книги из ГПНТБ / Маркова В.Н. Малютки ПТ

У триодов обоих типов пробивное напряже­ ние не выше 3—5 в, а рассеиваемая мощность не превышает 25—50 мет. В поверхностно­ барьерных и микросплавных триодах велика угроза прокола, так как для достижения не­ обходимых пробивных напряжений ис.ходный материал должен иметь высокое удельное сопротивление. В германии с низким р на­ пряжение ІІароб составляет десятые доли вольта. Это исключает его применение в про­ изводстве микросплавных триодов.

М и к р о с п л а в н о й т р а н з и с т о р с

сплавные.

Оригинальное конструктивное решение германиевого триода с диффузионным коллек­ тором представлено на рис. 23. Такой триод имеет следующие параметры: /пер= 0,5 а; Рмакс—2 вт\ Гнао==Т7 ОМ\ /макс—850 МіЦ\ UK.6=25 в. Транзистор этого типа можно по­ лучить по технологии, включающей диффузию со стороны коллектора, электрохимическое травление, осаждение контактов и их вплавление на заданную глубину (микросплавление}, а также химическое обтравливание перехода по типу мезаетруктуры. Так как эмиттер на­ ходится не в плоскости базы, базовый вывод можно разместить на поверхности с высокой проводимостью недалеко от эмиттера. Это

U

обусловливает малые значения г0.б. Эмиттерный переход находится в области с более вы­ соким рб, ближе к коллектору, что обеспечи­

Рис. 23. Разрез микросплавно­ го транзистора с диффузион­ ным коллектором.

вает оптимальное напряжение пробоя и хоро­ шие частотные характеристики.

В приборе сочетаются лучшие качества высокочастотных транзисторов. Травление лунки на заданную глубину позволяет подво­ дить коллекторный контакт ближе, чем в лю­ бом другом транзисторе, и заменять массу кристалла в области коллектора массой ме­ талла. Благодаря мезаплошадке площадь коллекторного перехода Sn и его емкость ма­ лы. Такая конструкция коллектора позволяет значительно улучшить теплоотвод и повысить высокочастотные свойства прибора.

Опытный микрослойный триод является разновидностью усовершенствованного поверх­ ностно-барьерного транзистора. На вытрав­ ленный кристалл с перемычкой шириной 0,25 мкм с двух сторон наносят эпитаксиаль­ ный слой германия с проводимостью, близкой к собственной (Бтип). После покрытия лунок

7 2

электролитическим путем индием или кадмием производят микровплавление. В данном слу­ чае база состоит из трех слоев — і-п-і. Соот­

Рбг

значительно меньше, чем для однослойной высокоомной базы. Это повышает эффектив­ ность эмиттера у и, следовательно, увеличи­ вает коэффициент усиления по току. Чтобы ограничить распространение объемного заря­ да, прослойка п-типа может иметь низкое удельное сопротивление. Расчетная частота микрослойного транзистора— до 10 Ггц.

Вначале сплавной и поверхностно-барьер­ ный триоды получали различными технологи­ ческими путями. Конструкция, структура пере­ ходов, характеристики этих двух типов тран­ зисторов различны. «Потомки» этих транзи­ сторов— дрейфовый мезатриод с микросплавным эмиттером и микросплавной мезатриод с диффузионным коллектором не имеют прин­ ципиальных различий.

И хотя теоретические возможности триодов этого типа велики, требования микроэлектро­ ники, переход к монолитным твердым схемам делает их малоперспективными. Предпочтение отдается эпитаксиальным планарным транзи­ сторам.

Транзисторы, работающие на основных носителях

Примерно с 1950 г. начались конструктив­ ные поиски транзистора, который полностью был бы аналогом лампового триода с высоким

73

коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением.

Широко распространенные в то время то­ чечные триоды были нестабильными, с малым гвх и во всем, кроме габаритов и экономично­ сти питания, уступали лампам. Первые сплав­ ные триоды (1951 г.) работали на частотах в несколько десятков килогерц и тоже имели не­ большое входное сопротивление.

В 1952 г. Шокли разработал конструкцию транзистора, работавшего на основных носите­ лях, и назвал его униполярным, т. е. имеющим во всем триоде носители одного знака. Перве­

ром. Полевыми называют все приборы, у ко­ торых ток модулируется электростатическим полем управляющего электрода. Все они в гой или иной мере являются аналогами элек­ тронной лампы.

Практика показала, что полевые триоды на неосновных носителях, задуманные как более совершенные приборы, не могли заменить то­ ковые плоскостные триоды. На основе трио­ дов, работающих на неосновных носителях, были созданы новые схемы инверторов, триг­ геров, регистров сдвига, появились схемы с непосредственной связью — без сопротивлений и конденсаторов. Новейшие канальные трио­ ды, которые являются сейчас основой произ­ водства полупроводниковых приборов в Япо­ нии и Франции, по своим достоинствам во многом превзошли электронные лампы. Но и они не стали их полными аналогами, Луч­ шие канальные гриоды для логических

74

ячеек — это триоды на неосновных носителях. Наиболее простой современный канальный триод (рис. 241 представляет собой кристалл (брусок) кремния или германия, который

Рис. 24. Конструкция и схема включения каналь­ ного триода:

К — катод; А —■анод; С — сетка; пунктиром показана область, занятая объемным зарядом.

посредине, в месте вплавления выпрямляюще­ го контакта — затвора — утончен, а по краям имеет два омических контакта — исток (ка­ тод) и сток (анод). Переход — затвор — вклю­ чен в обратном направлении, поэтому на вхо­ де прибор а имеет высокое значение: несколько мегом. Управление полем сводится к модуляции ширины перехода затвора, т. е. ширины области кристалла, где находится за­ крепленный в узлах решетки пространствен­ ный заряд, а свободные носители тока почти - отсутствуют. Увеличение напряжения затвора приводит к расширению этой области за счет

75

остальной части кристалла. При этом эффек­ тивное сечение, через которое течет ток, уменьшается, сопротивление растет и выход­ ной ток падает. Другими словами, поле пере­ хода оттесняет электроны, оставляя им для прохода узкий канал. Если напряжение затво­ ра понизится, переход сузится и ток на выходе возрастет.

Управление сигналом, поданным на вход, будет эффективным тогда, когда изменение ширины перехода соизмеримо с шириной са­ мого бруска. Поэтому канальные триоды изго­ товляют из высокоомного материала — герма­ ния с р— 2—20 ом-см. При небольших изме­ нениях напряжения это обеспечивает значи­ тельное приращение ширины перехода, вплоть до полного запирания канала.

Несмотря на то, что на выходе прибора переходы отсутствуют, высокое сопротивление кристалла способствует повышению входного сопротивления (до 1 Мом). Усилительные свойства канального триода, так же как и ва­ куумной лампы, характеризуются крутизной

S — —гг— • Иногда, согласно транзисторной

в электрическом поле. При расстоянии между

fnp ширина базы сплавного триода должна быть 0,1 мкм, что практически невозможно. В идеальном случае канальный триод должен работать на частотах до 10 Ггц. Скорость про-

7 6

лета. носителей увеличивается за счет повы­ шения напряжения на контактах и уменьше­ ния длины канала I. Время установления за­ ряда, определяемое входной емкостью, зави­ сит от площади перехода.

Своеобразное решение проблемы емкости было найдено при разработке схемы транзи­ стора, названного текнетроном. Это каналь­ ный триод цилиндрической формы с кольцевой проточкой — горловинкой, на поверхности ко­ торой электролитическим путем нанесен узкий слой индия.

Входная емкость текнетрона около 0,1 пф. В нем значительно уменьшена обратная связь на распределенном сопротивлении между ка­ тодом и каналом. Эта часть кристалла явля­ ется общей для входной и выходной цепей так же, как база плоскостного триода в схеме с общей базой. В канальном триоде обратная связь отрицательна. Падение напряжения на распределенном сопротивлении Rvao имеет по­ лярность («—» на истоке, «-f» у затвора), по­ вышающую потенциал затвора. При отрица­ тельном значении Д UBS сужение канала при­ водит к уменьшению Д /вх и добавочного вну­ треннего напряжения. Если в начальный мо­ мент ширина перехода, определяемая внешней и внутренней составляющими,

% s = * о s V Ü внеш + ІвхЯраа

то после подачи на вход сигнала ДУВХ полу­ чим

77

где ход — ширина слоя объемного заряда при отсутствии сигнала.

Очевидно, разность &х=хга—*is без об­ ратной связи оказалась бы больше, т. е. уси­ ление выше.

В текнетроне удельное сопротивление гер­ мания постепенно изменяется вдоль образца; р катода примерно в 3000 раз меньше р ано­ да (п+-п структура). Горловинка помещается как можно ближе к катоду. Таким образом, /?Рао приближается к минимуму, а участок между затвором и стоком представляет собой высокое сопротивление. Рабочее напряжение текнетрона 30—90 в, максимальная частота около 1 Ггц.

Сконструирован опытный текнетрон с тре­ мя электродами на горловинке. Центральный электрод — сетка, а два прилегающих к нему электрода — фокусирующие электростатиче­ ские «линзы». У такого текнетрона макси­ мальная частота усиления достигает 5 Ггц.

Планарная диффузионная технология поз­ волила получить многоканальный (много­ стержневой) кремниевый текнетрон. Сквозь вытравленную решетку в окисном слое про­ изводится диффузия акцепторов в кристалл п+-п структуры. В «-области примеси перекомпенсируются с образованием решетки р-типа, которая служит затем сеткой.

Вобычном канальном триоде канал иногда искажается дырочным током.

Ввысокоомном электронном полупровод­ нике дырочным током, состоящим из неоснов­

ных равновесных носителей, генерируемых в объеме образца, можно пренебречь. Если к

7 8

этому току добавляется даже незначительная инжекция дырок одним из омических контак­ тов, дырочный ток начинает играть существен­ ную. роль. Направляясь к отрицательно заря­ женному переходу, дырки, снижая потенциал, повышают его проводимость. Технологически трудно получить чисто омический контакт без элементов инжекции. Кроме того, в электрон­ ном германии источником дырок может быть инверсионный слой под гальванически осаж­ денным металлом контакта. В кристалле п+-п структуры дырки рекомбинируют в п+-слое. Это второе преимущество текнетрона.

У канальных триодов максимальный вы­ ходной ток тем больше, чем толще кристалл под затвором. Напряжение отсечки t/0TC, при котором канал полностью перекрывается объемным зарядом, тем меньше, чем тоньше канал. Чтобы пропустить большой ток, канал должен быть широким, для обеспечения малых значений ІІ0тс — тонким, а для уменьшения времени пролета — коротким. Идеальная фор­ ма канала триода — тонкое, узкое кольцо. Че­ рез запертый канал течет ток отсечки, кото­ рый состоит из обратного тока затвора /0бр и тока утечки через канал. Величина / 0бР не зависит от напряжения стока. Такой режим работы называется режимом насыщения. Чем меньше утечка, тем выше Rsас, тем надежнее заперт триод.

Конструкция канального тетрода-алькатро- на — аналогична конструкции мощного сплав­ ного кольцевого триода, у которого централь­

79