U svemu zamjenjivi blokovi prijemnik i u njihovim moguće opcije Korišteni su samo germanijski tranzistori, uglavnom strukture p-n-p. Samo u push-pull izlaznom stupnju pojačala bez transformatora audio frekvencija(blok 5) jedan od njegovih tranzistora imao je strukturu n-p-n. Germanijevi tranzistori odavno su stekli popularnost među radioamaterima i naširoko ih koriste u dizajniranoj opremi. Osim toga, cijene za njih nedavno su značajno snižene; gotovo su uvijek dostupne u trgovinama radija, u trgovačkim bazama Posyltorg i Tsentrosoyuz, odakle se mogu naručiti poštom.

Ali danas germanijski tranzistori, kao neperspektivni, sve više ustupaju mjesto silicijskim tranzistorima u radio opremi, uključujući amatersku radio opremu. To se objašnjava činjenicom da rade instrumenti i uređaji koji se temelje na silicijskim tranzistorima različitim uvjetima stabilniji. Tome možemo dodati da je proizvodnja silicijevih tranzistora u stalnom porastu, dok je proizvodnja germanijevih tranzistora u opadanju.

U tom smislu, možda imate pitanje: je li moguće zamijeniti germanijeve tranzistore silicijevim u zamjenjivim blokovima opisanog prijemnika? Moguće je, ali, naravno, uzimajući u obzir neke od njihovih značajki.

Najviše karakteristična značajka Silikonski tranzistori imaju veći prednapon pri kojem se uključuju. Germanijski tranzistori, kao što znate, otvaraju se kada napon na emiteru r-p prijelaz 0,1... 0,2 V, a silicij na naponu od 0,6... 0,7 V. To znači da na temelju silicij tranzistora koji radi u načinu pojačanja, u odnosu na emiter treba biti najmanje 0,6 V. S više At niskog prednapona, silicijski tranzistor će iskriviti pojačani signal. Ovaj početni način rada silicijevog tranzistora uspostavlja se, poput germanijevog tranzistora, odgovarajućim odabirom vrijednosti otpornika u osnovnom krugu.

Riža. 47. Sklop audio pojačala (blok 6) pomoću silicijskih tranzistora

Većina silicijskih tranzistora ima strukturu n-p-n. To znači da zamjena germanija u blokovima p-n-p tranzistori na siliciju n-p-n Tranzistori moraju promijeniti ne samo polaritet napajanja, već i polaritet elektrolitskih kondenzatora.

To je, zapravo, glavna stvar koju treba imati na umu pri zamjeni germanijskih tranzistora silicijevim. Što se tiče konstrukcije dijagrama blokova i napona napajanja, oni se u osnovi ne mijenjaju.

Na primjer na Sl. Slika 47 prikazuje dijagram bloka 6 - isto audio pojačalo bez transformatora, ali sa silicijskim tranzistorima. Kako se razlikuje od blok sklopa koji koristi germanijeve tranzistore (vidi sl. 38)? Uglavnom polaritetom napajanja i elektrolitičkih kondenzatora. Tranzistori 6 V1, 6V2 I 6 V3- n-p-n, 6V4- p-n-p, način rada tranzistora 6 V1 instaliran izborom otpornika 6 R1. Napon na spojnoj točki emitera tranzistora 6 V3 I 6 V4(točka simetrije izlaznog stupnja push-pull), jednaka polovici napona izvora napajanja, postavlja se odabirom otpornika 6 R4, a struja kolektorskog kruga tranzistora 6 V3, jednak 3... 4 mA, odabirom otpornika 6 R7.

Obratite pozornost na uključivanje otpornika 6 R6 i dinamična glava 1B1. U opisanom 1! blok na germanijevim tranzistorima, takav se otpornik spajao izravno na negativne, a glava na pozitivne vodiče izvora struje. I ovdje je glava spojena na pozitivni vodič izvora struje, pa se polaritet elektrolitskog kondenzatora promijenio 6S5, i otpornik 6 R6 spojen na spojnu točku između glave i ovog kondenzatora. Ovom metodom spajanja ovog otpornika preko njega iz izlaznog kruga u osnovni krug tranzistora izlaznog stupnja, dovodi se takozvani pojačani napon - mali napon audio frekvencije koji izjednačava radne uvjete tranzistora.

U svim blokovima, umjesto visokofrekventnih i niskofrekventnih niske snage p-n-p najbolje je koristiti tranzistori n-p-n tranzistori serije KT315 sa statičkim koeficijentom prijenosa struje od 80... 100, umjesto n-p-n tranzistor u bloku 6 (MP37) - p-n-p tranzistor iz serije KT361. U izlaznom stupnju audio pojačala velike snage (Sl. 40) p-n-p tranzistori-P602 mogu se zamijeniti n-p-n tranzistori K.T601, KT602, KT603 s bilo kojim? slovni indeks.

Prije nego počnete instalirati određeni blok, prilagodite ga shematski dijagram uzimajući u obzir ovdje dane preporuke. To će spriječiti pogreške, pa čak i moguća oštećenja tranzistora.

S pravom se smatra jednim od značajnih izuma 20. stoljeća. izum tranzistora, koji je zamijenio vakuumske cijevi.

Lampe su dugo vremena bile jedina aktivna komponenta radio-elektronički uređaji, iako su imali mnogo nedostataka. Prije svega, to su velika potrošnja energije, velike dimenzije, kratak vijek trajanja i niska mehanička čvrstoća. Ti su se nedostaci sve više osjećali kako se elektronička oprema poboljšavala i postajala složenijom.

Revolucionarna revolucija u radiotehnici dogodila se kada su zastarjele žarulje zamijenjene poluvodičkim pojačalima - tranzistorima, lišenim svih navedenih nedostataka.

Prvi funkcionalni tranzistor rođen je 1947. godine zahvaljujući naporima zaposlenika američke tvrtke Bell Telephone Laboratories. Njihova su imena sada poznata u cijelom svijetu. Riječ je o znanstvenicima – fizičarima W. Shockleyju, D. Bardeenu i W. Brightenu. Sva trojica su već 1956. za ovaj izum dobili Nobelovu nagradu za fiziku.

Ali, poput mnogih velikih izuma, tranzistor nije odmah zapažen. Samo je jedna od američkih novina spomenula da je Bell Telephone Laboratories demonstrirao uređaj koji je sam napravio nazvan tranzistor. Tamo je također rečeno da se umjesto toga može koristiti u nekim područjima elektrotehnike vakuumske cijevi.

Prikazani tranzistor bio je u obliku malog metalnog cilindra dugog 13 mm i demonstriran je u prijemniku koji nije imao vakuumske cijevi. Osim toga, tvrtka je uvjerila da se uređaj može koristiti ne samo za pojačanje, već i za generiranje ili pretvaranje električnog signala.

Riža. 1. Prvi tranzistor

Riža. 2. John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain. Podijelili su Nobelovu nagradu 1956. za suradnju u razvoju prvog operativnog tranzistora na svijetu 1948.

Ali mogućnosti tranzistora, kao i mnogih drugih velikih otkrića, nisu odmah shvaćene i cijenjene. Kako bi pobudio interes za novi uređaj, Bell ga je intenzivno reklamirao na seminarima iu člancima te svima dao licence za njegovu proizvodnju.

Proizvođači elektroničkih cijevi tranzistor nisu vidjeli kao ozbiljnog konkurenta, jer je bilo nemoguće odmah, jednim potezom, odbaciti tridesetogodišnju povijest proizvodnje cijevi od nekoliko stotina dizajna i višemilijunske vrijednosti. novčana ulaganja u njihovom razvoju i proizvodnji. Stoga tranzistor nije tako brzo ušao u elektroniku, budući da je era vakuumskih cijevi još bila u tijeku.

Riža. 3. Tranzistor i vakuumska cijev

Prvi koraci prema poluvodičima

Od davnina se u elektrotehnici uglavnom koriste dvije vrste materijala - vodiči i dielektrici (izolatori). Metali, otopine soli i neki plinovi imaju sposobnost provođenja struje. Ova sposobnost je zbog prisutnosti slobodnih nositelja naboja - elektrona - u vodičima. U vodičima se elektroni prilično lako odvajaju od atoma, ali za prijenos električna energija Najprikladniji metali su oni koji imaju nisku otpornost (bakar, aluminij, srebro, zlato).

Izolatori su tvari s visokim otporom; njihovi elektroni su vrlo čvrsto vezani za atom. To su porculan, staklo, guma, keramika, plastika. Zato besplatne naknade U tim tvarima nema, a samim time ni električne struje.

Ovdje je prikladno prisjetiti se formulacije iz udžbenika fizike koja struja ovo je usmjereno kretanje električki nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja. U izolatorima se jednostavno nema što kretati pod utjecajem električnog polja.

Međutim, u procesu proučavanja električnih fenomena u različitim materijalima, neki su istraživači uspjeli "osjetiti" efekte poluvodiča. Na primjer, prvi kristalni detektor (diodu) stvorio je 1874. godine njemački fizičar Karl Ferdinand Braun na temelju kontakta olova i pirita. (Pirit je željezni pirit; pri udaru o stolicu izbija iskra, po čemu je i dobio ime od grčke riječi pir - vatra). Kasnije je ovaj detektor uspješno zamijenio koherer u prvim prijamnicima, što je znatno povećalo njihovu osjetljivost.

Godine 1907. Boeddeker je, proučavajući vodljivost bakrenog jodida, otkrio da se njegova vodljivost povećava 24 puta u prisutnosti joda, iako jod sam po sebi nije vodič. Ali sve su to bila slučajna otkrića koja se nisu mogla znanstveno potkrijepiti. Sustavno proučavanje poluvodiča počelo je tek 1920. - 1930. godine.

U ranim danima proizvodnje tranzistora, glavni poluvodič bio je germanij (Ge). Što se tiče potrošnje energije, vrlo je ekonomičan, napon otključavanja njegovog pn spoja je samo 0,1 ... 0,3 V, ali mnogi parametri su nestabilni, pa ga je zamijenio silicij (Si).

Temperatura na kojoj rade germanijevi tranzistori nije viša od 60 stupnjeva, dok silicijski tranzistori mogu nastaviti raditi na 150. Silicij, kao poluvodič, superiorniji je od germanija u drugim svojstvima, prvenstveno u frekvenciji.

Osim toga, zalihe silicija (običnog pijeska na plaži) u prirodi su neograničene, a tehnologija za njegovo pročišćavanje i preradu jednostavnija je i jeftinija od elementa germanija koji je rijedak u prirodi. Prvi silicijski tranzistor pojavio se nedugo nakon prvog germanijskog tranzistora - 1954. godine. Ovaj je događaj čak doveo do novog naziva "silicijsko doba", koje ne treba brkati s kamenim dobom!

Riža. 4. Evolucija tranzistora

Mikroprocesori i poluvodiči. Propast “silikonskog doba”

Jeste li se ikada zapitali zašto U zadnje vrijeme Jesu li gotovo sva računala postala višejezgrena? Pojmovi dual-core ili quad-core su svima na ustima. Činjenica je da povećanje performansi mikroprocesora povećanjem taktna frekvencija, a povećanje broja tranzistora u jednom paketu, za silicijske strukture gotovo se približilo granici.

Povećanje broja poluvodiča u jednom paketu postiže se njihovim smanjenjem fizičke dimenzije. U 2011 Tvrtka INTEL je već razvio 32 nm procesnu tehnologiju, u kojoj je duljina kanala tranzistora samo 20 nm. Međutim, takvo smanjenje ne donosi zamjetno povećanje frekvencije takta, kao što je to bio slučaj do 90 nm tehnologija. Sasvim je očito da je vrijeme za prijelaz na nešto bitno novo.

Tranzistor(tranzistor) – poluvodički element s tri pina (obično), od kojih je jedan ( kolektor) dovodi se jaka struja, a drugi ( baza) servirano slabo ( upravljačka struja). Pri određenoj jakosti upravljačke struje kao da se “otvara” ventil i struja od kolekcionara počinje teći na treći izlaz ( odašiljač).

Odnosno, tranzistor je vrsta ventil, koji pri određenoj jakosti struje naglo smanjuje otpor i šalje struju dalje (od kolektora prema emiteru, jer pod određenim uvjetima, šupljine koje imaju elektron ga gube, prihvaćajući novi i tako dalje). u krugu. Ako se na bazu ne dovodi električna struja, tranzistor će biti u uravnoteženom stanju i neće propustiti struju do emitera.

U modernim elektroničkim čipovima broj tranzistora brojke u milijardama. Koriste se prvenstveno za izračune i sastoje se od složenih veza.

Poluvodički materijali koji se uglavnom koriste u tranzistorima su: silicij, galijev arsenid I germanij. Tu su i tranzistori ugljikove nanocijevi, transparentan za prikaze LCD I polimer(najviše obećava).

Vrste tranzistora:

Bipolarni– tranzistori u kojima nositelji naboja mogu biti i elektroni i “rupe”. Struja može teći kao prema emiteru, dakle prema kolektoru. Za kontrolu protoka koriste se određene kontrolne struje.

– rašireni uređaji u kojima se električni tok kontrolira pomoću električnog polja. To jest, kada se formira veće polje, ono zarobljava više elektrona i ne može dalje prenositi naboje. To jest, ovo je vrsta ventila koji može promijeniti količinu prenesenog naboja (ako se kontrolira tranzistor s efektom polja p—n— tranzicija). Posebnost Ovi tranzistori imaju visok ulazni napon i visoko naponsko pojačanje.

Kombinirano– tranzistori s kombiniranim otpornicima ili drugi tranzistori u jednom kućištu. Služe za različite svrhe, ali uglavnom za povećanje strujnog dobitka.

Podvrste:

Bio-tranzistori– temelje se na biološkim polimerima koji se mogu koristiti u medicini i biotehnologiji bez štete po žive organizme. Provedene su studije o metaloproteinima, klorofilu A (iz špinata) i virusu mozaika duhana.

Tranzistori s jednim elektronom– prvi su stvorili ruski znanstvenici u 1996. godine. Mogao raditi u sobna temperatura za razliku od svojih prethodnika. Princip rada sličan je tranzistoru s efektom polja, ali je suptilniji. Odašiljač signala je jedan ili više elektrona. Ovaj tranzistor se također naziva nano- i kvantni tranzistor. Koristeći ovu tehnologiju, u budućnosti se nadaju stvoriti tranzistore veličine manje od 10 nm, na temelju grafen.

Za što se koriste tranzistori?

Tranzistori se koriste u sklopovi pojačanja, svjetiljke, elektromotori i druge uređaje po potrebi brza promjena amperaža ili položaj naisključeno. Tranzistor može ograničiti struju ili glatko, odnosno metodom puls—pauza. Drugi se češće koristi za -kontrolu. Koristeći snažan izvor energije, provodi ga kroz sebe, regulirajući ga slabom strujom.

Ako struja nije dovoljna za uključivanje kruga tranzistora, upotrijebite nekoliko tranzistora s većom osjetljivošću, povezani kaskadno.

Snažni tranzistori spojeni u jedno ili više kućišta koriste se u potpunosti digitalna pojačala na temelju . Često trebaju dodatno hlađenje . U većini shema, oni rade u ključni način rada(u načinu rada prekidača).

Koriste se i tranzistori u elektroenergetskim sustavima, digitalni i analogni ( matične ploče , video kartice, Napajanje itd.).

Središnji procesori, također se sastoje od milijuna i milijardi tranzistora, povezanih određenim redoslijedom za specijalizirane kalkulacije.

Svaka skupina tranzistora kodira signal na određeni način i šalje ga dalje na obradu. Sve vrste i ROM memorije se također sastoje od tranzistora.

svi dostignuća mikroelektronike bilo bi praktički nemoguće bez izuma i upotrebe tranzistora. Teško je zamisliti barem jedan elektronički uređaj bez barem jednog tranzistora.

• Prijevod

Kao demonstraciju funkcionalnosti koncepta, autor i njegov tim stvorili su germanijske supstrate na izolatoru kako bi stvorili invertere koji sadrže prvo planarne tranzistore, a zatim FinFET tranzistore

Prije gotovo 70 godina, dva fizičara iz Bell Telephone Laba - John Bardeen i Walter Brattain - utisnula su dva tanka zlatna kontakta u pločicu od germanija i napravila treći kontakt na dnu pločice. Struja koja prolazi kroz ovu strukturu mogla bi se koristiti za transformaciju slab signal u jakim. Rezultat je bilo prvo tranzistorsko pojačalo i sklopka, što je moglo postati najveći izum 20. stoljeće. Zahvaljujući Mooreovom zakonu, tranzistor je unaprijedio računala daleko iznad onoga što se činilo mogućim 1950-ih.

Unatoč zvjezdanoj ulozi germanija u ranoj povijesti tranzistora, ubrzo ga je zamijenio silicij. Ali sada je, iznenađujuće, ovaj materijal spreman za povratak. Lideri u proizvodnji čipova razmatraju zamjenu komponenti u samom srcu tranzistora - kanalu za provođenje struje. Ideja je zamijeniti silicij materijalom koji može bolje provoditi struju. Stvaranje tranzistora s ovim kanalima moglo bi pomoći inženjerima da nastave poboljšavati brzinu strujnog kruga i energetsku učinkovitost, što bi dovelo do boljih računala, pametnih telefona i niza drugih naprava u godinama koje dolaze.

Za dugo vremena interes za alternativni kanali vrtio se oko spojeva A III B V, kao što je galijev arsenid, koji se sastoji od atoma lijevo i desno od silicija na periodnom sustavu. I ja sam sudjelovao u toj studiji. Prije osam godina opisao sam napredak postignut u izradi tranzistora pomoću takvih veza.

Dva tranzistora u FinFET pretvaraču sadrže rebraste kanale koji strše iz ravnine podloge (gore - ružičasti kanali, dolje - kosi pogled na drugi set). Razmaci između "peraja" na vrhu su deseci nanometara.

Ali kao rezultat, otkrili smo da postoje temeljna fizička ograničenja A III B V pristupa. Također bi vjerojatno bilo previše skupo i složeno za integraciju s postojećom tehnologijom silicija. Tako je prije nekoliko godina moj tim sa Sveučilišta Purdue počeo eksperimentirati s drugim uređajem: tranzistorom čiji je kanal napravljen od germanija. Od tada smo demonstrirali prve CMOS (komplementarni metal-oksid-poluvodič) krugove. Otprilike ista logika koja je unutra moderna računala, izrađen samo od germanija uzgojenog na konvencionalnim silicijskim supstratima. Također smo izradili niz različitih arhitektura tranzistora od ovog materijala. To uključuje uređaje s nanožicom koji bi mogli biti sljedeći korak u proizvodnji kada današnji najbolji tranzistori, FinFET, više ne budu mogli biti manji.

A što je još zanimljivije jest da se pokazalo da germanij vratiti u upotrebu nije tako teško kao što se čini. Tranzistori koji koriste kombinaciju silicija i germanija u kanalu već se mogu naći u novim čipovima, a prvi put su se pojavili 2015. godine, u demonstraciji budućih tehnologija čipova iz IBM-a. Ovakav razvoj mogao bi biti prvi korak u industriji koja želi uvesti sve veće količine germanija u kanale. Za nekoliko godina možda ćemo otkriti da je materijal koji nam je dao tranzistore pomogao uvesti ih u sljedeću eru izvanrednih performansi.

Germanij je prvi izolirao i otkrio njemački kemičar Clemens Winkler krajem 19. stoljeća. Materijal je dobio ime po domovini znanstvenika i oduvijek se smatrao lošim vodičem struje. To se promijenilo tijekom Drugog svjetskog rata, kada su otkrivena poluvodička svojstva germanija - to jest, sposobnost prebacivanja između provođenja i blokiranja struje. U poslijeratnim godinama brzo su se razvijali poluvodički uređaji temeljeni na germaniju. U Sjedinjenim Američkim Državama proizvodnja je, odgovarajući na zahtjeve tržišta, porasla s nekoliko stotina funti 1946. na 45 tona do 1960. Ali silicij je pobijedio; postao je popularan materijal za logičke i memorijske čipove.

I postoje dobri razlozi za dominaciju silicija. Prvo, ima ga više i jeftinije je. Silicij ima širi pojasni razmak, energetsku barijeru koja se mora prevladati da bi se stvorila vodljivost. Što je ova zona veća, to je teže da struja u nepotrebnom trenutku procuri kroz uređaj i rasipa energiju. Kao bonus, silicij je također imao bolju toplinsku vodljivost, što je olakšalo odvođenje topline kako se krugovi ne bi pregrijavali.

S obzirom na sve prednosti, prirodno je zapitati se zašto bismo uopće razmatrali vraćanje germanija u kanal. Odgovor je mobilnost. Elektroni u germaniju se kreću gotovo tri puta lakše na sobnoj temperaturi nego u siliciju. A rupe - odsutnost elektrona u materijalu, koji se smatra pozitivnim nabojem - kreću se gotovo četiri puta spremnije.

Prstenasti CMOS oscilator s devet stupnjeva predstavljen 2015

Činjenica da su elektroni i rupe tako pokretljivi u germaniju čini ga prikladnim kandidatom za CMOS sklopove. CMOS kombinira dvoje različiti tipovi tranzistori: p-kanalni FET (pFET), čiji kanal sadrži višak slobodnih šupljina, i n-kanalni FET (nFET), koji ima višak elektrona. Što se brže kreću, strujni krugovi brže rade. A smanjenje napona potrebnog za njihovo pomicanje znači smanjenje potrošnje energije.

Naravno, germanij nije jedini materijal s takvom pokretljivošću čestica. Prethodno spomenuti A III B V spojevi, materijali kao što su indijev arsenid i galijev arsenid, također se mogu pohvaliti visokom pokretljivošću elektrona. Elektroni u indijevom arsenidu gotovo su 30 puta pokretljiviji nego u siliciju. Ali problem je u tome što se to svojstvo ne odnosi na rupe – one nisu mnogo pokretljivije od onih koje nalazimo u siliciju. A ovo ograničenje onemogućuje stvaranje brzih pFET-ova, a nedostatak brzih pFET-ova negira proizvodnju brzih CMOS sklopova, budući da oni ne mogu raditi s vrlo velikom razlikom u radnim brzinama nFET-ova i pFET-ova.

Jedno od rješenja je uzeti najbolje iz svakog materijala. Istraživači u mnogim laboratorijima, poput Europske organizacije za istraživanje poluvodiča Imec i IBM Zurich Laboratorija, pokazali su načine za stvaranje sklopova u kojima su nFET kanali napravljeni od spojeva A III B V, a pFET-ovi napravljeni od germanija. I dok ova tehnologija može omogućiti vrlo brze sklopove, ona značajno usložnjava proizvodnju.

Stoga preferiramo jednostavan pristup s germanijem. Germanijski kanali trebali bi povećati performanse, a problemi u proizvodnji neće biti toliko ozbiljni.

Kako je Njemačkoj?

Da bi se germanij - ili bilo koji alternativni materijal - mogao proizvoditi, mora se naći način da se on doda silicijskim pločicama koje se trenutno koriste za izradu čipova. Srećom, postoji mnogo načina za nanošenje sloja germanija na silicijsku podlogu, koji se zatim može koristiti za izradu kanala. Korištenje tankog sloja eliminira dva ključna problema germanija - njegovu visoku cijenu u usporedbi sa silicijem i njegovu relativno lošu toplinsku vodljivost.

Ali da biste zamijenili silicij u tranzistoru, nije dovoljno samo ubaciti tanki, visokokvalitetni sloj germanija. Kanal mora besprijekorno raditi s ostalim komponentama tranzistora.

Sveprisutni moderni CMOS čipovi koriste tranzistore s efektom polja metal-oksid-poluvodič (MOSFET). Ima četiri osnovna dijela. Izvor i odvod – početna i završna točka kretanja struje; kanal koji ih povezuje; vrata koja služe kao ventil koji kontrolira prisutnost struje u kanalu.

U stvarnosti, visokokvalitetni tranzistor sadrži i druge sastojke. Jedan od najvažnijih je izolator vrata, koji sprječava kratki spoj vrata i kanala. Atomi u poluvodičima kao što su silicij, germanij i spojevi A III B V raspoređeni su u tri dimenzije. Nemoguće je napraviti savršeno ravnu površinu, tako da će atomi na vrhu kanala imati nekoliko stršećih veza. Potreban vam je izolator koji veže što je više moguće tih veza, a taj se proces naziva pasivizacija ili površinsko jetkanje. Ako se napravi loše, možete završiti s kanalom s "električnim rupama", punim mjesta na kojima se nositelji naboja mogu privremeno zarobiti, smanjujući njihovu mobilnost i, kao rezultat, brzinu uređaja.

Lijevo: A III B V nFET i germanij pFET, komadići oba materijala uzgojeni na izoliranoj silicijskoj podlozi.
Desno: Oba tranzistora napravljena su od germanija spojenog na podlogu.

Srećom, priroda je siliciju dala prirodni izolator koji dobro odgovara njegovoj kristalnoj strukturi: silicijev dioksid (SiO2). I premda se u modernim tranzistorima nalaze egzotičniji izolatori, oni još uvijek sadrže tanak sloj ovog oksida koji služi za pasivizaciju silicijevog kanala. Budući da su silicij i SiO 2 slične strukture, dobro napravljen sloj SiO 2 veže 99 999 od 100 000 slobodnih veza - a toliko je slobodnih veza po kvadratnom centimetru silicija.

Galijev arsenid i drugi A III B V spojevi nemaju prirodne okside, ali germanij ima - pa bi u teoriji trebao biti idealan materijal za pasivizaciju kanala. Problem je u tome što je germanijev dioksid (GeO 2 ) slabiji od SiO 2 i može ga apsorbirati i otopiti voda koja se koristi za čišćenje podloga tijekom proizvodnje čipova. Da stvar bude gora, proces rasta GeO 2 je teško kontrolirati. Idealan uređaj zahtijeva sloj GeO 2 debljine 1-2 nm, ali u stvarnosti je teže napraviti sloj tanji od 20 nm.

Istraživači su proučavali različite alternative. Stanfordski profesor Krishna Saraswat i njegovi kolege, koji su 2000-ih potaknuli interes za korištenje germanija kao alternativnog materijala, prvi su proučavali cirkonij, materijal visoke dielektrične konstante kakav se danas koristi u tranzistorima velike brzine. Na temelju svog rada, tim iz Imeca u Belgiji istražio je što bi se moglo učiniti s ultratankim slojem silicija za poboljšanje sučelja između germanija i sličnih materijala.

Ali pasivizacija germanija uvelike je poboljšana 2011., kada je tim profesora Shinichija Takagija sa Sveučilišta u Tokiju demonstrirao način kontrole rasta germanijevog izolatora. Prvo su istraživači uzgojili nanometarski sloj drugog izolatora, aluminijeva oksida, na kanalu germanija. Nakon toga su stavljeni u komoru s kisikom. Dio kisika prošao je kroz sloj aluminijevog oksida do germanija ispod, i pomiješao se s njim da bi formirao tanki sloj oksida (spoj germanija s kisikom, ali tehnički ne GeO 2). Aluminijev oksid ne samo da pomaže u kontroli rasta, već i služi zaštitni premaz za manje stabilan sloj.

Nanožičani kanali

Prije nekoliko godina, nadahnuta ovim otkrićem i s obzirom na poteškoće stvaranja pFET-ova s ​​A III B V kanalima, moja grupa u Purdueu počela je istraživati ​​načine za stvaranje tranzistora pomoću germanijskih kanala. Započeli smo korištenjem supstrata germanija na izolatoru koje je razvio francuski proizvođač Soitec. To su standardne silikonske podloge s izolacijskim slojem koji se nalazi ispod 100 nm sloja germanija.

S tim je podlogama moguće izraditi tranzistore u kojima su svi standardni dijelovi - sors, kanal i odvod - izrađeni od germanija. Proizvođač tranzistora ne mora slijediti ovaj dizajn, ali nam je olakšao proučavanje osnovnih svojstava germanijskih uređaja.

Jedna od prvih prepreka bila je borba s otporom između sorsa i odvoda tranzistora i metalnih elektroda koje ih povezuju s vanjski svijet. Otpor proizlazi iz prirodne elektroničke Schottkyjeve barijere koja se pojavljuje na mjestu kontakta između metala i poluvodiča. Silikonski tranzistori su neumorno optimizirani da minimiziraju ovu barijeru tako da je nositelji naboja mogu lako prevladati. Ali uređaj s germanijem zahtijeva neka pametna inženjerska rješenja. Zahvaljujući nijansama elektroničke strukture, rupe se lako pomiču s metala na germanij, ali elektroni, ne toliko. To znači da će nFET-ovi koji se oslanjaju na kretanje elektrona imati vrlo visok otpor, gubitak topline i gubitak struje.

Standardni način da se barijera učini tanjom je dodavanje više dopanta u izvor i odvod. Fizika procesa je složena, ali može se zamisliti ovako: više atoma nečistoće uvodi više slobodnih naboja. S obiljem slobodnih nositelja naboja, pojačana je električna interakcija između metalnih elektroda i poluvodičkog izvora i odvoda. To pomaže pojačati učinak tunela.

Nažalost, ova tehnologija radi lošije s germanijem nego sa silicijem. Materijal ne podnosi visoke koncentracije legiranih nečistoća. Ali možemo koristiti ona mjesta gdje je gustoća nečistoća maksimalna.

Da bismo to učinili, iskoristit ćemo činjenicu da se nečistoće dodaju modernim poluvodičima ultra-jakim električnim poljima koja guraju ione u materijal. Neki od tih atoma odmah se zaustavljaju, dok drugi prodiru dublje. Kao rezultat ćete dobiti normalna distribucija: koncentracija atoma nečistoće na određenoj dubini bit će maksimalna, a zatim pri kretanju dublje ili dublje obrnuti smjer smanjit će se. Ako elektrode sorsa i odvoda ukopamo u poluvodič, možemo ih postaviti tamo gdje je koncentracija atoma nečistoće najveća. Ovo dramatično smanjuje problem kontaktnog otpora.

Kontakti su uronjeni do dubine maksimalne koncentracije atoma nečistoća

Bez obzira koriste li proizvođači čipova ovaj pristup za smanjenje Schottkyjeve barijere u Njemačkoj, to je korisna demonstracija njegovih mogućnosti. Na početku našeg istraživanja, najbolje što su germanijevi nFET-ovi pokazali bilo je 100 µA struje po µm širine. Godine 2014., na VLSI Technology and Circuits Symposium na Havajima, izvijestili smo o germanijevim nFET-ovima koji mogu nositi 10 puta veću struju, otprilike usporedivu sa silicijem. Šest mjeseci kasnije, demonstrirali smo prve sklopove koji sadrže germanijeve nFET-ove i pFET-ove, nužan preduvjet za proizvodnju modernih logičkih čipova.

Od tada smo koristili germanij za izradu naprednijih tranzistora, kao što su FinFET - najnovije dostignuće. Čak smo napravili nanožičane tranzistore koristeći germanij, koji bi mogli zamijeniti FinFET-ove u nadolazećim godinama.

Ovi razvoji bit će potrebni prije nego što se germanij može koristiti u masovnoj proizvodnji, budući da omogućuje bolju kontrolu kanala tranzistora. Zahvaljujući malom pojasnom pojasu germanija, takav tranzistor zahtijeva samo četvrtinu energije potrebne za prebacivanje u vodljivo stanje silicijevog tranzistora. To otvara mogućnost niskoenergetskog rada, ali također povećava vjerojatnost curenja struje kada ne bi trebala. Uređaj s boljom kontrolom kanala omogućit će proizvođačima da iskoriste mali razmak između pojaseva bez ugrožavanja performansi.

Dobro smo započeli, ali imamo još posla. Na primjer, potrebno je više eksperimenata na podlogama kako bi se pokazali tranzistori s visokokvalitetnim germanijskim kanalima. Također je potrebno poboljšati dizajn kako bi se stvari ubrzale.

Naravno, germanij nije jedina opcija za buduće tranzistore. Istraživači nastavljaju proučavati sastave A III B V, koji se mogu koristiti i zajedno s germanijem i zasebno. Količina moguća poboljšanja tranzistori su ogromni. Ovaj popis uključuje tranzistori od ugljikovih nanocijevi, vertikalno orijentirane sklopke, trodimenzionalne sklopove, kanale od mješavine germanija i kositra te tranzistori temeljene na principu kvantnog tuneliranja.

U nadolazećim godinama možda ćemo prilagoditi neke od navedenih tehnologija. Ali dodavanje germanija - čak i pomiješanog sa silicijem - rješenje je koje će omogućiti proizvođačima da nastave poboljšavati tranzistore u bliskoj budućnosti. Germanij, temeljni materijal ere poluvodiča, mogao bi biti lijek za njezino sljedeće desetljeće.

Oznake:

• tranzistori
• germanij

Dodaj oznake

Trenutno se uređaji temeljeni na silicijskom karbidu - Schottky diode velike snage i MOSFET tranzistori - sve više koriste kao glavni ključni uređaji za tehnologiju pretvarača velike snage. Tehnologija silicijevog karbida donijela je značajna poboljšanja u proizvodnju MOSFET-a, čineći ih konkurentima silicijskim IGBT-ovima, posebno u visokonaponskom području.

Razmotrite 1200-V 4H-SiC MOSFET. Ovaj tranzistor koristi visokokvalitetnu podlogu, poboljšava kvalitetu epitaksijalnog sloja i optimizira dizajn za proizvodni proces. Također, nitriranjem se povećava pokretljivost nosača. Tranzistor od silicij-karbida je bolji od silicijevih tranzistora zbog svog proširenog pojasnog razmaka. Jakost električnog polja pri kojoj dolazi do proboja povećala se 10 puta, poboljšala se toplinska vodljivost, a samim time i radne temperature. Kada se koristi u poluvodičima s maksimalnim radnim naponom od 600 V i više, silicijev karbid je također bolji od silicija. Danas su Schottky diode od silicij-karbida od 600 V i 1200 V najbolje rješenje u pojačanim pretvaračima. Zbog nižih prekidačkih gubitaka u usporedbi sa silicijskim PiN diodama.
Ako govorimo o o prekidačima snage, silicijski MOSFET-ovi su inferiorni u odnosu na 600- i 1200-V IGBT tranzistore prvenstveno zbog značajnog otpora kanala (RDSON), koji se povećava proporcionalno kvadratu maksimuma dopušteni napon odvod-izvor (VDSMAX). RDSON otpor se može smatrati kombinacijom RJFET i RDRIFT otpora (slika 1).

Sl. 1. Ekvivalentni sklop DMOSFET-a.

U ovom slučaju dominira otpor RDRIFT, koji odražava pomicanje slobodnih nositelja, a njegova vrijednost određena je sljedećim odnosom:

RDRIFT = d/qμND, gdje je d debljina nanosnog sloja; q je naboj elektrona; ND je faktor dopinga.

U novoj generaciji MOSFET tranzistora od silicij-karbida, debljina drift sloja d je smanjena za približno 10 puta; koeficijent N D je povećan za isti iznos. Kao rezultat toga, otpornost R DSON-a smanjena je gotovo 100 puta u usporedbi s njegovim silicijskim analogom.

PRIMJENA TRANZISTORA OD SILICIJ-KARBIDA

Primjena uređaja ove vrste Pogledajmo primjer tranzistora od 1200 V, 20 A s RDSON = 100 mOhm i razinom upravljanja vratima od 15 V. Osim smanjenja RDSON otpora u normalnim uvjetima, značajno je smanjen utjecaj temperature u tranzistorima od silicij karbida. U rasponu od 25...150°C, promjena otpora je samo 20%, što je vrlo mala vrijednost u usporedbi s istom vrijednošću od 200% ili čak 300% za silikonske MOSFET-ove. U principu, karbid - Iako maksimalno dopuštena temperatura serijski tranzistori (uglavnom smješteni u plastična kućišta TO-247) ograničeni su na 150°C; tranzistori od silicij-karbida mogu raditi na temperaturama iznad 200°C.
U usporedbi sa silicijskim IGBT tranzistorima, MOSFET-i od silicij-karbida imaju značajno manje gubitaka za prebacivanje. MOSFET-ovi su unipolarni uređaji, stoga nemaju "repove" tijekom prebacivanja zbog resorpcije manjinskih nositelja. Tablica 1 prikazuje vrijednosti gubitaka pri prebacivanju obje vrste tranzistora.

Parametar	IGBT, 1200-B Infineon BSM 15 GD 120 DN2 ID (maks.) = 15 A na 80°C	DMOSFET 1200-B CREE inženjering ID uzorka (maks.) = 15 A na 150 °C
Napon VDS, V
Induktivni	Induktivni (500 µH)
Upravljački napon VGE, V
Otpor vrata RG, Ohm
Gubitak energije kada je uključen (uključena struja 10 A), EON, mJ
Gubitak energije pri isključivanju (preklopna struja 10 A), EOFF, mJ
Maksimalna učinkovitost, ή
Euro-učinkovitost* ή0 EUR

Tablica 1. Preklopni gubici silicijevih IGBT-ova i MOSFET-a od silicij-karbida.

Zatim razmotrite primjer upotrebe MOSFET-a od silicij-karbida u trofaznim pretvaračima od 7 kW, 16,6 kHz solarni paneli. Inverter ima topologiju B6 razvijenu na Institutu ISE i koristi kondenzator u krugu istosmjerna struja, spajanje na neutralnu žicu. Slika 2 prikazuje rezultate usporednih testova. Kao što se može vidjeti iz prikazanih rezultata, pri korištenju silicij-karbidnih tranzistora gubici se smanjuju gotovo 2 puta. To znači da se temperatura hladnjaka također smanjuje: 93°C kada se koriste IGBT tranzistori i 50°C kada se koriste MOSFET-ovi od silicij karbida.

sl.2. Usporedba gubitaka u 1200-V MOSFET-u i IGBT-u

Prednosti korištenja MOSFET-a od silicij-karbida u fotonaponskim pretvaračima:
- niska cijena induktivne komponente. Dimenzije induktivnih komponenti ovise o frekvenciji pretvorbe. Njihov se trošak smanjuje za otprilike 50% kada se učestalost pretvorbe poveća 2-3 puta. S porastom frekvencije pretvorbe raste i frekvencija trećeg harmonika, a puno je lakše smanjiti snagu trećeg harmonika s frekvencijom od 150 kHz nego s frekvencijom od 50 kHz;
- manji zahtjevi za rasipanje topline. Korištenje MOSFET-a od silicij-karbida omogućuje smanjenje njihove temperature za 50%, što će dovesti do smanjenja veličine i, sukladno tome, cijene cijelog proizvoda za približno 5% u našem primjeru;
- povećanje dobiti smanjenjem gubitaka energije.

Slika 3 prikazuje tipični trofazni ispravljački krug s izoliranim sklopnim DC/DC pretvaračem bez struje. 1200-V, 25-A IGBT tranzistori, 1200-V, 40-A IGBT tranzistori i 1200-V, 25-A silicij-karbidni MOSFET-ovi korišteni su kao sklopke S1, S2 u testovima. Rezultati rada sustava na maksimalno opterećenje 3 kW prikazani su na slici 4. Kao što se može vidjeti, pri radu s MOSFET-om učinkovitost sustava se povećava za 2,2%. MOSFET paket ima nižu temperaturu: 25°C nižu od 40-A IGBT i 36°C nižu od 25-A IGBT.

Riža. 3. Trofazni pretvarač od 3 kW s višim faktorom snage i prednjim pretvaračem Riža. 4. Grafikon promjene učinkovitosti ovisno o izlaznoj snazi ​​pri frekvenciji pretvorbe od 67 kHz.

Prednosti 1200-V MOSFET-a prikazane su gore. Međutim, pri višim naponima - 6,5 kV pa čak i više, tranzistori od silicij-karbida također imaju prednosti u odnosu na svoje silicijeve kolege. Nedavno je razvijen MOSFET od silicij karbida od 10 kV, 10 A. S pogonskim naponom vrata od 20 V i strujom kanala od 10 A, napon pada preko otvoreni kanal iznosi samo 4,1 V, što je ekvivalentno otporu od 127 mOhm/cm2. Struja curenja drejn-izvor je 124 nA pri 10 kV.
Tijekom usporednog eksperimenta, utvrđeno je da su, kada rade na induktivnom opterećenju, gubici sklopke u tranzistoru od silicij karbida 200 puta manji nego u 6,5 kV IGBT! Latencija uključivanja je samo 94 ns, a latencija isključivanja je 50 ns; za IGBT - 1,4 μs odnosno 540 ns!
Korištenjem MOSFET-a od 10 kV silicij-karbida i Schottky diode u pretvaraču pojačanja (500 V ulaz, 5 kV izlaz), učinkovitost pretvarača od 600 W bila je 91%. Na temelju rezultata proračuna utvrđeno je da isti krug s konvencionalnim silicijskim MOSFET-om može raditi samo s frekvencijom od samo nekoliko stotina Hz. Slika 5 prikazuje grafove struja i napona kada je MOSFET isključen. Slika pokazuje koliko brzo se odvijaju prijelazni procesi u uređaju.

Riža. 5. Preklopni proces MOSFET-a od silicij-karbida 10 kV na frekvenciji 20 kHz i snazi ​​pretvarača 600 W.

S povećanim interesom za alternativni izvori energije, tehnologija silicijevog karbida ima široke izglede. Smanjenjem gubitaka snage, uporaba silicij-karbidnih tranzistora je atraktivna u fotonaponskim pretvaračima, kao iu pretvaračima za generatore energije na fosilna goriva u budućnosti.