Текст книги "Транзистор?.. Это очень просто!"

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 10 страниц)

Проявив достаточную наблюдательность, ты заметишь, что ток коллектора за вычетом начального тока, существующего в отсутствие тока базы, всюду в 50 раз больше тока базы. В этом случае говорят, что усиление по току (или иначе статический коэффициент передачи тока, h_21э) равно 50.

Н. – А как строится такой график?

Л. – Очень просто. Изменяя при помощи потенциометра прикладываемое между базой и эмиттером напряжение (рис. 25), надо измерять соответствующие друг другу значения тока базы (микроамперметром) и тока коллектора (миллиамперметром).

Рис. 25. Схема, при помощи которой можно снять характеристику, изображенную на рис. 24. При каждом положении движка потенциометра R измеряются значения тока базы и тока коллектора.

Н. – Любознайкин, у меня есть одна идея. Вместо того, чтобы крутить ручку потенциометра и изменять тем самым напряжение между эмиттером и базой, давай приложим последовательно с источником постоянного напряжения Е_бэ какой-нибудь сигнал, например высокочастотное напряжение из антенны или низкочастотное напряжение, получаемое после детектирования (рис. 26). Вызывая таким образом небольшие изменения тока базы, мы получаем значительные изменения тока коллектора.

Рис. 26. Между базой и эмиттером приложено переменное напряжение. Сразу же появляется переменная составляющая тока в цепи коллектора.

Сходства и различия

Л. – Браво, Незнайкин! Как ты додумался до такой блестящей идеи?

Н. – Видишь ли, мне в этот момент представилась аналогия между транзистором и электронной лампой. Вот, например, база, ведь она удивительно похожа на сетку. Так же как и сетка, она размещена между эмиттером и коллектором, будто между катодом (он ведь тоже эмиттирует электроны) и анодом (а он-то их собирает). И так же как небольшие изменения потенциала сетки вызывают значительные изменения анодного тока, здесь слабые изменения напряжения в цепи базы создают значительные изменения тока коллектора. Ура! Я понял суть транзистора! Разве я не ясновидец?

Л. – По правде говоря, триумф твой весьма скромен. Я рискую охладить твой юношеский пыл. Я должен сказать, что аналогия лампа – транзистор хотя и облегчает понимание некоторых явлении, но имеет свои ограничения, о которых не следует забывать.

Н. – Я не вижу существенной разницы.

Л. – Для начала имеется одна и весьма существенная: наличие тока базы. Вспомни, как при использовании ламп мы тщательно стараемся предотвратить возникновение сеточного тока.

Н. – Правильно. Мы подаем на сетку отрицательное смещение, чтобы помешать ей становиться положительной при пиках положительных значений сигнала, что сделало бы ее конкуренткой анода и она стала бы захватывать электроны.

Л. – Поэтому входной сигнал у лампы представляет собой напряжение, которое практически не создает никакого тока, а следовательно, здесь нет и расхода мощности. В транзисторе же напряжение входного сигнала вызывает соответствующий ток, а значит, надо говорить и о затрате мощности.

Н. – Должен ли я сделать из этого вывод, что у транзистора промежуток эмиттер – база имеет входное сопротивление и, вероятно, малое?

Л. – Разумеется. Входное сопротивление составляет всего каких-нибудь несколько сотен ом, тогда как сопротивление между катодом и сеткой вакуумной лампы практически бесконечно большое. У мощных же транзисторов это сопротивление составляет несколько ом или десятков ом. А вот выходное сопротивление транзистора, напротив, довольно высокое и может достигать нескольких десятков тысяч ом.

Н. – Ясно. Ведь к переходу эмиттер – база напряжение прикладывают в прямом направлении, что снижает сопротивление, а к переходу база – коллектор – в обратном направлении, что должно сделать его сопротивление весьма высоким. Любопытно, что выходное сопротивление у транзистора получается того же порядка, что у электронных ламп^[6].

Л. – Как видишь, Незнайкин, не следует без особой необходимости и без соответствующих оговорок прибегать к аналогии лампа – транзистор. А так как мы приступили к основному вопросу – о входном и выходном сопротивлениях, ты легко поймешь, как происходит в транзисторе усиление по напряжению.

Усиление по напряжению

Н. – Я предполагаю, что небольшое переменное напряжение, приложенное между базой и эмиттером, определяет, как мы уже говорили, изменение тока базы.

Л. – И эти изменения будут тем больше, чем меньше входное сопротивление (если источник напряжения сам имеет малое внутреннее сопротивление).

Н. – Это я понимаю, так как в голове у меня постоянно сидит закон Ома, по которому ток будет тем больше, чем меньше сопротивление.

Л. – Однако ток коллектора изменяется пропорционально току базы. Следовательно, он тоже будет претерпевать значительные изменения. Но поскольку выходное сопротивление транзистора велико, мы без осложнений можем пропускать ток коллектора через большое сопротивление нагрузки…

Н. – …на котором мы выделим значительно усиленные переменные напряжения. Если память мне не изменяет, у электронных ламп отношение изменения анодного тока к вызвавшему его изменению напряжения на сетке называется крутизной.

Можно ли в царстве транзисторов применять это понятие? В этом случае крутизной было бы отношение изменения тока коллектора к изменению напряжения базы.

Л. – Да, Незнайкин. Часто говорят о крутизне транзистора, и мы еще будем иметь случай более детально рассмотреть это понятие. Уже сейчас я могу сказать тебе, что крутизной 30 мА/В (при питании цепи коллектора током в 1 мА) никого не удивишь.

Н. – Но это здорово! С такой крутизной, очевидно, можно получить колоссальные усиления.

Л. – Увы! Нет. Как ты вскоре увидишь, низкое входное сопротивление лишает нас части преимуществ этой высокой крутизны. Кроме того, ты понимаешь, что необходимо ограничивать амплитуду усиливаемых переменных напряжений.

Н. – В электронных лампах следует избегать, чтобы сетка стала положительной. Здесь же, как я думаю, не следует допускать обратного явления, чтобы пики отрицательных полупериодов не сделали эмиттер положительным по отношению к базе, т. е. не заперли эмиттерный переход.

Л. – Правильно. А кроме того, не следует также допускать, чтобы положительный пик на базе вызвал столь большое увеличение тока коллектора, который ограничится падением всего напряжения батареи Е_к-э^[7] на нагрузочном резисторе.

Н. – А нельзя ли для устранения этих опасностей повысить напряжения обеих батарей?

Л. – В некоторых случаях это может привести к неприятностям, так как для каждого типа транзистора существуют максимально допустимые значения постоянных напряжений, которые нельзя превышать. Однако тут же я хочу сказать тебе, что оба источника напряжения с выгодой для дела можно соединить последовательно, потому что нужно подать на коллектор напряжение еще более положительное, чем напряжение базы по отношению к напряжению эмиттера (рис. 27).

Рис. 27. Два источника напряжения (для цепи базы и для цепи коллектора) могут быть заменены одним источником с отводом (вместо отвода от батареи можно применить делитель напряжения из двух резисторов). На нашем рисунке показано также место включения нагрузочного резистора R_н, на котором выделяется усиленное выходное напряжение.

Н. – Я уже вижу, как батарея Е_э-б подсаживает батарею Е_к-э.

Л. – В действительности обходятся совсем без первой батареи, а смещение на базе получают автоматически с помощью резисторов, присоединенных к источнику Е_к-э, и резистора, введенного в цепь эмиттера.

Н. – Это как делают в ламповых схемах, где через резистор сеточного смещения проходит анодный ток?

Л. – Почти. Но подробнее этот вопрос мы рассмотрим дальше. А пока в качестве упражнения я прошу тебя продумать к нашей следующей встрече, каким образом ведет себя другой (и надо сказать, значительно более распространенный) тип транзистора, а именно транзистор структуры р-n-р.

Н. – Сколько бессонных ночей ждет меня!

Беседа четвертая

ФИЗИКА ТРАНЗИСТОРОВ

Во время трех первых бесед Любознайкин и Незнайкин рассмотрели физические основы транзисторов. Для этого они изучили внутреннюю структуру отдельно взятого атома, а затем поведение атома в кристаллической решетке. Наши друзья увидели, какие нарушения в коллективе атомов вызывает введение примесей. И, наконец, комбинируя области полупроводникового материала с противоположными типами проводимости, наши друзья получали диоды и транзисторы. Для лучшего усвоения всего этого полезно подробнее рассмотреть некоторые детали уже затронутых раньше вопросов. Это и явится предметом данной беседы.

_{Содержание: Движение зарядов. Основные носители. Принцип работы транзистора структуры р-n-р. Интерметаллические соединения. Обозначение выводов: Условные обозначения транзистора. Краткое изложение основных понятий.}

Четыре типа заряженных частиц

Незнайкин. – Твой полупроводники, Любознайкин, заставили меня провести не одну бессонную ночь. Это увлекательно…, но дьявольски сложно!

Любознайкин. – Должен ли я прописать тебе снотворное, или ты предпочитаешь, чтобы я осветил те вопросы, которые кажутся тебе непонятными?

Н. – Я предпочел бы получить ответы на мучающие меня вопросы. Видишь ли, характер некоторых явлений мне трудно понять из-за наличия в полупроводниках четырех типов заряженных частиц:

1) ионизированных атомов доноров, которые, потеряв пятый электрон со своей внешней оболочки, стали положительными;

2) освобожденных таким образом электронов, имеющих отрицательный заряд;

3) ионизированных атомов акцепторов, которые, захватив электрон у соседнего атома, чтобы довести количество электронов на внешней оболочке до четырех, стали отрицательными;

4) и, наконец, дырок, появившихся в результате таких захватов и представляющих собой недостаток электрона, а потому имеющих положительный заряд.

Л. – Ты хорошо изложил положение, существующее в полупроводнике. Что же тебя беспокоит?

Н. – Вопрос движения зарядов. Ты сказал мне, что в полупроводнике электрический ток создается одновременно потоком электронов, идущих от отрицательного полюса к положительному, и перемещением дырок, двигающихся в обратном направлении от положительного полюса к отрицательному. Этим полупроводники отличаются от металлов, в которых электропроводность создается только движением электронов.

Л. – Совершенно верно. К этому следует еще добавить, что и движение дырок в конечном счете обусловливается перемещением электронов.

Н. – Но я не понимаю, почему ионизированные атомы, как доноры, так и акцепторы, сами не участвуют в движении электрических зарядов.

Л. – Я вижу, что тебя мучает, и ты бесспорно прав, задав этот вопрос. Однако это довольно просто: ионы не могут перемещаться, потому что они входят в состав кристаллической решетки и прочно привязаны к своим местам. До тех пор, пока тело остается твердым, его атомы остаются пленниками невидимых связей, которые удерживают их на месте. В жидкостях, в отличие от твердых тел, ионизированные атомы свободно перемещаются и при приложении внешнего напряжения создают ионную проводимость, называемую явлением электролиза, о котором тебе, бесспорно, говорили в школе на уроках физики.

Н. – Прекрасно! Отныне в своих рассуждениях я буду вправе не принимать в расчет ионизированные атомы и заниматься только электронами и дырками.

Л. – Это вполне законно, и я добавлю, что к счастью ионы в полупроводниках не перемещаются. В противном случае проводимость различных областей транзистора с течением времени могла бы изменяться, что сократило бы продолжительность его службы. Что касается электронов, то они непрерывно обновляются, потому что источник напряжения инъецирует их с одной стороны и отбирает с другой, что порождает новые дырки. Это означает, что мы не обнаружили никаких причин, ограничивающих срок службы транзисторов.

Эйнштейн был прав

Н. – Чудесно, но поговорим еще об электронах и дырках. Я хотел бы знать, как они сосуществуют, не нейтрализуя друг-друга. Ведь разноименные заряды взаимно притягиваются.

Л. – Подумай, Незнайкин, о колоссальных расстояниях (разумеется, в атомных масштабах), которые разделяют большинство этих частиц. Электрону удается пробежать путь, во много сотен раз превышающий расстояние между атомами. В человеческих масштабах в среднем это всего лишь десять тысячных миллиметра, но для электрона это космические расстояния. Ты понимаешь, что в этих условиях у него нег шансов встретить дырку, и в действительности электроны и дырки всегда сосуществуют.

Н. – Да, ты мне объяснил, что даже при нормальной температуре имеется известное тепловое движение, отрывающее электроны у многих атомов, чтобы бросить их в межатомное пространство.

Л. – В кубическом сантиметре «чистого» германия при обычной температуре имеется около двадцати пяти тысяч миллиардов свободных электронов и, естественно, столько же дырок, так как место, оставленное электроном, не что иное, как дырка. Эти пары носителей зарядов после определенной продолжительности жизни рекомбинируют, но все время создаются и новые пары, так что в кристалле удерживается статистическое равновесие процессов генерации и рекомбинации пар электрон – дырка.

Н. – А если германий не «чистый»? Если мы, например, введем в него примеси типа n?

Л. – B этом случае свободных электронов будет больше, чем дырок. Поэтому в материале типа и электроны называются основными носителями зарядов.

Н. – Я догадываюсь, что в полупроводнике типа р более многочисленны дырки и потому здесь они должны считаться основными носителями… Эйнштейн решительно был прав: все относительно.

Транзистор структуры р-n-р

Л. – Теперь, когда я удовлетворил твое любопытство, не можешь ли ты в свою очередь ответить мне на вопрос, который я задал в конце нашей прошлой беседы: как работает транзистор структуры р-n-р (рис. 28)?

Рис. 28. Распределение носителей зарядов (электронов и дырок) и ионизированных атомов в транзисторе структуры р-n-р до включения напряжений питания. На рисунке видны потенциальные барьеры, образованные ионами с разноименными зарядами.

Н. – Я думал об этом, и мне кажется, что я могу тебе ответить. В таком транзисторе в отличие от транзистора структуры n-р-n коллектор нужно сделать отрицательным по отношению к эмиттеру. Я должен тебе признаться, что это мне очень неприятно.

Л. – Почему же?

Н. – Потому что я всегда сравниваю транзистор с электронной лампой, и идея сделать анод отрицательным по отношению к катоду (ведь именно их роль выполняют соответственно коллектор и эмиттер) меня несколько разочаровывает. Тот факт, что база должна быть отрицательной по отношению к эмиттеру, радует мое сердце, так как я думаю, разумеется, о сетке.

Л. – Незнайкин, остерегайся таких сопоставлений, я уже говорил тебе об этом.

Н. – Как бы там ни было, но при таком распределении напряжений переход эмиттер – база питается в проводящем направлении. Это значит, что отталкиваемые положительным полюсом источника питания дырки эмиттера неудержимо устремляются через р-n переход в базу. Благодаря малой толщине базы большинство дырок успевает проскочить через нее и проникает в коллектор, не прореагировав на слабое напряжение отрицательного полюса батареи Е_б-э.

Л. – Это совершенно верно. Однако что происходит с теми немногочисленными дырками, которые, как ты говоришь, прореагируют на притяжение отрицательного полюса батареи Е_б-э (рис. 29)?

Рис. 29. Движение носителей зарядов в работающем р-n-р транзисторе. Для общей ясности ионы на этом рисунке не показаны.

Н. – Они нейтрализуются в результате рекомбинации с поступившими от этого полюса электронами. Таким образом, они создают небольшой ток I_б, протекающий от базы к эмиттеру (в электронном смысле, конечно).

Л. – А какова судьба большинства дырок, которые достигли коллектора?

Н. – Там происходит то же самое явление: дырки нейтрализуются электронами, поступающими из отрицательного полюса батареи Е_к-э . И каждый раз, когда электрон проникает из батареи в коллектор, чтобы нейтрализовать дырку, другой электрон покидает один из атомов эмиттера и поглощается положительным полюсом этой батареи; само собой разумеется, что, покидая свой атом, данный электрон порождает в эмиттере новую дырку. Ток поддерживается движением дырок от эмиттера к коллектору и электронов в обратном направлении. Разве не так?

Л. – Я восхищен, как здорово разобрался ты в работе транзистора. Действительно, все происходит гак, как если бы армия штурмовала крепость. Атакующие достигают вершины стены и в неудержимом порыве врываются в город через ряды пытающихся их сдержать защитников.

Н. – Твоя аналогия, где крепостная стена представляет базу, а город – коллектор, была бы более убедительной, если бы осажденный гарнизон предпринимал контратаку, символизирующую движение электронов навстречу атакующим дыркам, вооруженным неотразимым… положительным зарядом.

Да, кстати, с одинаковой ли скоростью движутся электроны и дырки?

Несколько футуристических комбинаций

Л. – Нет, Незнайкин. В чистом германии под воздействием электрического поля величиной в один вольт на сантиметр электроны пробегают около сорока метров в секунду, тогда как дырки перемещаются вдвое медленнее. В кремнии при этих же условиях у электронов скорость порядка двенадцати метров в секунду, а скорость дырок составляет всего лишь два с половиной метра в секунду. А в некоторых интерметаллических соединениях скорость электронов достигает более полукилометра в секунду.

Н. – Что это за интерметаллические соединения, которые ты неожиданно суешь мне под нос?

Л. – Это полупроводники, представляющие собой комбинацию трехвалентных и пятивалентных элементов…

Н. – …комбинацию, дающую в среднем валентное число четыре, т. е. такое же, как у германия и кремния. Можешь ли ты назвать мне некоторые такие комбинации?

Л. – Пожалуйста. Из комбинации пятивалентной сурьмы и трехвалентного галлия, например, можно получить транзисторы. Трехвалентный индий в комбинации с пятивалентным фосфором даст полупроводниковый материал, используемый для производства некоторых диодов. Удалось даже использовать соединение кадмия (валентное число – два) с селеном (валентное число – шесть) для изготовления фотоэлементов. Интерметаллические полупроводниковые материалы, являясь предметом активных исследований, открывают интересные перспективы будущего…

Н. – Дорогой друг, давай вернемся к нашим овцам… на трех ногах. Я хотел бы знать, чем различаются эмиттер и коллектор. В транзисторе р-n-р оба они типа р (так же как в транзисторе n-р-n они оба типа n). Не свидетельствует ли это об их взаимозаменяемости?

Л. – Нет, дорогой друг. И ты сам легко поймешь, почему. Если ток, идущий от эмиттера к базе, а затем к коллектору, имеет примерно одну и ту же величину, то этого нельзя сказать о напряжениях. Между базой и эмиттером напряжение невелико, а между коллектором и базой оно значительно выше.

Н. – Я понял. Так как произведение тока на напряжение дает мощность, то мощность, рассеиваемая со стороны коллектора, во много раз больше той, которая рассеивается между эмиттером и базой.

Л. – Ты тысячу раз прав. Вот почему коллектор должен легче отводить выделяющееся там тепло. У него большая, чем у эмиттера, площадь. А в мощных транзисторах коллектор припаян к металлическому корпусу, что облегчает излучение тепла и передачу его на шасси благодаря теплопроводности корпуса.

О выводах и условных обозначениях

Н. – Теперь я понимаю, чем различаются электроды транзистора, но как их узнать? Как определить, какой вывод транзистора соединен с эмиттером, а какой соответствует базе или коллектору?

Л. – Опознаются они очень просто. Обычно три проволочных вывода расположены в линию (рис. 30), причем средний из них соединен с базой, один из крайних выводов, ближайший к среднему, – с эмиттером, а другой вывод – с коллектором (этот вывод иногда отмечается цветной точкой).

Рис. 30. Типичное расположение трех выводов транзистора.

Н. – Это одновременно и просто и логично, как и условное изображение транзистора на твоих рисунках в виде разделенного на три зоны – области прямоугольника.

Л. – Увы, Незнайкин, это действительно логичное и соответствующее истинной структуре транзистора условное изображение обычно не используется в схемах.

Н. – Досадно. Каково же «официальное» графическое обозначение транзистора?

Л. – Всемирно принятого условного обозначения нет. В разных странах нередко применяют различные условные обозначения. Большинство же пользуется обозначением в виде круга с черточкой внутри, к которой подходят под углом две линии. Черточка обозначает базу, линия, снабженная стрелкой, – эмиттер, а другая такая же линия, но без стрелки, – коллектор.

А кроме того (запомни это как следует!), если стрелка направлена к базе (рис. 31), то это транзистор структуры р-n-р, а если от базы (рис. 32), то транзистор n-р-n.

Рис. 31. Условное обозначение транзистора структуры р-n-р.

Рис. 32. Условное обозначение транзистора структуры n-р-n.

Н. – Почему же понадобилось принимать значок, так мало соответствующий действительной структуре транзистора, где эмиттер и коллектор расположены по разные стороны от базы?

Л. – Это относится к 1948 г. Появившиеся тогда первые в мире транзисторы были «точечного» типа. Они состояли из кристалла германия типа n, служившего базой, на который опирались два металлических острия, расположенных очень близко одно к другому (рис. 33).

Рис. 33. Устройство точечного транзистора.

Н. – Любознайкин, а не было ли это возвращением к старому кристаллическому детектору?

Л. – Почти. Но вместо одного острия было два. Питание того транзистора осуществлялось так же, как питание современного транзистора структуры р-n-р. Точечный транзистор отличался тем же недостатком, что и его предок – кристаллический детектор – отсутствием стабильности. Кроме того, он не мог работать при сколько-нибудь значительных мощностях. Вот почему теперь точечный транзистор совершенно не используется. В то же время точечный диод до сих пор используется широко, особенно на сверхвысоких частотах, например в радиолокации, потому что там высоко ценится малая емкость такого диода.

Н. – Прежде чем идти дальше, я хотел просить тебя, Любознайкин, кратко резюмировать (лучше в письменной форме) суть того, чему ты меня научил и что потребуется для понимания твоих последующих объяснений. Это позволило бы мне до нашей следующей встречи лучше усвоить пройденное.

Л. – Я охотно составлю для тебя такое резюме и пришлю его по почте. А пока, Незнайкин, доброй ночи!

Письмо Любознайкина к Незнайкину

Вот, мой дорогой друг, сведения, которые должны прочно врезаться в твою память:

* Транзистор состоит из трех зон-областей: эмиттера, базы и коллектора. Они содержат примеси, придающие эмиттеру и коллектору электрические свойства, противоположные свойствам базы.

* Существует два типа транзисторов: р-n-р и n-p-n. Больше распространен первый тип, по крайней мере среди транзисторов из германия. (По технологическим соображениям большая часть кремниевых транзисторов делается со структурой n-р-n.)

* В транзисторе р-n-р базе сообщают отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал, а коллектору – еще более отрицательный, чем базе.

* В транзисторе n-р-n база должна быть положительной по отношению к эмиттеру, а коллектор еще более положительным, чем база.

* Отмечено, что в обоих случаях приложенные напряжения питают переход эмиттер – база в пропускающем направлении.

* Ток базы очень мал (микроамперы); ток коллектора значительно больше (миллиамперы).

* Малое изменение тока базы вызывает сильное изменение тока коллектора. Отношение второго изменения к первому называется коэффициентом передачи тока.

* Вход транзистора (база – эмиттер) имеет относительно небольшое сопротивление. Поэтому подаваемые на вход сигналы должны рассеивать некоторую мощность.

* Выход транзистора (коллектор – эмиттер) отличается высоким сопротивлением.

* Изменение напряжения, приложенного между базой и эмиттером, определяет изменение тока базы, а это изменение в свою очередь вызывает большее изменение тока коллектора. Если в цепь коллектора включен нагрузочный резистор, то на нем можно выделить усиленное напряжение.

* Вот в нескольких словах, мой дорогой Незнайкин. выводы, к которым мы пришли.

Твой друг Любознайкин

Беседа пятая

НЕМНОГО ТЕХНОЛОГИИ

Конечно, Незнайкину не придется самому делать транзисторы, но это не мешает ему живо интересоваться довольно своеобразными приемами изготовления «трехлапых созданий». Попутно он узнает, что существует много разновидностей этих приборов, созданных для выполнения различных задач. Так, все возрастающие требования к частотным пределам и отдаваемой мощности заставили специалистов-технологов принять некоторые весьма оригинальные решения.

_{Содержание: Очистка методом зонной плавки. Высокочастотный нагрев. Выращивание монокристалла. Резка монокристалла. Метод изготовления «тянутых» переходов. Сплавные транзисторы. Проблема мощных транзисторов. Метод диффузии. Время пробега. Емкости р-n переходов. Полупроводниковый тетрод. Поверхностно-барьерные транзисторы. Метод двойной диффузии. Дрейфовый транзистор структуры р-n-р. Мезатранзистор. Полевой транзистор.}

Первоначальная очистка

Незнайкин. – Знаешь ли ты, Любознайкин, что у меня никогда не возникало желания самому делать электронные лампы? Откачать из стеклянного баллона практически весь воздух было для меня непреодолимым препятствием, так как мой велосипедный насос не казался мне подходящим для этого. А теперь мне кажется, что я могу без особых затруднений изготовить несколько транзисторов. Как ты думаешь, найду ли я в магазине химреактивов все нужные мне вещества: чистый германий, сурьму для области n и индий для области р?

Любознайкин. – Ты это серьезно, мой бедный друг?

Н. – Конечно, а разве это так трудно?

Л. – Еще как!.. Прежде всего нужно достаточно хорошо очистить германий, так как тот, что ты можешь найти в продаже под названием «чистый», далеко не так чист, как нам нужно. Затем ему нужно придать правильную кристаллическую структуру, превратив его в единый кристалл, или монокристалл. Потом в него нужно ввести примеси типов р и n, создав оба перехода, разделяющих транзистор на три области – зоны. И, наконец, нужно припаять к этим областям выводы, смонтировать все это в единое целое и поместить в герметический корпус, чтобы защитить от внешних воздействий. Только большие, хорошо оснащенные заводы могут правильно выполнить эти разнообразные операции.

Н. – Ты приводишь меня в отчаяние. Неужели действительно так трудно очистить германий?

Л. – Не забывай, что нам нужен действительно чистый германий, в котором на миллиард атомов германия должно содержаться не более десяти атомов примесей, а то и еще меньше.

Н. – Я предполагаю, что для удаления из германия загрязняющих его посторонних веществ применяют химические процессы.

Л. – Химия делает все, что в ее силах, но этого недостаточно. Поэтому после химической очистки прибегают к физическому процессу, называемому зонной плавкой. Слиток очищаемого германия кладут в очень чистый тигель из кварца или графита и в атмосфере водорода или азота (чтобы избежать какого бы то ни было окисления) нагревают узкую зону этого слитка, доводя германий в этом месте до плавления. Эту расплавленную зону медленно перемещают от одного конца тигля к другому.

Н. – Я думаю, что при этом примеси выгорают.

Л. – Ошибаешься. Процесс основан на том явлении, что примеси, стремясь остаться в жидкой зоне, уходят из тех частей германиевого слитка, которые, охлаждаясь, начинают затвердевать. Таким способом их постепенно перемещают от одного конца бруска германия к другому и после повторения этой процедуры несколько раз обрезают конец стержня, в котором собраны все примеси.

Н. – И его выбрасывают?

Л. – Нет, потому что германии стоит очень дорого. Его повторно используют при очистке следующей порции германия.

Н. – Я начинаю думать, что наша Гора вчера испытала на себе зонную очистку…

Л. – Кто такая Гора, и что за чепуху ты мне рассказываешь?

Н. – Гора – наша кошка (мы ее так зовем, потому что она наполовину ангорская). Обычно очень чистая, она, должно быть, связалась с дурной компанией и нахватала блох. Проведя гребнем много раз от головы до хвоста, мы освободили ее от примесей… Но как устроен гребень для германия? Я хочу спросить, каким образом удается расплавить узкую зону германия?

Высокочастотный нагрев

Л. – Делается это с помощью индукционного высокочастотного нагрева. Короткая катушка из нескольких витков охватывает зону плавления, по катушке пропускается от мощного генератора ток высокой частоты. Магнитное поле этой катушки наводит в массе германия токи, которые нагревают находящийся внутри катушки участок слитка до плавления (рис. 34).

Рис. 34. Зонная плавка осуществляется нагреванием находящегося в тигле германия с помощью токов высокой частоты, протекающих по катушке, которая медленно перемещается от «одного конца тигля к другому. Тигель помещен в кварцевую трубку, заполненную азотом или водородом.

Н. – Это же самое делали моему дяде Жюлю!

Л. – Что сделали твоему дяде? Что, у него тоже были блохи?

Н. – Нет, из-за злополучного падения его коленный сустав заполнился синовиальной жидкостью, и ему делали высокочастотную диатермию.

Л. – Я понимаю. Колено помещают между двумя хорошо изолированными электродами, к которым подводят напряжение высокой частоты. Созданное таким образом электрическое поле благодаря потерям в диэлектрике нагревает больной орган. Но в отличие от этого при индукционном нагреве, используемом в зонной очистке, нагрев создается магнитным полем, которое наводит токи в массе полупроводника. Чудесная особенность высокочастотного нагрева заключается в том, что как при действии электрического поля на диэлектрик, так и при действии магнитного поля на проводник нагрев внутренних частей происходит не из-за постепенного проникновения тепла от периферийных частей в глубину (как это рекомендуется при приготовлении хорошего бифштекса), а одновременно на всю глубину.

Н. – Но вернемся к нашему германию. Катушка медленно двигается от одного конца тигля к другому…

Л. – …если только не сам тигель медленно движется внутри катушки, что дает такой же результат. В действительности устанавливается несколько катушек на определенном расстоянии одна от другой с тем, чтобы за один проход тигля получить несколько зон плавления, чередующихся с зонами затвердевания. Результат получается такой же, как если бы вдоль слитка германия несколько раз прогнали одну зону плавления. Я хочу подчеркнуть, что германий движется очень медленно: один миллиметр в минуту.