Носители тока. Изготовление транзистора.

Металлы, подобные меди и алюминию, являются хорошими проводниками электричества. Стекло, резина и большинство пластиков-непроводники, или диэлектрики. Но существуют вещества, такие, как германий и кремний, которые нельзя отнести ни к хорошим, ни к плохим проводникам; их называют полупроводниками. Они используются для изготовления транзисторов и других полупроводниковых приборов.

Электронов и дырок, намеренно введенных в основной материал, как правило, оказывается значительно больше, чем собственных носителей [дырок (А) или электронов (Б)]

Носители тока. Атом в полупроводнике легко теряет один из своих электронов, а электрон соседнего атома может заменить его. Хотя такой обмен электронами происходит непрерывно, общий заряд вещества равен нулю, т.е. оно электрически нейтрально. Но при добавлении некоторых атомов других элементов в виде незначительной примеси, например атомов, имеющих на один электрон больше, чем у исходного вещества, создается совершенно новый материал. Добавление одного лишь атома нового вещества (фосфора, мышьяка или сурьмы) на каждые сто тысяч миллионов атомов германия или кремния создает так называемый полупроводник л-типа, в котором ток переносят несколько дополнительных электронов.

Возможна и противоположная ситуация, когда в веществе создается дефицит электронов в результате добавления атомов элементов, имеющих на один электрон меньше, чем у исходного вещества. В этом случае к германию или кремнию добавляют алюминий, галлий или индий в той же исключительно малой пропорции и получают полупроводник p-типа. В веществах обоих типов (p и n) электроны, участвующие в создании определенного типа проводимости, являются валентными и находятся на внешней оболочке атома.

В материалах n-типа ток создают лишние электроны, тогда как в веществах p-типа в результате переноса электронов образуются «дырки», которые и служат носителями тока. Поскольку дырка испытывает действие сил притяжения со стороны окружающих электронов, ее можно считать как бы положительно заряженной частицей. Носители заряда, составляющие в данном материале большинство, называются основными, другие - неосновными.

Простейшее полупроводниковое устройство-диод с р-n-переходом. Его изготавливают, соединяя вместе полупроводники противоположных типов, затем к каждому из них присоединяют проводник и заключают эту конструкцию в металлический или пластмассовый чехол, предварительно выведя концы проводников наружу. Если подобный прибор подключить к источнику тока таким образом, что ее положительный полюс будет присоединен к полупроводнику n-типа, то в цепи потечет очень слабый ток, состоящий только из неосновных носителей. Однако если полярность изменить, то в цепи потечет большой ток, состоящий из основных носителей.

В полупроводнике и-типа (А) электроны притягиваются к положительному полюсу источника тока. Но поскольку электроны также текут от отрицательного полюса к другому концу образца, он будет сохранять некоторый положительный заряд. В полупроводнике p-типа (Б) наблюдается аналогичная картина, однако здесь положительные дырки притягиваются к отрицательному полюсу источника тока. Изобретение транзистора в 1948 г. произвело революцию в электронике. Трудно было предположить, что полупроводники будут играть столь значительную роль в электронной промышленности.

Соединение двух различных полупроводниковых материалов (р- и n-типа) вызывает дрейф носителей тока через область перехода Как только несколько дырок и электронов пересекают ее, тонкий слой в каждом из материалов становится заряженным противоположно основному образцу - возникает слой, свободный от носителей. Такая структура действует как полупроводниковый диод.

Изготовление транзистора. Когда слой полупроводникового материала одного типа помещается между двумя слоями материала противоположного типа, получается обычное трехслойное полупроводниковое устройство с двумя р-n-переходами, называемое транзистором. Этот способ в равной мере может применяться для получения р-n-р- или n-р-n-транзисторов. Независимо от полярности напряжения тот и другой тип транзисторов можно использовать в цепи для усиления тока. В любом случае напряжение достаточно низкое: например, напряжение постоянного тока между коллектором и базой у n-р-n-транзистора составляет 6 В (вольт).

Если напряжение между базой и эмиттером возрастает, скажем, от 600 до 620 мВ, то ток коллектора может возрасти от 0,995 до 1,990 мА, тогда как соответствующий ток базы возрастет от 0,005 до 0,010 мА. Следовательно, увеличение тока базы на 0,005 мА приводит к увеличению тока коллектора на 0,995 мА, т. е. происходит усиление тока в 200 раз.

Первые транзисторы были точечно контактного типа, однако этот метод производства транзисторов вскоре был заменен методом вплавленного перехода. В этом методе для создания двух областей р-проводимости в пластине из материала n-типа (германия) используется нагрев. В результате получается полупроводник р-n-р-типа, который, однако, может действовать лишь при слабых токах.

Транзистор представляет собой структуру, подобную двум диодам, соединенным вместе (А, Б). В устройстве n-р-n (А, В) электроны текут от эмиттера n-типа к базе p-типа под действием прямого напряжения смещения. Ток базы мал. Большинство электронов притягивается сквозь тонкую базу под действием напряжения обратного смещения, создаваемого вторым диодом, в другую область n-типа, называемую коллектором. Таким образом, слабый ток дырок от базы к эмиттеру порождает большой поток электронов от эмиттера к коллектору. Происходит усиление тока, а также напряжения (Г).

Интегральные схемы. При более современном способе изготовления полупроводников кремниевые слои n- и p-типов наносят на поверхность кремниевой пластины, вырезанной из большого монокристалла. Таких слоев можно нанести много, причем атомы каждого нового слоя в электрическом отношении настолько соответствуют атомам основного кристалла, будто они всегда принадлежали этому кристаллу. Слои n- и p-типов покрывают окисью кремния для изоляции или металлом-для создания контактов между приборами, расположенными на этом же кристалле. Форму и размеры наносимого слоя проверяют, получая его изображение-маску фотографически или с помощью электронного пучка. Элементы такой схемы можно сделать настолько миниатюрными, насколько это позволяют размеры изображения-маски; при получении фотографической маски они обычно составляют порядка 10-4 см.

Эти достижения в технологии позволили создать множество новых микроэлектронных устройств, например полевые МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник), которые можно разместить на поверхности кристалла кремния гораздо плотнее, чем традиционные биполярные транзисторы. Это позволяет расположить на одном кремниевом кристалле блоки памяти ЭВМ. Некоторые приборы на интегральных схемах обладают уникальными свойствами, которые невозможно воспроизвести с помощью дискретных элементов.

В кремниевом транзисторе (А), поперечное сечение которого здесь показано (Б), n-р-n-переход находится под слоем двуокиси кремния. Эмиттер n-типа и база р-типа образуются путем диффузии через отверстия, протравленные в этом слое. Сам кристалл служит коллектором. Поскольку база очень тонка, время срабатывания транзистора составляет всего лишь 10 ^-8 с. Интегральная схема (В) состоит из большого числа биполярных транзисторов, размещенных на поверхности одного кристалла кремния. При создании n-р-n-прибора на кристалле р-типа коллектор n-типа и кристалл р-типа действуют как диод с отрицательным смещением. В полевых МОП-транзисторах (металл - окисел - полупроводник) используется только один тип носителей заряда - электроны или дырки. В полевом МОП-транзисторе (Г) два островка кремния n-типа, называемые источником и «стоком», разделены узким каналом, который проводит ток обычным способом. Отрицательный потенциал, приложенный к затвору, сужает канал и уменьшает ток. Прибор с зарядовой связью (Д) подобен МОП-транзистору с длинной цепочкой затворов между источником и «стоком». «Пакет» дырок задерживается, если к затвору приложено стабильное отрицательное напряжение. Если это отрицательное напряжение уменьшить и одновременно приложить к следующему затвору более сильное отрицательное напряжение, заряд пройдет через второй затвор и т.д.