Метод пара и диффузии

Л. — Так, начнем с вопроса о мощности. Кто говорит ватты — говорит калории. Для получения достаточной мощности при небольшом напряжении, типичном для транзисторов, необходимо прибегать к большим токам.

Н. — Разумеется, потому что мощность равна напряжению, умноженному на ток.

Л. — Браво! Но эти токи, проходя через переходы, имеющие малое сечение, выделяют на них тепло, а ты знаешь, как плохо полупроводники выдерживают температуру.

Н. — И какое же средство против этого ты предлагаешь?

Л. — Прежде всего нужно увеличить сечение полупроводника, следовательно, делать транзисторы с относительно большой площадью. Затем следует облегчить отвод тепла, укрепив для этого коллектор на большой металлической пластинке, служащей радиатором. Медь является прекрасным проводником тепла, ее и рекомендуется использовать для этой цели.

Н. — Значит, рациональное использование транзисторов требует знания законов теплотехники. Если я правильно понял, мне следует заняться изучением и этой науки, бедная моя головушка!

Л. — Успокойся, Незнайкин, для расчета распространения тепла можно пользоваться правилами расчета тока в электрических цепях; получаемые результаты вполне убедительны…

Но вернемся с мощным транзисторам. Я должен тебе сказать, что их часто изготовляют методом диффузии. Поместив пластинки полупроводника в атмосферу газа, содержащего пары примесей, которые должны образовать эмиттер и коллектор, нагревают полупроводниковые пластинки до температуры, близкой к их точке плавления. Атомы примесей постепенно проникают в полупроводник. Операция длится несколько часов. Это означает, что, дозируя содержание примесей в газе и регулируя длительность диффузии, можно точно определять глубину проникновения примесных атомов в материал базы. Кроме того, этот метод позволяет получать эмиттер и коллектор с необходимой для мощных транзисторов большой площадью.

Н. — Тем лучше, но что же тогда препятствует работе транзисторов на высоких частотах?

Два препятствия

Л. — Два фактора: время пробега и емкость.

Н. — О каком пробеге ты говоришь?

Л. — О проходе носителей заряда через базу от эмиттера к коллектору. Этим временем пренебрегать нельзя, потому что, как я тебе уже говорил; электроны и дырки перемещаются с довольно ограниченными скоростями. Возьмем, например, электроны, пробегающие за секунду 40 м. Допустим, что нам удалось сделать базу толщиной в 0,1 мм. Значит, для пробега этого пути электрону потребуется 2,5 мкс.

Н. — Ну, это не так много.

Л. — И тем не менее для сигнала частотой в 1 МГц это слишком много, так как период такого колебания имеет длительность всего лишь 1 мкс и нашему электрону-увальню за время его неторопливого путешествия через базу придется дважды менять теми. Вот мы и столкнулись с тем, что транзистор не способен усиливать токи, частота которых превышает несколько сотен килогерц[8].

Н. — Какая трагическая ситуация! И я вижу один только выход: уменьшить толщину базы. Это возможно?

Л. — Да, и я расскажу тебе о средствах достижения этой цели. Но надо учитывать второй опасный фактор: емкости р-n переходов.

Н. — А чем эти емкости нам мешают?

Л. — Разве ты забыл о том вреде, который причиняют паразитные емкости в ламповых схемах? Здесь они вызывают те же трудности. Емкостное сопротивление, которое они оказывают прохождению тока, тем меньше, чем выше частота токов. В результате токи высокой частоты не идут по предназначенной им дороге, а удирают через паразитные емкости.

Н. — Действительно, эти емкости подобны ячейкам в решете, которое способно удержать только крупные орехи, а если попытаться наполнить его горохом, то он весь высыплется… Следовательно, чтобы наш транзистор работал на высоких частотах, нужно уменьшить площади эмиттера и коллектора. Ведь это должно уменьшить их емкости.

Тетрод, который им не является

Л. — Правильно. Попутно заметь, что есть окольный способ снизить эффективную емкость, не уменьшая при этом чрезмерно площади переходов, что сильно ограничило бы рассеиваемую мощность. Это осуществлено в полупроводниковом тетроде. Я спешу сказать тебе, что работа этого прибора не имеет никакой аналогии с работой вакуумного тетрода… Здесь четвертый электрод размещается на базе с противоположной от основного вывода стороны и его потенциал имеет противоположный знак (рис. 37).