Tranzistoare cu germaniu. La ce se folosesc tranzistorii?

Este considerată pe bună dreptate una dintre invențiile semnificative ale secolului al XX-lea. invenția tranzistorului, care a înlocuit tuburile cu vid.

Multă vreme, lămpile au fost singura componentă activă a tuturor dispozitivelor radio-electronice, deși prezentau multe dezavantaje. În primul rând, acestea sunt un consum mare de energie, dimensiuni mari, durată scurtă de viață și rezistență mecanică scăzută. Aceste neajunsuri au fost resimțite din ce în ce mai acut pe măsură ce echipamentele electronice s-au îmbunătățit și au devenit mai complexe.

O revoluție revoluționară în ingineria radio a avut loc atunci când lămpile învechite au fost înlocuite cu dispozitive de amplificare cu semiconductori - tranzistoare, lipsite de toate dezavantajele menționate.

Primul tranzistor funcțional a luat naștere în 1947, datorită eforturilor angajaților companiei americane Bell Telephone Laboratories. Numele lor sunt acum cunoscute în întreaga lume. Aceștia sunt oameni de știință - fizicienii W. Shockley, D. Bardeen și W. Brighten. Deja în 1956, toți trei au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru această invenție.

Dar, ca multe mari invenții, tranzistorul nu a fost observat imediat. Doar unul dintre ziarele americane a menționat că Bell Telephone Laboratories a demonstrat un dispozitiv pe care l-a creat, numit tranzistor. S-a mai spus acolo că poate fi folosit în unele domenii ale ingineriei electrice în locul tuburilor vidate.

Tranzistorul prezentat era sub forma unui mic cilindru metalic lung de 13 mm și a fost demonstrat într-un receptor care nu avea tuburi vidate. În plus, compania a asigurat că dispozitivul poate fi folosit nu doar pentru amplificare, ci și pentru generarea sau convertirea unui semnal electric.

Orez. 1. Primul tranzistor

Orez. 2. John Bardeen, William Shockley și Walter Brattain. Ei au împărtășit Premiul Nobel din 1956 pentru colaborarea lor în dezvoltarea primului tranzistor operațional din lume în 1948.

Dar capacitățile tranzistorului, ca multe alte mari descoperiri, nu au fost imediat înțelese și apreciate. Pentru a genera interes pentru noul dispozitiv, Bell l-a promovat intens la seminarii și în articole și a oferit tuturor licențe pentru producerea acestuia.

Producătorii de tuburi electronice nu au văzut tranzistorul ca pe un concurent serios, deoarece era imposibil să scadă imediat, dintr-o singură lovitură, istoria de treizeci de ani a producției de tuburi de câteva sute de modele și investiții de mai multe milioane de dolari în dezvoltarea lor și producție. Prin urmare, tranzistorul nu a intrat atât de repede în electronică, deoarece era tuburilor cu vid era încă în desfășurare.

Orez. 3. Tranzistor și tub de vid

Primii pași către semiconductori

Din cele mai vechi timpuri, ingineria electrică a folosit în principal două tipuri de materiale - conductori și dielectrici (izolatori). Metalele, soluțiile de sare și unele gaze au capacitatea de a conduce curentul. Această capacitate se datorează prezenței purtătorilor de sarcină liberi - electroni - în conductori. În conductoare, electronii sunt destul de ușor separați de atom, dar acele metale care au rezistență scăzută (cuprul, aluminiul, argintul, aurul) sunt cele mai potrivite pentru transmiterea energiei electrice.

Izolatorii sunt substanțe cu rezistență ridicată; electronii lor sunt legați foarte strâns de atom. Acestea sunt porțelan, sticlă, cauciuc, ceramică, plastic. Prin urmare, nu există taxe gratuite în aceste substanțe, ceea ce înseamnă că nu există curent electric.

Aici este potrivit să reamintim formularea din manualele de fizică că curentul electric este mișcarea direcționată a particulelor încărcate electric sub influența unui câmp electric. În izolatoare pur și simplu nu există nimic de mișcat sub influența unui câmp electric.

Cu toate acestea, în procesul de studiu a fenomenelor electrice din diverse materiale, unii cercetători au reușit să „simți” efectele semiconductoare. De exemplu, primul detector de cristal (diodă) a fost creat în 1874 de către fizicianul german Karl Ferdinand Braun pe baza contactului dintre plumb și pirita. (Pirita este pirita de fier; atunci când lovește scaunul, se lovește o scânteie, motiv pentru care și-a primit numele de la grecescul „pir” - foc). Ulterior, acest detector a înlocuit cu succes cohererul din primele receptoare, ceea ce le-a crescut semnificativ sensibilitatea.

În 1907, Boeddeker, în timp ce studia conductivitatea iodurii de cupru, a descoperit că conductivitatea acesteia crește de 24 de ori în prezența iodului, deși iodul în sine nu este un conductor. Dar toate acestea au fost descoperiri aleatorii care nu au putut fi fundamentate științific. Studiul sistematic al semiconductorilor a început abia în 1920 - 1930.

În primele zile ale producției de tranzistori, principalul semiconductor era germaniul (Ge). În ceea ce privește consumul de energie, este foarte economic, tensiunea de deblocare a joncțiunii sale pn este de doar 0,1 ... 0,3 V, dar mulți parametri sunt instabili, așa că siliciul (Si) a venit să-l înlocuiască.

Temperatura la care funcționează tranzistoarele cu germaniu nu este mai mare de 60 de grade, în timp ce tranzistoarele cu siliciu pot continua să funcționeze la 150. Siliciul, ca semiconductor, este superior germaniului în alte proprietăți, în primul rând ca frecvență.

În plus, rezervele de siliciu (nisip obișnuit de pe plajă) în natură sunt nelimitate, iar tehnologia de purificare și prelucrare a acestuia este mai simplă și mai ieftină decât elementul germaniu, care este rar în natură. Primul tranzistor de siliciu a apărut la scurt timp după primul tranzistor cu germaniu - în 1954. Acest eveniment a dat naștere chiar și noului nume „epoca siliciului”, care nu trebuie confundat cu epoca de piatră!

Orez. 4. Evolutia tranzistoarelor

Microprocesoare și semiconductori. Declinul „Epocii Siliciului”

Te-ai întrebat vreodată de ce recent aproape toate computerele au devenit multi-core? Termenii dual-core sau quad-core sunt pe buzele tuturor. Faptul este că creșterea performanței microprocesoarelor prin creșterea frecvenței de ceas și creșterea numărului de tranzistori dintr-un pachet aproape a atins limita pentru structurile de siliciu.

O creștere a numărului de semiconductori dintr-un pachet se realizează prin reducerea dimensiunilor lor fizice. În 2011, INTEL a dezvoltat deja o tehnologie de proces de 32 nm, în care lungimea canalului tranzistorului este de numai 20 nm. Cu toate acestea, o astfel de reducere nu aduce o creștere vizibilă a frecvenței ceasului, așa cum a fost cazul tehnologiilor de până la 90 nm. Este absolut clar că este timpul să trecem la ceva fundamental nou.

• Traducere

Ca o demonstrație a funcționalității conceptului, autorul și echipa sa au creat substraturi de germaniu pe un izolator pentru a crea invertoare care conțin mai întâi tranzistori plani și apoi tranzistori FinFET.

Cu aproape 70 de ani în urmă, doi fizicieni Bell Telephone Lab — John Bardeen și Walter Brattain — au presat două contacte subțiri de aur într-o plachetă de germaniu și au făcut un al treilea contact în partea de jos a plachetei. Curentul care trece prin această structură ar putea fi folosit pentru a transforma un semnal slab într-unul puternic. Rezultatul a fost primul tranzistor, un amplificator și un comutator, care a fost probabil cea mai mare invenție a secolului al XX-lea. Datorită legii lui Moore, tranzistorul a avansat computerele cu mult peste ceea ce părea posibil în anii 1950.

În ciuda rolului stelar al germaniului în istoria timpurie a tranzistorilor, acesta a fost în curând înlocuit cu siliciu. Dar acum, în mod surprinzător, acest material este gata să revină. Liderii în producția de cipuri iau în considerare înlocuirea componentelor chiar în inima tranzistorului - canalul care transportă curent. Ideea este de a înlocui siliciul cu un material care poate conduce mai bine curentul. Crearea tranzistoarelor cu aceste canale ar putea ajuta inginerii să continue să îmbunătățească viteza circuitului și eficiența energetică, ceea ce duce la computere, smartphone-uri și o serie de alte gadget-uri mai bune în anii următori.

Multă vreme, interesul pentru canalele alternative s-a învârtit în jurul compușilor A III B V, cum ar fi arseniura de galiu, constând din atomi la stânga și la dreapta siliciului de pe tabelul periodic. Și am participat la acel studiu. Acum opt ani am subliniat progresele realizate în construirea tranzistoarelor folosind astfel de conexiuni.

Cele două tranzistoare din invertorul FinFET conțin canale de aripioare care ies din planul substratului (sus - canale roz, dedesubt - o vedere oblică a unui alt set). Distanțele dintre „aripioare” din partea de sus sunt de zeci de nanometri.

Dar, ca rezultat, am descoperit că există limitări fizice fundamentale ale abordării A III B V. De asemenea, ar fi probabil prea costisitor și complex pentru a fi integrat cu tehnologia de siliciu existentă. Așa că acum câțiva ani, echipa mea de la Universitatea Purdue a început să experimenteze cu un alt dispozitiv: un tranzistor al cărui canal este făcut din germaniu. De atunci, am demonstrat primele circuite CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Aproximativ aceeași logică care se găsește în interiorul computerelor moderne, fabricate doar din germaniu crescut pe substraturi obișnuite de siliciu. Am creat, de asemenea, o serie de arhitecturi diferite de tranzistori din acest material. Acestea includ dispozitive cu nanofir care ar putea fi următorul pas în producție, atunci când cei mai buni tranzistori de astăzi, FinFET, nu mai pot fi mai mici.

Și ceea ce este și mai interesant este că se dovedește că repunerea în utilizare a germaniului nu este atât de dificilă pe cât pare. Tranzistorii care folosesc o combinație de siliciu și germaniu în canal pot fi găsiți deja în noi cipuri și au apărut pentru prima dată în 2015, într-o demonstrație a viitoarelor tehnologii de cipuri de la IBM. Aceste evoluții ar putea fi primul pas într-o industrie care caută să introducă cantități tot mai mari de germaniu în canale. În câțiva ani, putem descoperi că materialul care ne-a oferit tranzistori i-a ajutat să-i introducă în următoarea eră a performanțelor extraordinare.

Germaniul a fost izolat și descoperit pentru prima dată de chimistul german Clemens Winkler la sfârșitul secolului al XIX-lea. Materialul a fost numit după patria savantului și a fost întotdeauna considerat un slab conducător de curent. Acest lucru s-a schimbat în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, când au fost descoperite proprietățile semiconductoare ale germaniului - adică capacitatea de a comuta între curentul conducător și cel de blocare. În anii de după război, dispozitivele semiconductoare bazate pe germaniu s-au dezvoltat rapid. În Statele Unite, producția, răspunzând cerințelor pieței, a crescut de la câteva sute de lire sterline în 1946 la 45 de tone până în 1960. Dar siliciul a câștigat; a devenit un material popular pentru cipuri logice și de memorie.

Și există motive întemeiate pentru dominația siliciului. În primul rând, există mai mult și este mai ieftin. Siliciul are un bandgap mai larg, o barieră energetică care trebuie depășită pentru a crea conductivitate. Cu cât această zonă este mai mare, cu atât este mai dificil ca curentul să se scurgă prin dispozitiv într-un moment inutil și să irosească energie. Ca bonus, siliciul a avut și o conductivitate termică mai bună, ceea ce a făcut mai ușor să disipeze căldura, astfel încât circuitele să nu se supraîncălzească.

Având în vedere toate beneficiile, este firesc să ne întrebăm de ce am lua în considerare chiar returnarea germaniului pe canal. Răspunsul este mobilitatea. Electronii din germaniu se mișcă de aproape trei ori mai ușor la temperatura camerei decât în ​​siliciu. Iar găurile – absența unui electron într-un material, considerată o sarcină pozitivă – se mișcă de aproape patru ori mai bine.

Oscilator inel CMOS cu nouă trepte introdus în 2015

Faptul că electronii și găurile sunt atât de mobile în germaniu îl face un candidat convenabil pentru circuitele CMOS. CMOS combină două tipuri diferite de tranzistoare: FET-uri cu canal p (pFET), al căror canal conține un exces de găuri libere și FET-uri cu canal n (nFET), care au un exces de electroni. Cu cât se mișcă mai repede, cu atât mai repede funcționează circuitele. Iar reducerea tensiunii necesare pentru deplasarea lor înseamnă reducerea consumului de energie.

Desigur, germaniul nu este singurul material cu o astfel de mobilitate a particulelor. Compușii A III B V menționați anterior, materiale precum arseniura de indiu și arseniura de galiu, se laudă, de asemenea, cu o mobilitate ridicată a electronilor. Electronii din arseniura de indiu sunt de aproape 30 de ori mai mobili decât cei din siliciu. Dar problema este că această proprietate nu se aplică găurilor - nu sunt cu mult mai mobile decât cele găsite în siliciu. Și această limitare face imposibilă crearea pFET-urilor de mare viteză, iar lipsa pFET-urilor de mare viteză anulează producția de circuite CMOS rapide, deoarece acestea nu pot funcționa cu o diferență foarte mare în vitezele de operare ale nFET-urilor și pFET-urilor.

O soluție este să luați ce este mai bun din fiecare material. Cercetătorii din multe laboratoare, cum ar fi Organizația Europeană de Cercetare a Semiconductorilor Imec și Laboratorul IBM din Zurich, au arătat modalități de a crea circuite în care canalele nFET sunt făcute din compuși A III B V și pFET-urile sunt făcute din germaniu. Și în timp ce această tehnologie poate permite circuite foarte rapide, adaugă o complexitate semnificativă producției.

Prin urmare, preferăm abordarea simplă cu germaniu. Canalele de germaniu ar trebui să mărească performanța, iar problemele de producție nu vor fi la fel de grave.

Cum mai face Germania?

Pentru ca germaniul - sau orice alt material alternativ - să-l facă în producție, trebuie găsită o modalitate de a-l adăuga la plachetele de siliciu utilizate în prezent pentru a face cipuri. Din fericire, există multe modalități de a depune un strat de germaniu pe un substrat de siliciu, care poate fi apoi folosit pentru a face canale. Folosirea unui strat subțire elimină două probleme cheie ale germaniului - costul său ridicat în comparație cu siliciul și conductivitatea termică relativ slabă.

Dar pentru a înlocui siliciul dintr-un tranzistor, nu este suficient să introduceți pur și simplu un strat subțire, de înaltă calitate, de germaniu. Canalul trebuie să funcționeze impecabil cu celelalte componente ale tranzistorului.

Cipurile CMOS moderne omniprezente folosesc tranzistori cu efect de câmp (MOSFET) de metal-oxid-semiconductor. Are patru părți de bază. Sursă și scurgere – punctele de început și de sfârșit ale mișcării curente; un canal care le conectează; o poartă care servește drept supapă care controlează prezența curentului în canal.

În realitate, un tranzistor de înaltă calitate conține și alte ingrediente. Unul dintre cele mai importante este izolatorul de poartă, care împiedică scurtcircuitarea porții și a canalului. Atomii din semiconductori precum siliciul, germaniul și compușii A III B V sunt aranjați în trei dimensiuni. Nu se poate realiza o suprafață perfect plană, astfel încât atomii din partea de sus a canalului vor avea mai multe legături proeminente. Aveți nevoie de un izolator care leagă cât mai multe dintre aceste legături posibil, iar acest proces se numește pasivare sau gravarea suprafeței. Dacă sunt făcute prost, puteți ajunge la un canal cu „găuri electrice”, plin de locuri în care purtătorii de încărcare pot fi prinși temporar, reducându-le mobilitatea și, ca urmare, viteza dispozitivului.

Stânga: A III B V nFET și germaniu pFET, bucăți din ambele materiale crescute pe un substrat izolat de siliciu.
Dreapta: ambele tranzistoare sunt fabricate din germaniu legate de un substrat.

Din fericire, natura a furnizat siliciului un izolator natural care se potrivește bine cu structura sa cristalină: dioxid de siliciu (SiO2). Și deși în tranzistoarele moderne se găsesc izolatori mai exotici, ei conțin totuși un strat subțire din acest oxid, care servește la pasivizarea canalului de siliciu. Deoarece siliciul și SiO 2 sunt similare ca structură, un strat bine făcut de SiO 2 leagă 99.999 din cele 100.000 de legături libere - și există aproximativ atâtea legături libere pe centimetru pătrat de siliciu.

Arseniura de galiu și alți compuși A III B V nu au oxizi naturali, dar germaniul are - așa că, teoretic, ar trebui să fie un material ideal pentru pasivarea canalelor. Problema este că dioxidul de germaniu (GeO2) este mai slab decât SiO2 și poate fi absorbit și dizolvat de apa folosită pentru curățarea substraturilor în timpul fabricării așchiilor. Pentru a înrăutăți lucrurile, procesul de creștere a GeO 2 este greu de controlat. Un dispozitiv ideal necesită un strat de GeO 2 de 1-2 nm grosime, dar în realitate este mai dificil să faci un strat mai subțire de 20 nm.

Cercetătorii au studiat diverse alternative. Profesorul de la Stanford Krishna Saraswat și colegii săi, care au stimulat interesul pentru utilizarea germaniului ca material alternativ încă din anii 2000, au studiat mai întâi zirconia, un material cu constantă dielectrică ridicată de tipul folosit astăzi în tranzistoarele de mare viteză. Pe baza muncii lor, o echipă de la Imec din Belgia a explorat ce se poate face cu un strat ultra-subțire de siliciu pentru a îmbunătăți interfața dintre germaniu și materiale similare.

Dar pasivarea germaniului a fost mult îmbunătățită în 2011, când echipa profesorului Shinichi Takagi de la Universitatea din Tokyo a demonstrat o modalitate de a controla creșterea unui izolator de germaniu. În primul rând, cercetătorii au crescut un strat nanometric dintr-un alt izolator, oxid de aluminiu, pe un canal de germaniu. După aceasta, au fost plasați într-o cameră de oxigen. O parte din oxigen a trecut prin stratul de oxid de aluminiu către germaniul de dedesubt și s-a amestecat cu acesta pentru a forma un strat subțire de oxid (un compus de germaniu cu oxigen, dar nu din punct de vedere tehnic GeO 2). Oxidul de aluminiu nu numai că ajută la controlul creșterii, dar servește și ca un strat protector pentru stratul mai puțin stabil.

Canale nanofire

Cu câțiva ani în urmă, inspirat de această descoperire și având în vedere dificultățile de a crea pFET-uri cu canale A III B V, grupul meu de la Purdue a început să exploreze modalități de a crea tranzistori folosind canale de germaniu. Am început prin a folosi substraturi cu germaniu pe izolator dezvoltate de producătorul francez Soitec. Acestea sunt substraturi standard de siliciu cu un strat izolator situat sub un strat de germaniu de 100 nm.

Cu aceste substraturi, este posibil să se creeze tranzistori în care toate piesele standard - sursă, canal și dren - sunt realizate din germaniu. Producătorul de tranzistori nu trebuie să urmeze acest design, dar ne-a făcut mai ușor să studiem proprietățile de bază ale dispozitivelor cu germaniu.

Unul dintre primele obstacole a fost de a face cu rezistența dintre sursa și scurgerea tranzistorului și electrozii metalici care le conectează la lumea exterioară. Rezistența apare din bariera Schottky electronică naturală care apare în punctul de contact dintre metal și semiconductor. Tranzistoarele de siliciu au fost optimizate neobosit pentru a minimiza această barieră, astfel încât purtătorii de încărcare să o poată depăși cu ușurință. Dar dispozitivul cu germaniu necesită niște soluții de inginerie inteligente. Datorită nuanțelor structurii electronice, găurile se mută ușor de la metal la germaniu, dar electronii, nu atât. Aceasta înseamnă că nFET-urile care se bazează pe mișcarea electronilor vor avea rezistență foarte mare, pierderi de căldură și pierderi de curent.

Modul standard de a face o barieră mai subțire este să adăugați mai mult dopant la sursă și scurgere. Fizica procesului este complexă, dar poate fi imaginată astfel: mai mulți atomi de impurități introduc mai multe încărcări gratuite. Cu o mulțime de purtători de încărcare liberi, interacțiunea electrică dintre electrozii metalici și sursa și scurgerea semiconductorilor este îmbunătățită. Acest lucru ajută la îmbunătățirea efectului de tunel.

Din păcate, această tehnologie funcționează mai rău cu germaniu decât cu siliciu. Materialul nu rezistă la concentrații mari de impurități de aliere. Dar putem folosi acele locuri în care densitatea impurităților este maximă.

Pentru a face acest lucru, vom profita de faptul că impuritățile sunt adăugate semiconductorilor moderni prin câmpuri electrice ultra-înalte care împing ionii în material. Unii dintre acești atomi se opresc imediat, în timp ce alții pătrund mai adânc. Ca urmare, veți obține o distribuție normală: concentrația de atomi de impurități la o anumită adâncime va fi maximă, iar apoi, pe măsură ce vă deplasați mai adânc sau în direcția opusă, va scădea. Dacă îngropam sursa și drenăm electrozii în semiconductor, îi putem plasa acolo unde concentrația de atomi de impurități este cea mai mare. Acest lucru reduce dramatic problema rezistenței de contact.

Contactele sunt scufundate până la adâncimea concentrației maxime de atomi de impurități

Indiferent dacă producătorii de cipuri folosesc sau nu această abordare pentru a reduce bariera Schottky din Germania, aceasta este o demonstrație utilă a capacităților sale. La începutul cercetării noastre, cel mai bun lucru pe care l-au arătat nFET-urile cu germaniu au fost curenți de 100 µA pe µm de lățime. În 2014, la Simpozionul VLSI Technology and Circuits din Hawaii, am raportat despre nFET-uri cu germaniu capabile să transporte de 10 ori mai mult curent, aproximativ comparabil cu siliciul. Șase luni mai târziu, am demonstrat primele circuite care conțin nFET-uri și pFET-uri cu germaniu, o condiție prealabilă necesară pentru fabricarea cipurilor logice moderne.

De atunci, am folosit germaniul pentru a construi tranzistoare mai avansate, cum ar fi FinFET-uri - stadiul tehnicii. Am realizat chiar și tranzistori nanofir folosind germaniu, care ar putea înlocui FinFET-urile în următorii ani.

Aceste dezvoltări vor fi necesare înainte ca germaniul să poată fi utilizat în producția de masă, deoarece permite un control mai bun al canalului tranzistorului. Datorită benzii interzise mici de germaniu, un astfel de tranzistor necesită doar un sfert din energia necesară pentru a trece la starea de conducere a unui tranzistor de siliciu. Acest lucru deschide posibilitatea de funcționare cu energie scăzută, dar face și mai probabil ca curentul să se scurgă atunci când nu ar trebui. Un dispozitiv cu un control mai bun al canalului va permite producătorilor să exploateze bandgap scăzut fără a compromite performanța.

Am început bine, dar mai avem de lucru. De exemplu, sunt necesare mai multe experimente pe substraturi pentru a arăta tranzistori cu canale de germaniu de înaltă calitate. De asemenea, trebuie făcute îmbunătățiri de design pentru a accelera lucrurile.

Desigur, germaniul nu este singura opțiune pentru tranzistoarele viitoare. Cercetătorii continuă să studieze compușii A III B V, care pot fi utilizați atât împreună cu germaniul, cât și separat. Numărul posibilelor îmbunătățiri ale tranzistorului este enorm. Această listă include tranzistori cu nanotuburi de carbon, comutatoare orientate vertical, circuite tridimensionale, canale realizate dintr-un amestec de germaniu și staniu și tranzistoare bazate pe principiul tunelului cuantic.

În următorii ani, este posibil să adaptăm unele dintre tehnologiile enumerate. Dar adăugarea de germaniu - chiar și amestecat cu siliciu - este o soluție care va permite producătorilor să continue îmbunătățirea tranzistoarelor în viitorul apropiat. Germaniul, materialul fondator al erei semiconductoarelor, ar putea fi panaceul pentru următorul său deceniu.

Etichete:

• tranzistoare
• germaniu

În toate blocurile de receptoare înlocuibile și în variantele posibile ale acestora s-au folosit doar tranzistoare cu germaniu, în principal structuri p-n-p. Doar în etapa de ieșire push-pull a unui amplificator audio fără transformator (blocul 5) a fost structurat unul dintre tranzistorii săi. n-p-n. Tranzistoarele cu germaniu au câștigat de multă vreme popularitate în rândul radioamatorilor și sunt utilizate pe scară largă de aceștia în echipamente proiectate. În plus, prețurile pentru ele au fost reduse semnificativ recent, sunt aproape întotdeauna disponibile în magazinele de radio, la bazele comerciale Posyltorg și Tsentrosoyuz, de unde pot fi comandate prin poștă.

Dar astăzi, tranzistoarele cu germaniu, nepromițătoare, cedează tot mai mult loc tranzistorilor cu siliciu în echipamentele radio, inclusiv echipamentele radio amatori. Acest lucru se explică prin faptul că dispozitivele și dispozitivele bazate pe tranzistori de siliciu funcționează mai stabil în diferite condiții. La aceasta putem adăuga că producția de tranzistori cu siliciu este în continuă expansiune, în timp ce producția de tranzistori cu germaniu este în scădere.

În acest sens, este posibil să aveți o întrebare: este posibil să înlocuiți tranzistoarele cu germaniu cu cele de siliciu în blocurile înlocuibile ale receptorului descris? Este posibil, dar, desigur, ținând cont de unele dintre caracteristicile lor.

Cea mai caracteristică trăsătură a tranzistoarelor cu siliciu este tensiunea de polarizare mai mare la care se pornesc. Tranzistoarele cu germaniu, după cum știți, se deschid atunci când tensiunea la emițător r-p tranziție 0,1... 0,2 V, iar cele de siliciu la o tensiune de 0,6... 0,7 V. Aceasta înseamnă că pe baza unui tranzistor de siliciu care funcționează în modul de amplificare, față de emițător ar trebui să existe cel puțin 0,6 V. Cu mai mult At tensiune de polarizare scăzută, tranzistorul de siliciu va distorsiona semnalul amplificat. Acest mod inițial de funcționare al unui tranzistor de siliciu este stabilit, ca un tranzistor cu germaniu, prin selectarea corespunzătoare a valorii rezistenței din circuitul de bază.

Orez. 47. Circuit amplificator audio (blocul 6) folosind tranzistoare de siliciu

Majoritatea tranzistoarelor de siliciu au structura n-p-n. Aceasta înseamnă că înlocuirea germaniului în blocuri p-n-p tranzistoare pe siliciu n-p-n Tranzistoarele trebuie să schimbe nu numai polaritatea sursei de alimentare, ci și polaritatea condensatoarelor electrolitice.

Acesta, de fapt, este principalul lucru de care trebuie să țineți cont atunci când înlocuiți tranzistoarele cu germaniu cu cele din siliciu. În ceea ce privește construcția schemelor de circuite ale blocurilor și tensiunilor de alimentare, acestea practic nu suferă modificări.

De exemplu în Fig. Figura 47 prezintă o diagramă a blocului 6 - același amplificator audio fără transformator, dar cu tranzistori de siliciu. Cum diferă de circuitul bloc care utilizează tranzistori cu germaniu (vezi Fig. 38)? În principal prin polaritatea sursei de alimentare și a condensatorilor electrolitici. Tranzistoare 6 V1, 6V2Și 6 V3- n-p-n, 6V4- p-n-p, modul de operare tranzistor 6 V1 instalat prin selectarea unui rezistor 6 R1. Tensiune la punctul de joncțiune al emițătorilor tranzistorului 6 V3Și 6 V4(punctul de simetrie al etapei de ieșire push-pull), egal cu jumătate din tensiunea sursei de alimentare, este stabilit prin selectarea unui rezistor 6 R4, a curent de circuit colector tranzistor 6 V3, egal cu 3... 4 mA, prin selectarea unui rezistor 6 R7.

Acordați atenție includerii rezistenței 6 R6și cap dinamic 1B1.În 1 descris! bloc pe tranzistoarele cu germaniu, un astfel de rezistor a fost conectat direct la negativ, iar capul la conductorii pozitivi ai sursei de alimentare. Și aici capul este conectat la conductorul pozitiv al sursei de alimentare, astfel încât polaritatea condensatorului electrolitic s-a schimbat 6S5, si rezistenta 6 R6 conectat la punctul de legătură dintre cap și acest condensator. Cu această metodă de conectare a acestui rezistor prin el de la circuitul de ieșire la circuitul de bază al tranzistoarelor treptei de ieșire, este furnizat o așa-numită creștere a tensiunii - o tensiune mică de frecvență audio care egalizează condițiile de funcționare ale tranzistorilor.

În toate blocurile, în loc de înaltă frecvență și joasă frecvență de putere redusă p-n-p cel mai bine se folosesc tranzistorii n-p-n tranzistoare din seria KT315 cu un coeficient de transfer de curent static de 80... 100, în loc de n-p-n tranzistor în blocul 6 (MP37) - p-n-p tranzistor din seria KT361. În stadiul de ieșire al unui amplificator audio de mare putere (Fig. 40) p-n-p tranzistoarele-P602 pot fi înlocuite n-p-n tranzistoare K.T601, KT602, KT603 cu oricare? index de litere.

Înainte de a începe instalarea unei anumite unități, corectați schema circuitului acesteia ținând cont de recomandările prezentate aici. Acest lucru va preveni erorile și chiar posibilele deteriorări ale tranzistorilor.

tranzistor este un dispozitiv semiconductor conceput pentru a amplifica, inversa, converti semnale electrice, precum și pentru a comuta impulsurile electrice în circuitele electronice ale diferitelor dispozitive. Există tranzistoare bipolare care folosesc cristale n-Și p- tranzistoare de tip și cu efect de câmp (unipolar), realizate pe un cristal de germaniu sau siliciu cu un singur tip de conductivitate.

Tranzistoare bipolare

Procese fizice în tranzistoare p-n-p- tip și n-p-n- cam la fel. Diferența dintre ele este că curenții din bazele tranzistoarelor p-n-p- tip sunt transportate de purtătorii de sarcină principale - găuri și în tranzistoare n-p-n-tip - electroni.

Fiecare dintre tranzițiile tranzistorului este emițător ( FI) și colecționar ( B-K) poate fi pornit fie în direcția înainte, fie în sens invers. În funcție de aceasta, există trei moduri de funcționare ale tranzistorului:

• modul de întrerupere- ambii p-n- joncțiunile sunt închise, în timp ce un curent relativ mic trece prin tranzistor eu 0 din cauza purtătorilor minoritari de taxe;
• modul de saturație- ambii p-n- pasajele sunt deschise;
• modul activ- unul dintre p-n-tranzițiile sunt deschise, iar celălalt este închis.

În modurile de tăiere și saturație, practic nu există control al tranzistorului. În modul activ, tranzistorul îndeplinește funcția element activ circuite electrice pentru amplificarea semnalelor, generarea de oscilații, comutare etc.

Dacă tensiunea la joncțiunea emițătorului este directă, iar la joncțiunea colectorului este inversă, atunci o astfel de pornire a tranzistorului este considerată normală dacă polaritatea tensiunilor este inversă;

Prin aplicarea unui potențial negativ al sursei emf la colector și a unui potențial pozitiv la emițător (Fig. 21) în circuitul de pornire a unui tranzistor cu un emițător comun, am deschis astfel joncțiunea emițătorului E-Bși a închis colectorul B-LA, în timp ce curentul colectorului eu K0 =eu E0 =eu 0 mic, este determinat de concentrația purtătorilor minoritari (electroni în acest caz). Dacă se aplică o tensiune mică (0,3-0,5 V) între emițător și bază în direcția înainte p-n-tranziție E-B, atunci se întâmplă injectare găuri de la emițător la bază, formând un curent emițător - eu. În bază, găurile se recombină parțial cu electroni liberi, dar în același timp de la o sursă externă de tensiune E B(E B <E R) noi electroni intră în bază, formând un curent de bază eu B.

Figura 21 - Schema de conectare a tranzistorului bipolar

Deoarece baza din tranzistor este făcută sub forma unui strat subțire, doar o mică parte din găuri se recombină cu electronii bazei, iar partea principală a acestora ajunge la joncțiunea colectorului. Aceste găuri sunt captate de câmpul electric al joncțiunii colectorului, care accelerează găurile. Curentul orificiilor care intră în colector de la emițător este închis printr-un rezistor R Kși sursă de tensiune cu EMF E K, formând un curent de colector eu Kîn circuitul extern.

Să notăm raportul curenților din circuitul de comutare a tranzistorului (Fig. 21), numit circuit de comutare emițător comun(OE),

Se numește raportul dintre curentul colectorului și curentul emițătorului coeficientul de transfer de curent

de unde vine curentul de baza?

Circuitul de conectare pentru un tranzistor cu OE este cel mai comun datorită curentului de bază scăzut în circuitul de intrare și amplificarii semnalului de intrare atât în ​​tensiune, cât și în curent. Proprietățile de bază ale unui tranzistor sunt determinate de rapoartele curenților și tensiunilor din diferitele sale circuite și de influența lor reciprocă unul asupra celuilalt.

Tranzistorul poate funcționa pe curent continuu, semnal alternativ mic, semnal alternativ mare și în modul de comutare (impuls).

Familii de intrare

si in weekenduri

Caracteristicile statice ale tranzistorului din circuitul cu OE sunt prezentate în Fig. 22. Pot fi obținute ca rezultat al experimentului sau al calculului.

Figura 22 - Familii de caracteristici statice de intrare și ieșire

Familiile de caracteristici care leagă tensiunile și curenții la ieșire cu curenții și tensiunile la intrare sunt numite caracteristici de transmisie sau caracteristici de control(Figura 23).

Figura 23-Caracteristicile transmisiei

Tranzistoare bipolare clasificat:

• prin disiparea puterii (putere mică (până la 0,3 W), putere medie (de la 0,3 W la 1,5 W) și putere mare (peste 1,5 W));
• după proprietățile frecvenței (frecvență joasă (până la 3 MHz), frecvență medie (3_30 MHz), înaltă (30_300 MHz) și frecvență ultra-înaltă (mai mult de 300 MHz));
• după scop: universal, amplificator, generator, comutare și impuls.

Când marcați tranzistoarele bipolare, notați mai întâi o literă sau un număr care indică materialul semiconductor sursă: G sau 1 - germaniu, K sau 2 - siliciu; apoi un număr de la 1 la 9 (1, 2 sau 3 - frecvență joasă, 4, 5 sau 6 - frecvență înaltă, 7, 8 sau 9 - frecvență ultra înaltă, respectiv, în fiecare grup de putere joasă, medie sau mare). Următoarele două cifre de la 01 la 99 sunt numărul de serie al dezvoltării, iar la sfârșit litera (de la A și mai sus) indică grupul parametric al dispozitivului, de exemplu, tensiunea de alimentare a tranzistorului etc.

De exemplu, tranzistorul GT109G: germaniu de joasă frecvență, putere scăzută cu coeficient de transfer de curent h 21E= 100_250, REGATUL UNIT= 6 V, eu K= 20 mA (curent constant).

Tranzistor cu efect de câmp

Tranzistor cu efect de câmp este un dispozitiv semiconductor în care curentul de scurgere ( CU) printr-un canal semiconductor P- sau R-tipul este controlat de un câmp electric generat atunci când se aplică o tensiune între poartă ( Z) și sursa ( ȘI).

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt fabricate:

- cu poarta de control tip jonctiune pn pentru utilizare în dispozitive convertoare de înaltă frecvență (până la 12_18 GHz). Simbolurile lor din diagrame sunt prezentate în Fig. 24, A, b;

- cu izolat(stratul dielectric) obturator pentru utilizare în dispozitive care funcționează la frecvențe de până la 1_2 GHz. Sunt făcute fie din canal încorporat sub forma unei structuri MDP_(vezi simbolul lor în Fig. 24, VȘi G), sau cu canal indus sub forma unei structuri MOS (vezi simbolul lor în Fig. 24, d, e).

Figura 24-Tipuri de tranzistoare cu efect de câmp

Circuit de comutare pentru un tranzistor cu efect de câmp cu un tip de poartă p-n- tranziție și canal n-tip, familia sa de caracteristici de ieșire IC= f(UС), U З = const si caracteristica poarta IC= f(UЗ), U C= const sunt prezentate în Fig. 25.

Figura 25 - Schema de conectare a unui tranzistor cu efect de câmp și caracteristica de drenaj a acestuia

La conectarea ieșirilor de scurgere CU si sursa ȘI la sursa de alimentare Un prin canal n- tipul curentului care curge IC, deoarece p-n- tranziția nu se suprapune pe secțiunea transversală a canalului (Fig. 25, A).

În acest caz, se numește electrodul de la care purtătorii de sarcină intră în canal sursă, iar electrodul prin care purtătorii principali de sarcină părăsesc canalul este numit scurgere.

Se numește electrodul folosit pentru reglarea secțiunii transversale a canalului obturator. Cu creșterea tensiunii inverse U Z secțiunea transversală a canalului scade, rezistența acestuia crește, iar curentul de scurgere scade IC.

Deci, scurgeți controlul curentului IC apare atunci când se aplică tensiune inversă p-n-tranzitie poarta Z. Datorită dimensiunii mici a curenților inversi din circuitul poartă-sursă, puterea necesară pentru a controla curentul de scurgere este neglijabilă.

Sub tensiune -U Z = -U ZO, numit tensiune de întrerupere, secțiunea transversală a canalului este complet acoperită de stratul de barieră epuizat de purtători de sarcină, iar curentul de scurgere Eu CO(curent de întrerupere) este determinat de purtătorii de sarcină minoritari p-n-tranziție (vezi Fig. 25, b).

Structura schematică a unui tranzistor cu efect de câmp cu indus n- canalul este prezentat în Fig. 26. Când tensiunea de poartă relativă la sursă este egală cu zero și când există o tensiune la dren, curentul de scurgere se dovedește a fi neglijabil. Un curent de scurgere vizibil apare numai atunci când la poartă este aplicată o tensiune cu polaritate pozitivă în raport cu sursa, mai mare decât așa-numita tensiune de prag U ZPOR.

Figura 26 - Structura schematică a unui tranzistor cu efect de câmp cu un canal n indus

Mai mult, ca urmare a pătrunderii câmpului electric prin stratul dielectric în semiconductor la tensiuni de poartă mai mari decât U ZPOR, un strat invers apare lângă suprafața semiconductorului sub poartă, care este canalul care leagă sursa de dren.

Grosimea și secțiunea transversală a canalului se modifică odată cu modificările tensiunii de poartă, iar curentul de scurgere se va modifica în consecință. Acesta este modul în care curentul de scurgere este controlat într-un tranzistor cu efect de câmp cu o poartă indusă. Cea mai importantă caracteristică a tranzistorilor cu efect de câmp este rezistența lor mare de intrare (de ordinul mai multor megaohmi) și curentul de intrare scăzut. Unul dintre principalii parametri ai tranzistoarelor cu efect de câmp este panta S caracteristicile poarta de scurgere (vezi Fig. 25, V). De exemplu, pentru un tranzistor cu efect de câmp de tip KP103Zh S= (3...5) mA/V.