны, ведь ими осуществляется присоединение выводов к полупроводниковому прибору.
Выпрямляющий контакт носит название перехода Шоттки (по имени Вальтера Шоттки, в 1938 году создавшего теорию такого контакта). Он также содержит обедненный слой со стороны полупроводника. Его параметры определяются свойствами металла и параметрами (P или N, степень легирования) полупроводника. Проводимость этого перехода определяется током носителей (основных в прямом направлении, неосновных в обратном) из полупроводника в металл.
Диод на основе такого контакта - диод Шоттки. У него нет ни прямой, ни обратной инерционности, т.к. они обе определяютс\я инжекцией неосновных носителей в базу, которой в переходе Шоттки нет.
Диоды Шоттки - низковольтные (до 200 вольт предельное обратное напряжение, если на кремнии, обычно гораздо меньше). Быстродействующие. С малым прямым напряжением (меньше, чем у обычного P-N перехода). Обратный ток больше, чем у обычного диода.
Транзистор биполярный.
Его работа основана на транзисторном эффекте, за который в 1956 году дали Нобелевскую премию по физике.
Транзисторный эффект - свойство двух близко расположенных P-N переходов (т.е. структуры P-N-P или N-P-N). Если один из этих переходов (эмиттерный, на него подано прямое напряжение)) инжектирует в базу носители, другой (коллекторный, на него подано обратное напряжение) почти все их собирает. При этом ток базы, как правило, много меньше тока коллектора (усиление по току), а сопротивление эмиттера (смещенного в прямом направлении) много ниже сопротивления коллектора (в обратном направлении), что дает усиление по напряжению. То есть транзистор - это твердотельный усилительный прибор.
В дискретных схемах транзистор работает, как правило, в режиме переключения. Этот режим характеризуется тем, что транзистор то открыт, то закрыт, а в промежуточном режиме (усиления) находится только в краткие моменты переключения между открытым и закрытым состоянием. Используется в основном схема с общим эмиттером - эмиттер соединен с землей (общим проводом схемы), на базу подается входной сигнал, коллектор через резистор нагрузки соединен с питанием (отрицательным для P-N-P, положительным для N-P-N). Выход - коллектор.
Режим отсечки (транзистор закрыт) - на эмиттерном переходе обратное напряжение или столь малое прямое, что ток эмиттера очень мал. При этом мал и ток коллектора.
Активный режим - напряжение на коллекторе относительно велико (коллекторный переход смещен в обратном направлении), имеется относительно большой эмиттерный ток. При этом ток коллектора сильно зависит от параметров входной цепи - тока базы, напряжения база-эмиттер. Изменение тока базы вдвое (или изменение напряжения эмиттер-база на 20 милливольт) меняет ток коллектора примерно вдвое. Транзистор работает как усилитель.
Режим насыщения (транзистор открыт) - при наличии резистора в цепи коллектора напряжение коллектора с ростом тока коллектора падает. В конце концов напряжение на коллекторном переходе меняет знак и коллектор начинает, как и эмиттер, эмиттировать носители (которые частично поглощаются эмиттером, а частично увеличивают ток базы). При этом напряжение коллектор-эмиттер мало (десятки-сотни милливольт) и практически не зависит от тока базы.
Переключение транзистора из закрытого состояния в открытое (включение) происходит со скоростью, характерной для активного режима, определяется частотными свойствами в активном режиме.
Переключение транзистора из открытого в закрытое состояние (выключение) состоит из двух этапов:
1. Рассасывание накопленных при насыщении неосновных носителей, при этом напряжение коллектор-эмиттер низкое и практически не меняется.
2. Собственно выключение, происходит с примерно той же скоростью, что и включение.
Первый этап (рассасывание) может занимать гораздо больше времени, чем собственно выключение, поскольку носители при насыщении накапливаются не только в активной базе (между эмиттером и коллектором), откуда могут быть довольно быстро удалены, но и в пассивной базе (остальная часть базы), и в коллекторе (если он высокоомный, что характерно для транзисторов повышенного быстродействия).
Пример - для транзистора 2N2222 время включения в одном из режимов (ток коллектора 150 ма в открытом состоянии, напряжение коллектора 15 вольт в закрытом, при включении прямой ток базы 15 ма, при выключении он меняется на обратный 15 ма) - не более 35 нс, а выключения - 250 нс, из них 200 нс - время рассасывания. То есть именно рассасывание определяет общее быстродействие транзистора этого типа.
В любом случае, чем больше ток базы при переключении, тем быстрее переключение происходит. По этой причине стараются форсировать (увеличить) открывающий или закрывающий ток во время переключения.
Значительно сократить время рассасывания можно, сокращая время жизни неосновных носителей (обычно для этого легируют весь кристалл золотом). При этом падает и усиление на постоянном токе, но можно подобрать такую степень легирования, что усиление падает еще не сильно, а время рассасывания сокращается в десятки раз.
Наиболее быстрые схемы дискретной логики (ЭСЛ, ТТЛ-шоттки) не допускают ввода транзистора в насыщение. В открытом состоянии транзистор близко к насыщению, но еще в него не вошел.
Технологические разновидности транзисторов.
Первый транзистор - точечный, получен в 1947 году (первая публикация - в 1948). Представляет собой два близко расположенных точечных диода - два рядом расположенных металлических острия (коллектор и эмиттер), упирающихся в кристалл германия, являющийся базой. Обладал плохими параметрами, быстро вытеснен более совершенными конструкциями.
Сплавной транзистор (самое начало 1950-х) - пластинка германия, в которую с двух сторон вплавлены таблетки индия, с одной поменьше размерами эмиттер (в него для улучшения параметров добавлено около 2% галлия), с другой коллектор, побольше (чтобы и носители, идущие немного в сторону от края эмиттера, попадали на коллектор. Сначала капли индия вплавляются в пластинку на нужную глубину, а потом, когда температура падает, кристаллизуется сперва сильно обогащенный индием германий, а потом и сам индий. Получается P-N-P структура. Можно, применив другой материал для вплавления, получить и N-P-N.
Довольно низкочастотный, граничная частота 1-2 МГц, поскольку база толстая, порядка 100 мкм (выпускались и сплавные транзисторы с более высокой граничной частотой, до 20 МГц, более тонкая база в них получена за счет местного уменьшения толщины пластинки в месте вплавления, но они не нашли широкого применения).
Производились и кремниевые сплавные транзисторы, первые - 1954 год, фирима Texas Instruments, США. У них выше предельная рабочая температура, но по параметрам они хуже германиевых.
Поверхностно-барьерный транзистор (1953 г. фирма Philco, США) - пластинка германия подвергается электротравлению с двух сторон двумя встречными струйками электролита. Толщина оставшегося германия контролируется светом - с одной стороны освещают, с другой фотоэлемент меряет, много ли света прошло сквозь тончайший слой германия. Когда толщина достигает нужной (порядка 5 мкм), полярность тока меняют, и из электролита на поверхность образовавшихся лунок осаждается слой индия. При этом образуется тончайший слой сильно легированного индием германия между базой и индием. Граничная частота до 50 МГц, транзисторы очень низковольтные и маломощные. Но у них есть одно положительное для дискретных схем свойство - сочетание относительно высокого (для германия) напряжения база-эмиттер, при котором транзистор начинает открываться, и очень низкого напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения. Поэтому можно подключить базу следующего транзистора к коллектору предыдущего, получив логический элемент с непосредственной связью. В 1950-е годы эта технология считалась очень перспективной для дискретных схем. Однако есть у нее недостатки - недостаточная механическая прочность и дороговизна - ведь каждый транзистор изготовляется индивидуально. А дешевые транзисторы получаются при групповых методах изготовления (например, сотни или тысячи заготовок сплавных транзисторов загружаются в печь одновременно и сплавляются все сразу).
Разновидность поверхностно-барьерного транзистора - микросплавной. Он отличается тем, что поверхностно-барьерные структуры подвергаются еще и сплавлению в печи. Это несколько повышает прочность.
Сплавно-диффузионный транзистор. В P-германий вплавляется сплав акцепторной и донорной примеси. Донорная примесь диффундирует вглубь впереди фронта сплавления. В результате получается структура P-N-P, база которой образуется диффузией, а эмиттер - вплавлением. У такого транзистора переменная концентрация примеси в базе - меньше у коллектора (и мала емкость коллектора), больше у эмиттера (и мало сопротивление базы). Тонкая база обеспечивает высокую граничную частоту (от 30 мегагерц до нескольких сотен мегагерц). Эти транзисторы были получены независимо и практически одновременно в США и СССР в 1957 году.
Можно по такой технологии делать и кремниевые транзисторы, но у них параметры хуже.
Меза-транзистор - принцип близок к сплавно-диффузионному, но технологические отличия позволяют получить более высокочастотные транзисторы.
Планарный транзистор - на кремнии N-типа образуется слой окисла толщиной около 1 мкм (нагревом во влажном воздухе). Затем наносится тончайший слой фоторезиста (органического вещества, полимеризующегося под воздействием ультрафиолета) и через маску с соответствующим рисунком освещают ультрафиолетом. Неполимеризованный фоторезист смывается, и в этих местах травлением удаляется двуокись кремния. Этот процесс называется фотолитографией. Затем через окна в ультрафиолете производится диффузия акцепторной примеси. Получается база. Затем операции окисления и фотолитографии, делая меньшие отверстия в каждой области базы. Через эти отверстия производится диффузия донорной примеси - создается эмиттер. Затем проделываются отверстия в окисле для контактов с базой, на поверхность наносится напылением алюминий, излишки его стравливаются - образуются контакты базы и эмиттера, к которым крепятся проволочки, соединяющие эти контакты с внешними выводами. Получается структура, изображенная на рисунке.
Как правило, планарные транзисторы кремниевые (поскольку маску для диффузии очень просто получить на кремнии, просто окисляя его, а окись германия не обладает нужными свойствами). Но в СССР изготовлялись и планарные германиевые транзисторы сверхвысоких частот - 1Т311, 1Т329, 1Т330 и др. Для них приходилось специально напылять на германий маску для диффузии. 1Т311 довольно широко применялись в дискретных устройствах, в основном в измерительной технике, где на них строили счетчики с максимальной частотой счета до 25 МГц.
Эпитаксиально-планарный транзистор. Берется пластина низкоомного (сильно легированного донорной примесью) кремния, на ней выращивается тонкий слой более слабо легированного кремния. Далее на этой структуре изготовляется планарный транзистор. За счет того, что слой высокоомного кремния тонкий, у такого транзистора меньше напряжение насыщения, чем у планарного.
Возможно изготовление по такой технологии как P-N-P,так и N-P-N транзисторов. Практически все современные маломощные транзисторы изготовляются по эпитаксиально-планарной технологии.
Краткая история советских транзисторов.
Упоминаются самые ранние транзисторы, а далее те, что применялись в дискретных устройствах. Даты могут быть не совсем точными, т.к. между "разработаны", "выпущена опытная партия" и "начато серийное производство" всегда проходит некоторое время.
В 1953-1954 годах начато производство точечных транзисторов С1, С2 и сплавных П1, П2, П3. Недостаток этих сплавных транзисторов - плохая герметизация, из-за чего они были ненадежны и недолговечны.
в 1956 году начато производство транзисторов П-6 - усовершенствованных П1 в герметичном корпусе. В 1958 году они стали несколько по-другому сортироваться по группам и получили название П13-П15.
В 1957 году начато производство сплавно-диффузионных транзисторов П401-П403 (30-120 МГц). Они применялись в том числе и в дискретных устройствах.
В 1958-1959 г. начато производство сплавного транзистора для дискретных устройств П16 (в дальнейшем МП16, МП42). Более ранние сплавные транзисторы имели "динамическую утечку" (в режиме насыщения у них мог образоваться (за счет улавливания неосновных носителей дефектами на поверхности) проводящий канал между базой и коллектором. Сразу после выключения ток мог составлять несколько миллиампер и спадать постепенно в течение десятков микросекунд. Эффект был весьма нестабилен, отбор транзисторов без "динамической утечки" не гарантировал, что она не появится в процессе работы. Несколько лет ушло на разработку технологии, контролирующей этот эффект и сводящих его к безопасным величинам.
В 1959 году были разработаны транзисторы по теме "Полет" - быстродействующие с импульсным током до 1,5 ампер. Вначале П601-П602 с максимальным напряжением 25-30 вольт, потом к ним добавились П605 (45 вольт). Эти транзисторы стали основой формирователей токов для ферритовой памяти.
В 1960 году П416 - быстродействующий сплавно-диффузионный транзистор для дискретных устройств. Довольно много лет (пока не стали широко применяться микросхемы), П16 для более медленных устройств и П416 для более быстрых были основными транзисторами в советских дискретных устройствах, включая ЭВМ. П416 был впоследствии модернизирован и получил название 1Т308. Группа П416Б (1Т308В) отличалась исключительной однородностью и малым разбросом параметров, что, конечно, облегчало жизнь разработчикам и повышало параметры устройств, где они применялись. Другие группы (П416, П416А) - "полубрак", шедший в менее ответственные применения. Хотя если не в сравнении с П416Б - вполне добротные транзисторы.
В 1963 году было начато производство кремниевых (все предыдущие - германиевые) планарно-эпитаксиальных транзисторов для дискретных устройств. В корпусном варианте они носили название 2Т312, в бескорпусном (для схем с общей герметизацией) 2Т319, потом 2Т317. Граничная частота 80-120 МГц, время рассасывания 100-130 нс.
Далее кремниевые планарно-эпитаксиальные N-P-N (если не оговорено другое) транзисторы.
В середине 1960-х был создан бескорпусный транзистор 2Т318 высокого быстродействия (граничная частота 450 МГц, время рассасывания 10-15 нс), на котором с 1969 года делалась весьма популярная в свое время серия логических микросхем 217.
В 1967 году был выпущен транзистор КТ315 - в пластмассовом корпусе, дешевый и рассчитанный на сверхмассовый выпуск. Хотя параметры его в режиме переключения оставляли желать лучшего (большое время рассасывания из-за того, что не принято никаких мер по его снижению), он нашел применение в настольных клавишных калькуляторах, где использовался до перевода этих калькуляторов на микросхемы.
В 1969-1970 годах были созданы 2Т306 (бескорпусный вариант - 2Т307) и 2Т316 (бескорпусный вариант - 2Т324), высокого быстродействия (2Т316 граничная частота 800-1000 МГц, время рассасывания 10 нс) и P-N-P 2Т326. Они применялись, в частности, в формирователях и размножителях тактовых импульсов для устройств на ТТЛ микросхемах - для тактовых импульсов требуются более быстрые элементы, чем те, на которые эти тактовые импульсы подаются.
В это же время (1969-1970) для формирователей токов ферритовой памяти были созданы сборки из четырех транзисторов в миниатюрном плоском корпусе 1НТ251 (125НТ1) N-P-N и 2ТС622 P-N-P, максимальное напряжение 45 вольт, ток в импульсе до 0.8 ампера. Эти же транзисторы выпускались и как одиночные - 2Т608 N-P-N и 2Т620 P-N-P, но в виде сборок по 4 транзистора они позволили сделать гораздо более компактные устройства. 125НТ1 и 2ТС622 до сих пор широко используются в авиационной, космической и подобной технике, в том числе в новых разработках, в качестве сборок транзисторов общего назначения. Проверенные временем и очень надежные, они сохранили свою ценность.
В начале 1970-х - бескорпусный 2Т396 (тема Снайпер"), он был предназначен для схем размножения тактовых импульсов в ЭВМ на микросхемах ЭСЛ (серия 100), применялся в ЭВМ "Эльбрус-2".
И на этом все - дискретная электроника полностью перешла на микросхемы.
Отечественные диоды для дискретных устройств.
Первыми, в 1952 году были выпущены точечные диоды ДГ-Ц1 - ДГ-Ц8 (пополнявшиеся постепенно до ДГ-Ц17), высоковольтные их группы практически сразу нашли применение в ламповых дискретных устройствах.
В 1954 или 1955 - сплавные диоды ДГ-Ц21 - ДГ-Ц24 (дополненные вскоре ДГ-Ц25 - ДГ-Ц27), вскоре (1956 год) замененные на Д7А-Ж, отличавшиеся лучшей герметизацией корпуса (хотя некоторое время выпускались впараллель и те, и другие). Применялись в блоках питания.
Выпрямленный ток 0,3 А, напряжение 50-400 вольт.
Далее только диоды, применявшиеся в дискретных устройствах.
В 1957 году были выпущены Д2, нашедшие широчайшее применение в ламповых ЭВМ.
Чуть позже - точечные Д9 (применялись в транзисторных схемах, не очень быстрые, хорошо подходили по скорости к П16, для П416 были медленными) и Д10 (низковольтные, 10 вольт, применялись в транзисторных устройствах повышенного быстродействия).
В начале 1960-х - реально быстрые Д18 и МД3 (МД3 - сверхминиатюрный), Д18 вместе с 1Т311 применялись в счетчиках на частоты до 25 МГц.
Для ферритовой памяти с начала 1960-х выпускались Д219-Д220 (кремниевые сплавные повышенного быстродействия, ток в импульсе 0.5 А, напряжение 50-100 вольт) и германиевые меза-диффузионные Д311 (более быстрые, 30 вольт) и Д312 (не столь быстрые, но 100 вольт), импульсный ток 0.5-0.6 А.
Затем, с конца 1960-х - маломощные 2Д503 (быстрые) и для ферритовой памяти 2Д509, 2Д510 (50 вольт, импульсный ток до 1.5 А).
С того же времени выпускались диодные сборки 2Д908 (8 диодов с общим катодом) и 2Д917 (8 диодов с общим анодом) того же назначения и примерно с теми же параметрами, что 2Д510.
В 1970-е к ним добавились 2Д521, 2Д522 (примерно то же, что 2Д509, но в более миниатюрном корпусе.