Из чего делают транзисторы

Транзистор, иначе называемый полупроводниковым триодом — электронное устройство, основой которого являются полупроводниковые материалы. Основное назначение прибора — возможность, с помощью изменения слабого тока в управляющей цепи, получать усиленный сигнал на выходе. Полупроводниковый триод — одна из основных составляющих схем множества электронных устройств, от радиоприёмника до компьютера.

Типы транзисторов

Определение «транзистор» тесно связано с этимологией этого слова. Оно образовано от двух английских слов: transfer (переносить) и resistor (сопротивление). Действительно, принцип работы устройства связан с переносом (изменением) сопротивления в электрической цепи.

Существуют два основных класса полупроводниковых триодов:

Каждый класс, в свою очередь, делится на несколько разновидностей.

Биполярные:

• p-n-p тип (прямая проводимость);
• n-p-n тип (обратная проводимость).

Оба этих типа триодов могут использоваться в одной электронной схеме. Поэтому, для того чтобы не перепутать, какую именно деталь надо использовать в конкретном месте схемы, изображения p-n-p и n-p-n триодов отличаются друг от друга.

Полевые:

• униполярные с p-n переходом;
• МДП-транзисторы с изолированным затвором.

Принцип работы устройства

В электронике применяются полупроводники с электронной (n) или дырочной (p) проводимостью. Эти обозначения говорят о том, что в первом случае в полупроводнике преобладают отрицательно заряженные электроны, во втором — положительно заряженные дырки.

Рассмотрим, как устроен транзистор на примере биполярного полупроводникового триода. Внешне прибор выглядит как небольшая деталь в металлическом или пластиковом корпусе с тремя выводами. Внутри — своеобразный бутерброд из трёх слоёв полупроводника. Если центральный слой p-типа, то окружающие его слои — n-типа. Получается триод n-p-n. Если же центр, именуемый также базой, n-типа, то обкладки — из полупроводника с дырочной проводимостью, а структура устройства — p-n-p. Один из внешних слоёв называется эмиттером, другой коллектором. К каждой из этих трёх частей прибора бывает подведён соответствующий вывод.

Краткое пояснение, как работает транзистор, для «чайников» выглядит так. Возьмём для примера транзистор n-p-n, где эмиттер и коллектор являются слоями с преимущественно электронной проводимостью, а база — с дырочной.

Подключаем эмиттер к отрицательному выводу электрической батареи, а базу и коллектор — к положительному. Начинающему любителю электроники можно представить, что триод состоит из двух диодов, причём диод эмиттер — база включён в прямом направлении, и через него протекает ток, а диод база — коллектор включён в обратном направлении, и ток отсутствует.

Предположим, что мы включили в цепь базы переменный резистор, с помощью которого можем регулировать подаваемое на базу напряжение. Какой эффект мы получим при уменьшении напряжения до нуля? Ток в цепи эмиттер-база перестанет течь. Немного увеличим напряжение. Электроны из n — области эмиттера устремятся к базе, подключённой к плюсу батареи.

Важная деталь — база сделана максимально тонкой. Поэтому масса электронов проходит этот слой насквозь и оказывается в коллекторе под воздействием положительного полюса батареи, к которому притягивается. Таким образом, ток начинает проходить не только между эмиттером и базой, но и между эмиттером и коллектором. При этом ток коллектора значительно больше тока базы.

Ещё одно важное обстоятельство: небольшое изменение базового тока вызывает значительно более сильное изменение коллекторного тока. Таким образом, полупроводниковый триод служит для усиления различных сигналов. Обычно биполярные триоды чаще используются в аналоговой технике.

Полевые транзисторы

Этот тип триода отличается от биполярного не свойствами или функциями, а принципом работы. В полевом триоде ток движется от вывода, называемого истоком, к выводу, именуемому стоком, по полупроводнику одного вида проводимости, например, p. А управление силой этого тока производится с помощью изменения напряжения на третьем выводе — затворе.

Такая структура более точно отвечает требованиям современной цифровой техники, где в основном и применяются полевые триоды. Сегодняшние технологические возможности позволяют разместить на кристалле полупроводника площадью 1−2 квадратных сантиметров несколько миллиардов МДП-элементов с изолированным затвором. Таким образом создаются центральные процессоры персональных компьютеров.

Перспективы развития приборов

Перспективы лежат, в первую очередь, в сфере дальнейшей миниатюризации устройств. Так, американские учёные разрабатывают сегодня так называемый одномолекулярный транзистор. Основным элементом такого устройства является молекула бензола, к которой присоединены три электрода.

Если идея оправдает себя, появится возможность создания сверхмощных вычислительных комплексов. Ведь размер молекулы гораздо меньше размера сегодняшних МДП-триодов на кристалле кремниевого чипа.

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь U_d — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Изготовление — транзистор

Изготовление транзистора завершается вскрытием окон под контактные площадки и формированием слоя металлизации. В последнее время для формирования структур полевых транзисторов КНС используются также маскирующие слои из нитрида кремния. Изготовленные по такой технологии пленочные транзисторы обладают хорошими электрическими характеристиками. Усилительные свойства их остаются достаточно высокими до 4 — 6 ГГц. Напряжение пробоя затвор-сток превышает 20 — 30 В; пороговое напряжение не превышает 0 6 — 0 8 В. [2]

Изготовление эпитаксиального транзистора основано на выращивании пленок на исходном германии ( или кремнии), обладающих всеми свойствами монокристалла. На хорошо обработанной, очень гладкой подложке осаждаемая тонкая пленка полупроводникового материала полностью повторяет структуру подложки. [3]

Для изготовления транзистора из монокристалла германия о электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. [4]

Для изготовления транзистора в пластинку n — германия с обеих, сторон посредством диффузии или другим методом вводится акцепторная примесь, обычно индий. Таким образом, справа и слева образуются области с большой концентрацией дырок. Слой с n — проводимостью, лежащий посредине, называется базой. [6]

Для изготовления транзисторов по этой технологии образец полупроводника шлифуется при помощи тонкой струи сероуглерода до толщины порядка 0 01 — 0 025 мм. [7]

Для изготовления транзисторов идет материал с определенной диффузионной длиной. Коэффициент усиления транзистора при этом будет мал. L влияет также и на многие другие параметры транзистора. Практическое применение находит кремний с L 0 l -: — 0 5 мм и германий с L 0 3ч — 1 5 мм. [8]

Для изготовления транзистора берется материал, имеющий электропроводность га-типа. [9]

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п — р и типа п-р — п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью. [10]

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева ( например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50 — 80 Q. Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа. [11]

Для изготовления транзисторов применяют германий или кремний, так как подвижность носителей заряда в этих материалах больше, чем в других полупроводниках. Кроме того, рекомбинация электронов и дырок в этих веществах проходит сравнительно медленно, что важно для хорошей работы транзистора. [12]

Для изготовления транзисторов применяются германий и кремний. Элементы германий и кремний относятся к четвертой группе периодической системы. До сих пор большинство транзисторов делалось из германия, однако в будущем роль кремния как материала для транзисторов, видимо, возрастет, так как он позволяет изготавливать диоды и транзисторы с большой выходной мощностью. Причина отставания разработок кремниевых транзисторов заключается в том, что кремний характеризуется высокой температурой плавления ( температура плавления германия 935 С, а кремния 1420 С), а также в том, что очистка кремния сложна. [13]

Для изготовления транзисторов с заданными электрическими характеристиками необходимо очень точно выдержать размеры областей кристалла, соответствующие базе, эмиттеру и коллектору. При сплавном методе конфигурация отдельных областей транзистора сильно зависит от точности поддержания температуры, толщины пластинки, времени вплавления и количества примесей. Ничтожные отклонения любого показателя от номинального значения приводят к большому разбросу электрических параметров транзистора. Диффузионный процесс более медленный и лучше управляемый. Поэтому с помощью диффузии удается создать транзисторы, в которых размеры различных областей могут быть выдержаны значительно более точно. В частности, диффузионным методом можно создать транзисторы с очень тонкой базой, что существенно повышает частотный предел их работы. [14]

Для изготовления транзисторов , как и для изготовления других элементов полупроводниковых ИМС и межэлементных соединений, в настоящее время используется несколько разновидностей планарной технологии. Наиболее широко применяется планарно-диффузаочная и планарно-эпш аксиальная технология с изоляцией элементов с помощью обратносмещенных р-я-переходов. [15]