Рис. 35. Вытягивание монокристалла. Находящийся в тигле полупроводниковый материал поддерживается в расплавленном состоянии с помощью высокочастотного нагрева.
Вокруг затравки атомы германия (или кремния) выстраиваются в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевает, обволакивая затравку. В результате этого процесса через несколько часов получают монокристаллический стержень диаметром в несколько сантиметров, длиной до 30 см, массой 1 кг и больше. Из него можно сделать тысячи транзисторов.
Н. — Одним словом, этот монокристалл представляет собой полупроводник высокой чистоты.
Л. — Нет, я забыл сказать тебе, что в расплавленную массу, из которой вытягивают монокристаллы, добавляют примесь типа р или n, так как для изготовления транзистора обычно требуется материал, содержащий определенную примесь в нужном количестве. Тогда одна из областей будущего транзистора, например база, уже будет готова.
А теперь немного механики
Н. — Ты сказал мне, что из одного монокристалла делают тысячи транзисторов; значит ли это, что его дробят на мелкие кусочки?
Л. — Разумеется. Для начала монокристалл режут, как обычную колбасу, на ломтики или пластинки толщиной от 0,1 до 2- мм. Такая тонкая операция производится алмазной дисковой пилой. Можно применять также ленточную пилу, состоящую из вольфрамовых нитей с абразивным покрытием. Затем каждая пластинка в свою очередь разрезается на маленькие квадратики со стороной в несколько миллиметров. Один такой квадратик с размером 2x2 мм при толщине 0,5 мм весит всего лишь 0,01 г. Ты можешь подсчитать, что теоретически одного монокристалла в 5 кг достаточно на полмиллиона транзисторов! В действительности же при обработке немалая часть монокристалла превращается в отходы, что снижает выход годных транзисторов.
Метод чередующихся ядов
Н. — Все же их получится внушительное количество, даже если предположить, что половина материала идет в отходы. Однако как эти чешуйки германия превращают в готовые транзисторы?
Л. — «Отравляя» такую чешуйку с обеих сторон примесью другого типа по сравнению с содержащейся в самой чешуйке. Например, если чешуйка вырезана из монокристалла с примесью типа n, то с обеих сторон в чешуйку вводят примесь типа р с тем, чтобы образовать эмиттер и коллектор транзистора типа р-n-р.
Н. — Уважаемый Любознайкин, у меня блестящая идея: почему бы не выпускать «полностью испеченные» транзисторы, вводя обе примеси сразу ж при вытягивании кристалла. Например, в начале вытягивания в расплавленную массу полупроводника можно было бы бросить примесь тала р, хотя бы индий. Затем после образования зоны р и выведения ее из расплава в последний можно было бы бросить примеси типа n, например мышьяк, чтобы получить зону с проводимостью типа n. Затем следовало бы добавить индия, чтобы акцепторы стали основными носителями зарядов, что снова дало бы нам зону р, и т. д. В конечном итоге мы получили бы стержень германия с чередующимися зонами типов р и n. Достаточно было бы разрезать его на пластинки с зоной типа n посередине, чтобы получить транзисторы типа р-n-р, и с зоной типа р посередине, чтобы получить транзисторы типа n-р-n. Согласись, Любознайкин, что иногда мне приходят в голову гениальные идеи!
Л. — Что мне нравится в тебе, так это скромность… К сожалению, твоя идея не нова. Она давно известна и лежит в основе изготовления так называемых выращенных или «тянутых» переходов. Метод этот неэкономичен, так как полученные с его помощью зоны обладают довольно большой толщиной. Кроме того, прибавляя каждый раз примесь то одного типа, то другого, непрерывно повышают содержание примесей в поочередно образуемых зонах, что также не лишено недостатков. Тем не менее метод выращивания переходов применяется еще и в наши дни, особенно при изготовлении транзисторов из кремния.
Сплавные транзисторы
Н. — Я еще раз убеждаюсь, что родился слишком поздно… Но вернемся к нашим чешуйкам — объясни мне, как на них формируют эмиттер и коллектор.
Л. — Для этого в зависимости от желаемой структуры транзистора применяют различные методы. Чаще всего процесс сводится к «отравлению» базы, т. е. введению в нее примесей другого типа, чем содержащиеся в материале базы. Наиболее простой и наиболее часто используемый метод заключается в накладывании на обе стороны пластинки германия типа n, служащей базой, маленьких кусочков («навесок») индия и быстром нагревании примерно до 600 °C. При этой температуре индий сплавляется с находящимся под ним слоем германия, несмотря на то что сам германий плавится только при 940 °C.
При остывании насыщенные индием области сплавления рекристаллизуются и приобретают проводимость типа р. Так получают транзистор структуры р-n-р (рис. 36).
Рис. 36. Схематический разрез сплавного транзистора структуры р-n-р.
Как мы уже говорили раньше, пластинка, образующая коллектор, больше пластинки эмиттера. Это облегчает тепловой режим транзистора (на коллекторе рассеивается большая мощность) и улучшает его усилительные свойства. Операцию сплавления проводят при тщательно подобранных температуре и времени нагрева, добиваясь того, чтобы остающаяся между расплавленными областями часть чешуйки, образующая базу, составляла менее одной двадцатой доли миллиметра. Транзисторы, изготовленные таким способом, называются сплавными; они применяются в области низких и умеренно высоких частот (на длинных и средних волнах).
Метод пара и диффузии
Л. — Так, начнем с вопроса о мощности. Кто говорит ватты — говорит калории. Для получения достаточной мощности при небольшом напряжении, типичном для транзисторов, необходимо прибегать к большим токам.
Н. — Разумеется, потому что мощность равна напряжению, умноженному на ток.
Л. — Браво! Но эти токи, проходя через переходы, имеющие малое сечение, выделяют на них тепло, а ты знаешь, как плохо полупроводники выдерживают температуру.
Н. — И какое же средство против этого ты предлагаешь?
Л. — Прежде всего нужно увеличить сечение полупроводника, следовательно, делать транзисторы с относительно большой площадью. Затем следует облегчить отвод тепла, укрепив для этого коллектор на большой металлической пластинке, служащей радиатором. Медь является прекрасным проводником тепла, ее и рекомендуется использовать для этой цели.
Н. — Значит, рациональное использование транзисторов требует знания законов теплотехники. Если я правильно понял, мне следует заняться изучением и этой науки, бедная моя головушка!
Л. — Успокойся, Незнайкин, для расчета распространения тепла можно пользоваться правилами расчета тока в электрических цепях; получаемые результаты вполне убедительны…
Но вернемся с мощным транзисторам. Я должен тебе сказать, что их часто изготовляют методом диффузии. Поместив пластинки полупроводника в атмосферу газа, содержащего пары примесей, которые должны образовать эмиттер и коллектор, нагревают полупроводниковые пластинки до температуры, близкой к их точке плавления. Атомы примесей постепенно проникают в полупроводник. Операция длится несколько часов. Это означает, что, дозируя содержание примесей в газе и регулируя длительность диффузии, можно точно определять глубину проникновения примесных атомов в материал базы. Кроме того, этот метод позволяет получать эмиттер и коллектор с необходимой для мощных транзисторов большой площадью.
Н. — Тем лучше, но что же тогда препятствует работе транзисторов на высоких частотах?
Два препятствия
Л. — Два фактора: время пробега и емкость.
Н. — О каком пробеге ты говоришь?
Л. — О проходе носителей заряда через базу от эмиттера к коллектору. Этим временем пренебрегать нельзя, потому что, как я тебе уже говорил; электроны и дырки перемещаются с довольно ограниченными скоростями. Возьмем, например, электроны, пробегающие за секунду 40 м. Допустим, что нам удалось сделать базу толщиной в 0,1 мм. Значит, для пробега этого пути электрону потребуется 2,5 мкс.
