У всіх змінних блокахприймача та до них можливих варіантахвикористовувалися лише германієві транзистори переважно структури p-n-p.Лише у двотактному вихідному каскаді безтрансформаторного підсилювача звуковий частоти(блок 5) один з його транзисторів був структурою n-p-n.Германієві транзистори давно завоювали популярність у радіоаматорів і широко використовуються ними в апаратурі, що конструюється. До того ж ціни на них останнім часом значно знижені, вони майже завжди бувають у магазинах радіотоварів, на торгових базах Посилторгу та Центросоюзу, звідки їх можна виписати поштою.

Але на сьогоднішній день германієві транзистори як неперспективні дедалі більше поступаються своїм місцем в радіоапаратурі, в тому числі і аматорським, кремнієвим транзисторам. Пояснюється це тим, що прилади та пристрої на кремнієвих транзисторах працюють у різних умовахстабільніше. До цього можна додати, що випуск кремнієвих транзисторів постійно розширюється, а германієвих скорочується.

У зв'язку з цим у вас може виникнути питання: чи можна в змінних блоках описаного приймача германієві транзистори замінити кремнієвими? Можна, але, зрозуміло, з урахуванням деяких особливостей.

Найбільш характерною особливістюкремнієвих транзисторів є більш висока напруга усунення, при якому вони відкриваються. Германієві транзистори, як вам відомо, відкриваються при напрузі на емітерному р-ппереході 0,1 ... 0,2 В, а кремнієві при напрузі 0,6 ... 0,7 В. Це означає, що на базі кремнієвого транзистора, що працює в режимі посилення, щодо емітера має бути не менше 0,6 В. При більш низькому напрузі зміщення кремнієвий транзистор спотворюватиме сигнал, що посилюється. Такий вихідний режим роботи кремнієвого транзистора встановлюють, як і германієвого, відповідним підбором резистора номіналу в базовому ланцюгу.

Мал. 47. Схема підсилювача звукової частоти (блок 6) на кремнієвих транзисторах

Більшість кремнієвих транзисторів має структуру n-p-n.Це означає, що замінюючи в блоках германієві p-n-pтранзистори на кремнієві n-p-nтранзистори треба змінити як полярність джерела живлення, а й полярність включення електролітичних конденсаторів.

Ось, власне, те головне, що треба мати на увазі при заміні германієвих транзисторів кремнієвими. Що ж до побудови принципових схем блоків, напруг джерел живлення, то вони в основному не зазнають змін.

Наприклад на рис. 47 наведена схема блоку 6 - те безтрансформаторного підсилювача звукової частоти, але на кремнієвих транзисторах. Чим вона відрізняється від схеми блоку на германієвих транзисторах (рис. 38)? Головним чином є полярністю включення джерела живлення та електролітичних конденсаторів. Транзистори 6 V1, 6V2і 6 V3- n-p-n, 6V4- p-n-p, Режим роботи транзистора 6 V1встановлюють підбором резистора 6 R1.Напруга в точці з'єднання емітерів транзисторів 6 V3і 6 V4(точка симетрії двотактного вихідного каскаду), що дорівнює половині напруги джерела живлення, встановлюють підбором резистора 6 R4, аструм колекторного ланцюга транзистора 6 V3,рівний 3 ... 4 мА, підбором резистора 6 R7.

Звертаємо увагу на включення резистора 6 R6та динамічної головки 1В1.В описаному 1! блок на германієвих транзисторах такий резистор був підключений безпосередньо до негативного, а головка до позитивного провідників джерела живлення. І тут головка підключена до позитивного провідника джерела живлення, тому змінилася полярність включення електролітичного конденсатора 6С5,а резистор 6 R6підключений до точки з'єднання головки із цим конденсатором. При такому способі включень цього резистора через нього з вихідного ланцюга базовий ланцюг транзисторів вихідного каскаду подається так звана вольтодобавка - невелика напруга звукової частоти, що вирівнює умови роботи транзисторів.

У всіх блоках замість високочастотних та низькочастотних малопотужних p-n-pтранзисторів найкраще використовувати n-p-nтранзистори серії КТ315 зі статичним коефіцієнтом передачі струму 80...100, замість n-p-nтранзистора у блоці 6 (МП37) - p-n-pтранзистор із серії КТ361. У вихідному каскаді підсилювача звукової частоти підвищеної потужності (рис. 40) p-n-pтранзистори-П602 можна замінити n-p-nтранзисторами К.Т601, КТ602, КТ603 із будь-яким? літерним індексом.

Перш ніж розпочати монтаж того чи іншого блоку, прокоригуйте його принципову схемуз урахуванням наведених тут рекомендацій. Це попередить помилки і навіть можливе псування транзисторів.

Одним із значних винаходів XX століття по праву вважається винахід транзистора, що прийшов на заміну електронним лампам.

Довгий час лампи були єдиним активним компонентом усіх радіоелектронних пристроїв, хоч і мали безліч недоліків. Насамперед, це велика споживана потужність, великі габарити, малий термін служби та мала механічна міцність. Ці недоліки дедалі гостріше відчувалися в міру вдосконалення та ускладнення електронної апаратури.

Революційний переворот у радіотехніці стався, коли зміну застарілим лампам прийшли напівпровідникові підсилювальні прилади - транзистори, позбавлені всіх згаданих недоліків.

Перший працездатний транзистор з'явився на світ у 1947 році завдяки старанням співробітників американської фірми Bell Telephone Laboratories. Їхні імена тепер відомі усьому світу. Це вчені – фізики У. Шоклі, Д. Бардін та У. Брайтен. Вже 1956 року за цей винахід усі троє були удостоєні нобелівської премії з фізики.

Але, як і багато великих винаходів, транзистор був помічений не відразу. Лише в одній із американських газет було згадано, що фірма Bell Telephone Laboratories продемонструвала створений нею прилад під назвою транзистор. Там було сказано, що його можна використовувати в деяких областях електротехніки замість електронних ламп.

Показаний транзистор мав форму маленького металевого циліндрика довжиною 13 мм і демонструвався у приймачі, що не мав електронних ламп. Крім того, фірма запевняла, що прилад може використовуватися не тільки для посилення, але і для генерації або перетворення електричного сигналу.

Мал. 1. Перший транзистор

Мал. 2. Джон Бардін, Вільям Шоклі та Уолтер Браттейн. За співпрацю у розробці першого у світі чинного транзистора у 1948 році вони розділили Нобелівську премію 1956 року.

Але можливості транзистора, як, зрештою, і багатьох інших великих відкриттів, були зрозумілі та оцінені не відразу. Щоб викликати інтерес до нового приладу, фірма Bell посилено рекламувала його на семінарах та у статтях, та надавала всім бажаючим ліцензії на його виробництво.

Виробники електронних ламп не бачили в транзисторі серйозного конкурента, адже не можна було так одразу, одним махом, скинути з рахунків тридцятирічну історію виробництва ламп кількох сотень конструкцій і багатомільйонні. грошові вкладенняу їх розвиток та виробництво. Тому транзистор увійшов до електроніки не так швидко, оскільки епоха електронних ламп ще тривала.

Мал. 3. Транзистор та електронна лампа

Перші кроки до напівпровідників

З давніх-давен в електротехніці використовувалися в основному два види матеріалів - провідники та діелектрики (ізолятори). Здатність проводити струм мають метали, розчини солей, деякі гази. Ця здатність обумовлена ​​наявністю у провідниках вільних носіїв заряду – електронів. У провідниках електрони досить легко відриваються від атома, але передачі електричної енергіїнайбільш придатні ті метали, які мають низький опір (мідь, алюміній, срібло, золото).

До ізоляторів належать речовини з високим опором, вони електрони дуже міцно пов'язані з атомом. Це порцеляна, скло, гума, кераміка, пластик. Тому вільних зарядіву цих речовинах немає, а отже, немає і електричного струму.

Тут доречно згадати формулювання із підручників фізики, що електричний струмце спрямоване рух електрично заряджених частинок під впливом електричного поля. В ізоляторах рухатися під дією електричного поля просто нема чому.

Однак у процесі дослідження електричних явищ у різних матеріалах деяким дослідникам вдавалося «намацати» напівпровідникові ефекти. Наприклад, перший кристалічний детектор (діод) створив у 1874 році німецький фізик Карл Фердинанд Браун на основі контакту свинцю та піриту. (Пірит – залізний колчедан, при ударі об кресало висікається іскра, від чого й отримав назву від грецького «бенкет» – вогонь). Пізніше цей детектор з успіхом замінив когерер у перших приймачах, що значно підвищило їхню чутливість.

У 1907 році Беддекер, досліджуючи провідність йодистої міді, виявив, що її провідність зростає в 24 рази за наявності домішки йоду, хоча сам йод провідником не є. Але це були випадкові відкриття, яким було неможливо дати наукового обгрунтування. Систематичне вивчення напівпровідників почалося лише 1920 - 1930 роки.

На зорі виробництва транзисторів головним напівпровідником був германій (Ge). У плані енерговитрат він дуже економічний, напруга відмикання його pn - переходу складає всього 0,1 ... 0,3 В, але багато параметрів нестабільні, тому на заміну йому прийшов кремній (Si).

Температура, при якій працездатні германієві транзистори не більше 60 градусів, в той час, як кремнієві транзистори можуть продовжувати працювати при 150. Кремній, як напівпровідник, перевершує германій і за іншими властивостями, насамперед частотними.

Крім того, запаси кремнію (звичайний пісок на пляжі) у природі безмежні, а технологія його очищення та обробки простіше та дешевше, ніж рідкісного у природі елемента германію. Перший кремнієвий транзистор з'явився невдовзі після першого германієвого - 1954 року. Ця подія навіть спричинила нову назву «кремнієвий вік», не треба плутати з кам'яною!

Мал. 4. Еволюція транзисторів

Мікропроцесори та напівпровідники. Захід сонця «кремнієвого віку»

Ви ніколи не замислювалися над тим, чому в Останнім часомЧи практично всі комп'ютери стали багатоядерними? Терміни двоядерний або чотириядерний у всіх на слуху. Справа в тому, що збільшення продуктивності мікропроцесорів шляхом підвищення тактової частоти, і збільшення кількості транзисторів в одному корпусі для кремнієвих структур практично наблизилося до межі.

Збільшення кількості напівпровідників в одному корпусі досягається за рахунок їх зменшення фізичних розмірів. В 2011 році фірма INTELвже розробила 32 нм техпроцес, у якому довжина каналу транзистора всього 20 нм. Однак, таке зменшення не приносить відчутного приросту тактової частоти, як це було до 90 нм технологій. Цілком очевидно, що час переходити на щось принципово нове.

Транзистор(transistor) - напівпровідниковий елементз трьома висновками (зазвичай), однією з яких ( колектор) подається сильний струм, а на інший ( база) подається слабкий ( керуючий струм). При певній силі струму, що управляє, як би «відкривається клапан» і струм з колекторапочинає текти натретій висновок ( емітер).

Тобто транзистор – це своєрідний клапан, який при певній силі струму, різко зменшує опір і пускає струм далі (з колектора на емітер). Якщо до бази не додавати електричний струм, то транзистор перебуватиме в урівноваженому стані і не пропускатиме струм на емітер.

У сучасних електронних чіпах кількість транзисторів обчислюється мільярдами. Використовуються вони переважно для обчислень і складаються із складних зв'язків.

Напівпровідникові матеріали, що переважно застосовуються в транзисторах це: кремній, арсенід галіюі германій. Також існують транзистори на вуглецевих нанотрубках, прозорідля дисплеїв LCDі полімерні(Найперспективніші).

Різновиди транзисторів:

Біполярні– транзистори у яких носіями зарядів може бути як електрони, і «дірки». Струм може текти, як у бік емітера, так і у бік колектора. Для керування потоком застосовуються певні струми керування.

– розпротранені пристрої у яких керування електричним потоком відбувається за допомогою електричного поля. Тобто коли утворюється більше поля – більше електронів захоплюються ним і не можуть передати заряди далі. Тобто це своєрідний вентиль, який може змінювати кількість заряду, що передається (якщо польовий транзистор з керованим p -n— переходом). Відмінною особливістюданих транзисторів є висока вхідна напруга та високий коефіцієнт посилення за напругою.

Комбіновані– транзистори з суміщеними резисторими, або іншими транзисторами в одному корпусі. Служать для різних цілей, але в основному для підвищення коефіцієнта посилення струму.

Підтипи:

Біо-транзистори- Засновані на біологічних полімерах, які можна використовувати в медицині, біотехніці без шкоди для живих організмів. Проводились дослідження на основі металопротеїнів, хлорофілу А (отриманого зі шпинату), вірусу тютюнової мозаїки.

Одноелектронні транзистори- Вперше були створені російськими вченими в 1996 року. Могли працювати при кімнатній температуріна відміну попередників. Принцип роботи схожий з польовим транзистором, але тонший. Передавач сигналу є один або кілька електронів. Цей транзистор також називають нано- і квантовий транзистор. За допомогою даної технології в майбутньому розраховують створювати транзистори з розміром менше 10 нм, на основі графена.

Навіщо використовуються транзистори?

Використовуються транзистори в підсилювальні схеми, лампах, електродвигунита інших приладах, де необхідно швидка змінасили струму або положення вклвикл. Транзистор може обмежувати силу струму або плавно, або шляхом імпульс—пауза. Другий частіше використовується для управління. Використовуючи потужне джерело живлення, він проводить його через себе, регулюючи слабким струмом.

Якщо сили струму недостатньо для включення ланцюга транзистора, використовуються кілька транзисторівз більшою чутливістю, поєднані каскадним способом.

Потужні транзистори з'єднані в один або кілька корпусів, використовуються повністю цифрових підсилювачівна основі . Часто їм потрібно додаткове охолодження . У більшості схем, вони працюють у режимі ключа(У режимі перемикача).

Застосовуються транзистори також у системах живленняяк цифрових, так і аналогових ( Материнські плати , відеокарти, Блоки живлення& etc).

Центральні процесори, теж складаються з мільйонів та мільярдів транзисторів, з'єднаних у певному порядку для спеціалізованих обчислень.

Кожна група транзисторів певним чином кодує сигнал і передає його далі на обробку. Всі види та ПЗУпам'яті теж складаються з транзисторів.

Усе досягнення мікроелектронікибули б практично неможливібез винаходу та використання транзисторів. Важко уявити хоч один електронний прилад без хоч одного транзистора.

• Переклад

Як демонстрацію працездатності концепції автор із командою створили підкладки з германію на ізоляторі, для створення інвертерів, що містять спочатку планарні транзистори, а потім і FinFET-транзистори

Майже 70 років тому два фізики з Телефонної лабораторії Белла – Джон Бардін та Уолтер Бреттейн – впресували два тонкі золоті контакти в пластину з германію, і зробили третій контакт знизу пластини. Струм, що проходив через цю конструкцію, можна було використовувати для перетворення слабкого сигналуу сильний. В результаті з'явився перший транзистор – підсилювач та перемикач, який, можливо, став найбільшим винаходом 20 століття. Завдяки закону Мура транзистор розвинув комп'ютери далеко за межі того, що здавалося можливим у 1950-ті.

Незважаючи на зоряну роль германію в ранній історії транзисторів, його незабаром замінили кремнієм. Але зараз, що дивно, цей матеріал готовий повернутись. Лідери у виробництві чіпів роздумують над заміною компонентів у самому серці транзистора – струмопровідному каналі. Ідея в тому, щоб замінити кремній матеріалом, здатним краще проводити струм. Створення транзисторів з такими каналами може допомогти інженерам продовжувати покращувати показники контурів за швидкістю та енергоефективністю, що означатиме появу покращених комп'ютерів, смартфонів, та безлічі інших гаджетів у наступні роки.

Довгий час інтерес до альтернативним каналамобертався навколо сполук A III B V таких, як арсенід галію, що складаються з атомів, що знаходяться зліва і праворуч від кремнію в таблиці Менделєєва. І я брав участь у тому дослідженні. Вісім років тому я позначивши прогрес, зроблений у побудові транзисторів на таких з'єднаннях.

Два транзистори в інвертері на основі FinFET містять плавникові канали, що виділяються з площини підкладки (вгорі – рожеві канали, внизу – скошений вид на ще один набір). Відстань між «плавниками» вгорі – десятки нанометрів.

Але в результаті ми виявили, що підхід з A III B V має фундаментальні фізичні обмеження. А також він, швидше за все, був би надто дорогим та складним для інтеграції з існуючою кремнієвою технологією. Так що кілька років тому моя команда в Університеті Пердью розпочала експерименти з іншим пристроєм: з транзистором, канал якого виконаний з Німеччини. З того часу ми продемонстрували перші контури КМОП (комплементарна структура метал-оксид-напівпровідник). Приблизно та ж логіка, що знаходиться всередині сучасних комп'ютерів, тільки виготовлена ​​з германію, вирощеного на звичайних підкладках кремнієвих. Ми також створили низку різних транзисторних архітектур з цього матеріалу. У них входять пристрої з нанодроту, які можуть стати наступним кроком виробництва, коли сьогоднішні кращі транзистори FinFET вже не можна буде далі зменшувати.

І що ще цікавіше, виявляється, що повертати германій у роботу не так складно, як це здається. Транзистори, які використовують комбінацію кремнію та германію в каналі, вже можна знайти у нових чіпах, і вони вперше з'явилися у 2015 році, демонструючи майбутні технології виготовлення чіпів від IBM. Ці розробки можуть стати першим кроком промисловості, що прагне впроваджувати дедалі більші частки германію в канали. Через кілька років ми можемо зіткнутися з тим, що матеріал, який подарував нам транзистори, допоміг перенести їх у наступну епоху видатної швидкодії.

Німеччина вперше ізолювала і відкрила німецький хімік Клеменс Вінклер наприкінці XIX століття. Матеріал був названий на честь батьківщини вченого, і завжди вважався поганим струмом. Це змінилося під час Другої Світової війни, коли були відкриті напівпровідникові властивості германію, тобто можливість перемикання між проведенням та блокуванням струму. У повоєнні роки швидко розвивалися напівпровідникові устрою на германії. У виробництво, відповідаючи на запити ринку, зросло від кількох сотень фунтів в 1946 до 45 тонн до 1960-го року. Але кремній виграв; він став популярним матеріалом для мікросхем логіки та пам'яті.

І для домінування кремнію є вагомі причини. По-перше, його більше, і він дешевший. У кремнію ширша заборонена зона, енергетичний бар'єр, який потрібно подолати для створення провідності. Чим більша ця зона, тим складніше струму просочитися через пристрій у непотрібний момент і даремно витратити енергію. Як бонус у кремнію та теплопровідність була краща, що дозволяло легше відводити тепло, щоб контури не перегрівалися.

Враховуючи всі переваги, природно зацікавитися – навіщо нам взагалі роздумувати над поверненням германію в канал. Відповідь – мобільність. Електрони в Німеччині при кімнатній температурі рухаються майже втричі охочіше, ніж у кремнії. А дірки – відсутність електрона в матеріалі, що розглядається як позитивний заряд – рухаються майже вчетверо охочіше.

Дев'ятиступінчастий кільцевий КМОП-осцилятор, представлений у 2015 році

Те, що в Німеччині електрони та дірки такі мобільні, робить його зручним кандидатом для КМОП-контурів. КМОП поєднує два різних типівтранзисторів: p-канальні FET (pFET), канал яких містить надлишок вільних дірок, та n-канальні FET (nFET), які мають надлишок електронів. Що швидше вони рухаються, то швидше працюють контури. А зменшення напруги, необхідного для їх пересування, означає зменшення енергоспоживання.

Звичайно, германій – не єдиний матеріал із такою мобільністю частинок. Згадані раніше склади A III B V матеріали, такі, як арсенід індію і арсенід галію, також можуть похвалитися високою рухливістю електронів. Електрони в арсеніді індія майже в 30 разів рухливіша, ніж у кремнії. Але проблема в тому, що ця властивість не поширюється на дірки – вони не сильно рухливіші за ті, що є в кремнії. І це обмеження призводить до неможливості створення високошвидкісних pFET, а відсутність швидкісних pFET зводить нанівець отримання швидких КМОП-контурів, оскільки вони не можуть працювати з дуже великою різницею у швидкостях роботи nFETs та pFETs.

Один із варіантів рішення – взяти від кожного матеріалу найкраще. Дослідники у багатьох лабораторіях, наприклад, Європейської організації з дослідження напівпровідників Imec та Цюріхської лабораторії IBM, показали способи створення контурів, у яких канали nFET виготовлені зі складів A III B V , а pFET – з германію. І хоча ця технологія може дозволити створювати дуже швидкі контури, вона ускладнює виробництво.

Тому нам більше подобається простий підхід із германієм. Німецькі канали мають збільшити швидкодію, а проблеми виробництва будуть не такими серйозними.

Як справи у Німеччини

Щоб германій або будь-який альтернативний матеріал потрапив у виробництво, необхідно знайти спосіб додавання його на кремнієві підкладки, які використовуються в даний час для виготовлення чіпів. На щастя, існує безліч способів нанести на кремнієву підкладку германієвий шар, з якого можна потім зробити канали. Використання тонкого шару усуває дві ключові проблеми германію – висока порівняно з кремнієм вартість, та відносно погана теплопровідність.

Але щоб замінити кремній у транзисторі, недостатньо просто впхнути тонкий і високоякісний шар із германію. Канал має бездоганно працювати з іншими компонентами транзистора.

У сучасних КМОП-чіпах використовуються транзистори на основі МОП (метал-оксид-напівпровідник – МОП-транзистор; metal-oxide-semiconductor field effect transistor - MOSFET). Він має чотири базові частини. Виток і стік – вихідна та кінцева точка переміщення струму; канал, що з'єднує їх; затвор, який служить клапаном, що контролює наявність струму в каналі.

Насправді в якісному транзисторі присутні й інші інгредієнти. Один із найважливіших – ізолятор затвора, що запобігає коротке замиканнязатвора та каналу. Атоми в напівпровідниках, таких як кремній, германій і склади A III B V розташовані в трьох вимірах. Ідеально плоску поверхню виготовити не можна, тому у атомів, що знаходяться вгорі каналу, буде кілька зв'язків, що випирають. Вам необхідно ізолятор, що зв'язує якнайбільше цих зв'язків, і цей процес називається пасивацією, або поверхневим протруюванням. У разі неякісного виготовлення можна отримати канал з «електричними вибоїнами», повний таких місць, де переносники заряду можуть тимчасово затримуватися, що знижує рухливість і, в результаті, швидкість роботи пристрою.

Зліва: nFET зі складів A III B V і pFET з германію, шматочки обох матеріалів вирощені на кремнієвій підкладці з ізоляцією.
Справа: обидва транзистори виконані з германію, пов'язаного з підкладкою.

На щастя, природа забезпечила кремній природним ізолятором, що добре збігається з його кристалічною структурою: діоксид кремнію (SiO 2). І хоча в сучасних транзисторах зустрічаються екзотичніші ізолятори, в них все одно є тонкий шар цього оксиду, який служить для пасивації кремнієвого каналу. Оскільки кремній та SiO 2 близькі за структурою, добре виготовлений шар SiO 2 пов'язує 99 999 зі 100 000 вільних зв'язків – а на квадратному сантиметрі кремнію їх міститься приблизно стільки.

Арсенід галію та інші склади A III B V не мають природних оксидів, а у германію він є - тому, в теорії, у нього повинен бути ідеальний матеріал для пасивації каналу. Проблема в тому, що діоксид германію (GeO 2) слабше, ніж SiO 2 і може поглинатися і розчинятися водою, що використовується для очищення підкладок під час виготовлення чіпів. Що ще гірше, процес зростання GeO 2 важко контролювати. Для ідеального пристрою потрібно шар GeO 2 в 1-2 нм завтовшки, але насправді складніше зробити шар тонше 20 нм.

Дослідники вивчали різні альтернативи. Професор зі Стенфорда, Крішна Сарасват, та його колеги, що підштовхнули інтерес до використання германію як альтернативний матеріал ще в 2000-х, спочатку вивчали діоксид цирконію, матеріал з високою діелектричною проникністю того типу, що використовується сьогодні у високошвидкісних транзисторах. На основі їх роботи група з Imec в Бельгії вивчили, що можна зробити із надтонким шаром кремнію для покращення інтерфейсу між германієм та подібними матеріалами.

Але пасивація Німеччини була серйозно вдосконалена в 2011 році, коли команда професора Шиничі Такагі з Токійського університету продемонструвала спосіб контролю зростання німецького ізолятора. Спочатку дослідники виростили нанометровий шар ще одного ізолятора, оксиду алюмінію на германієвому каналі. Після цього їх розмістили у кисневій камері. Частина кисню пройшла через шар оксиду алюмінію до германію, що знаходиться внизу, і змішалася з ним, сформувавши тонкий шар оксиду (з'єднання германію з киснем, але технічно не GeO 2). Оксид алюмінію не тільки допомагає контролювати зростання, а й служить захисним покриттямдля менш стабільного шару.

Нанопровідні канали

Кілька років тому, надихнувшись цим відкриттям і враховуючи складності створення pFET з каналами A III B V , моя група в Пердью почала досліджувати способи створення транзисторів на германієвих каналах. Ми почали з використання підкладок із германієм на ізоляторі, розроблених французьким виробником Soitec. Це стандартні кремнієві підкладки з ізолюючим шаром під 100 нм шаром германію.

З цими підкладками можна створювати транзистори, у яких усі стандартні частини – джерело, канал та стік – зроблені з Німеччини. Виробнику транзисторів не обов'язково слідувати такій конструкції, але нам так було простіше вивчати основні властивості германієвих пристроїв.

Однією з перших перешкод стала боротьба з опором між витоком і стоком транзистора та металевими електродами, що з'єднують їх з зовнішнім світом. Опір виникає через природний електронний бар'єр Шоттки, що з'являється в місці контакту металу і напівпровідника. Кремнієві транзистори невтомно оптимізували для мінімізації цього бар'єру так, щоб переносникам заряду було легко його долати. Але в германієвому пристрої потрібні хитрі інженерні рішення. Завдяки нюансам електронної структури дірки легко переміщаються з металу до германій, а ось електрони – не дуже. Це означає, що nFET, що покладаються на пересування електронів, буде дуже великий опір, втрати тепла і струму.

Стандартний спосіб зробити бар'єр тоншим - додати більше легуючої домішки до початку і стоку. Фізика процесу складна, але її можна так: більше атомів домішки привносять більше вільних зарядів. При достатку вільних переносників заряду електрична взаємодія між металевими електродами та напівпровідниковими витоком та стоком посилюється. Це допомагає посилювати тунельний ефект.

На жаль, із германієм така технологія працює гірше, ніж із кремнієм. Матеріал не витримує великих концентрацій легуючих домішок. Але ми можемо використовувати місця, де щільність домішок максимальна.

Для цього скористаємося тим, що в сучасні напівпровідники домішки додаються надвисокими електричними полями, що заштовхують іони в матеріал. Деякі з цих атомів відразу зупиняються, інші проникають глибше. В результаті ви отримаєте нормальний розподіл: концентрація атомів домішок на певній глибині буде максимальною, а потім при переміщенні вглиб або в зворотному напрямкубуде зменшуватись. Якщо ми заглибимо електроди витоку та стоку у напівпровідник, ми можемо помістити їх у місця найвищої концентрації атомів домішки. Це кардинально зменшує проблему опору контактів.

Контакти поринають на глибину максимальної концентрації атомів домішок

Незалежно від того, чи будуть виробники чіпів використовувати такий підхід для зменшення бар'єру Шоттки у Німеччині, це корисна демонстрація його можливостей. На початку нашого дослідження найкраще, що показували германієві nFET, це струми 100 мкА на кожен мкм ширини. У 2014 році на симпозіумі VLSI Technology and Circuits на Гаваях ми повідомили про германієві nFET, здатні пропускати вже в 10 разів більше струму, що приблизно порівняно з кремнієм. Через шість місяців ми продемонстрували перші контури, що містять германієві nFET і pFET, необхідну попередню умову виготовлення сучасних логічних мікросхем.

З того часу ми використовували германій для будівництва більш просунутих транзисторів, таких як FinFET – сучасний рівень техніки. Ми навіть робили нанопровідні транзистори на Німеччині, які найближчими роками можуть замінити FinFET.

Ці розробки будуть потрібні для того, щоб германій стали використовувати в масовому виробництві, оскільки з їх допомогою можна краще контролювати канал транзистора. Завдяки невеликій забороненій зоні германію, такий транзистор вимагає всього чверті енергії, необхідної для перемикання в стан кремнієвого транзистора, що проводить. Це відкриває можливості для низькоенергетичної роботи, але це робить більш ймовірним і витік струму в той час, коли він цього робити не повинен. Пристрій із кращим контролем над каналом дозволить виробникам використовувати малу заборонену зону без компромісів із швидкодією.

Ми взяли гарний старт, але ми ще маємо роботу. Наприклад, необхідні додаткові експерименти з підкладками, які мають показати транзистори з високоякісними германієвими каналами. Також необхідно внести покращення в дизайн для прискорення.

Звичайно, Німеччина – не єдиний варіант для транзисторів майбутнього. Дослідники продовжують вивчати склади A III B V , які можна використовувати як разом з Німеччиною, так і окремо. Кількість можливих покращеньтранзисторів величезно. У цей список входять транзистори на вуглецевих нанотрубках, вертикально орієнтовані перемикачі, тривимірні контури, канали із суміші германію та олова, транзистори, засновані на принципі квантового тунелювання.

Найближчими роками, можливо, ми адаптуємо якісь із перерахованих технологій. Але додавання германію – навіть у суміші з кремнієм – це рішення, яке дозволить виробникам продовжувати покращення транзисторів вже найближчим часом. Німеччина, початковий матеріал епохи напівпровідників, може стати панацеєю її наступного десятиліття.

Теги:

• транзистори
• германій

Додати теги

В даний час все більш широке застосування як основні ключові прилади для потужної перетворювальної техніки знаходять прилади на основі карбіду кремнію - потужні діоди Шоттки і MOSFET транзистори. Карбід-кремнієва технологія привнесла значні вдосконалення у виробництво MOSFET, що зробило їх конкурентами кремнієвим IGBT-транзисторам, особливо в галузі високої напруги.

Розглянемо 1200-В 4H-SiC MOSFET. У даному транзисторі використовується високоякісна підкладка, покращена якість епітаксійного шару, оптимізована конструкція під процес виробництва. Також за допомогою азотування збільшена рухливість носіїв. Карбід-кремнієвий транзистор перевершує кремнієві транзистори за рахунок розширеної забороненої зони. Напруженість електричного поля, за якої відбувається пробій, збільшилася в 10 разів, покращилася теплопровідність, а отже, зросли робочі температури. При використанні в напівпровідниках з максимально допустимою робочою напругою 600 В і вище, карбід кремнію також перевершує кремній. На сьогодні 600-В та 1200-В карбід-кремнієві діоди Шоттки є найкращим рішенняму підвищують перетворювачах. За рахунок нижчих втрат на перемикання порівняно з кремнієвими PiN-діодами.
Якщо ж мова йдепро силові ключі, то кремнієві MOSFET поступаються 600- і 1200-В IGBT-транзисторам насамперед через значний опір каналу у відкритому стані (RDSON), який збільшується пропорційно квадрату максимально допустимої напругистік-витік (VDSMAX). Опір RDSON можна як сукупність опорів RJFET і RDRIFT (рис. 1).

Рис.1. Еквівалентна схема DMOSFET.

При цьому опір RDRIFT, що відображає дрейф вільних носіїв, домінує та його величина визначається наступним співвідношенням:

RDRIFT = d/qμND, де d - Товщина дрейфового шару; q - заряд електрона; ND - Коефіцієнт легування.

У новому поколінні карбід-кремнієвих MOSFET транзисторів товщина дрейфового шару d зменшена приблизно в 10 разів; у стільки ж разів збільшено коефіцієнт N D . В результаті опір R DSON зменшено майже в 100 разів у порівнянні з кремнієвим аналогом.

ЗАСТОСУВАННЯ КАРБІД-КРЕМНІЄВИХ ТРАНЗИСТОРІВ

Застосування приладів даного типурозглянемо з прикладу 1200-В, 20-А транзистора з RDSON = 100 мОм і 15-В рівнем управління затвором. Крім зменшення опору RDSON за нормальних умов у карбід-кремнієвих транзисторах значно зменшено вплив температури. У діапазоні 25...150°С зміна опору становить лише 20%, що є дуже малим значенням порівняно з аналогічним значенням 200% або навіть 300% у кремнієвих MOSFET. У принципі карбід-Хоча максимально допустиму температурусерійних транзистори (в основному розміщуються в пластмасових корпусах ТО-247) обмежують до 150°С, карбід-кремнієві транзистори можуть працювати і при температурі понад 200°С.
У порівнянні з кремнієвими IGBT-транзисторами, карбід-кремнієві MOSFET мають і суттєво. менші втратина комутацію. MOSFET — уніполярні прилади, тому немає «хвостів» при комутації, обумовлених розсмоктуванням неосновних носіїв. У таблиці 1 відображено значення втрат на перемикання обох типів транзисторів.

Параметр	IGBT, 1200-B Infineon BSM 15 GD 120 DN2 ID (max) = 15 A при 80°С	DMOSFET 1200-B CREE Engineering sample ID (max) = 15 A при 150 °С
Напруга VDS,
Індуктивна	Індуктивна (500 мкГн)
Напруга управління VGE,
Опір затвора RG, ​​Ом
Втрати енергії при включенні (комутований струм 10 А), ЕON, мДж
Втрати енергії при вимкненні (комутований струм 10 А), ЕOFF, мДж
Максимальний ккд, ή
Євро-кпд* ήEUR0

Таблиця 1. Втрати на перемикання кремнієвих IGBT та карбід-кремнієвих MOSFET.

Далі розглянемо приклад застосування карбід-кремнієвих MOSFET у трифазних 7-кВт, 16,6-кГц інверторах сонячних батарей. Інвертор має топологію В6, розроблену в інституті ISE, та використовує конденсатор у ланцюгу постійного струму, що з'єднується з нейтральним дротом. На малюнку 2 показано результати порівняльних випробувань. Як видно з наведених результатів, при використанні карбід-кремнієвих транзисторів втрати скорочуються майже вдвічі. Значить зменшується і температура тепловідведення: 93 ° С при використанні IGBT-транзисторів і 50 ° С - при використанні карбід-кремнієвих MOSFET.

Рис.2. Порівняння втрат у 1200-В MOSFET та IGBT

Переваги використання карбід-кремнієвих MOSFET у фотоелектричних перетворювачах:
- низька вартістьіндуктивних компонентів Розміри індуктивних компонентів залежить від частоти перетворення. Їхня вартість зменшується приблизно на 50% зі збільшенням частоти перетворення в 2—3 рази. Зі збільшенням частоти перетворення збільшується частота третьої гармоніки, а зменшити потужність третьої гармоніки частотою 150 кГц набагато простіше, ніж частотою 50 кГц;
- Нижчі вимоги до тепловідведення. Використання карбід-кремнієвих MOSFET дозволяє зменшити їх температуру на 50%, що призведе до зменшення розмірів і, відповідно, вартості всього виробу приблизно на 5% у нашому прикладі;
- Збільшення прибутку за рахунок скорочення втрат енергії.

На малюнку 3 показана стандартна схема трифазного випрямляча із ізольованим DC/DC-перетворювачем з комутацією при нульовому струмі. Як ключі S1, S2 у випробуваннях були використані 1200-В, 25-А IGBT-транзистори, 1200-В, 40-А IGBT-транзистори і 1200-В, 25-А карбід-кремнієві MOSFET. Результати роботи системи на максимальне навантаження 3 кВт наведено малюнку 4. Як видно, під час роботи з MOSFET ККД системи збільшується на 2,2%. Корпус MOSFET має меншу температуру: на 25°С нижче, ніж 40-А IGBT і на 36°С нижче, ніж у 25-А IGBT.

Мал. 3. Трифазний 3-кВт інвертор з більшою величиною коефіцієнта потужності та з прямоходовим перетворювачем Мал. 4. Графік зміни ККД залежно від вихідної потужності за частоти перетворення 67 кГц.

Вище були показані переваги 1200-В MOSFET. Однак і при більш високих напругах - 6,5 кВ і навіть вище карбід-кремнієві транзистори також мають переваги перед кремнієвими аналогами. Нещодавно було розроблено 10-кВ, 10-А карбід-кремнієвий MOSFET. При напрузі управління затвором 20 і струмі через канал 10 А падіння напрузі на відкритому каналістановить лише 4,1 В, що еквівалентно опору 127 мОм/см2. Витік струму сток-витік становить 124 нА при напрузі 10 кВ.
У ході проведення порівняльного експерименту було встановлено, що при роботі на індуктивне навантаження втрати на перемикання в карбід-кремнієвому транзисторі в 200 разів менше, ніж у 6,5-кВ IGBT! Затримка включення становить лише 94 нс, а затримка на вимикання — 50 нс; у IGBT - 1,4 мкс і 540 нс відповідно!
При використанні 10-кВ карбід-кремнієвих MOSFET та діода Шоттки у підвищувальному перетворювачі (вхідна напруга – 500 В, вихідна – 5 кВ) ККД 600-Вт перетворювача становив 91%. За підсумками проведених розрахунків встановлено, що та сама схема зі звичайним кремнієвим MOSFET могла б працювати лише з частотою всього кілька сотень Гц. На малюнку 5 показані графіки струмів та напруги при вимиканні MOSFET. З малюнка видно, як швидко протікають перехідні процеси в приладі.

Мал. 5. Процес комутації 10-кВ карбід-кремнієвого MOSFET при частоті 20 кГц та потужності перетворювача 600 Вт.

При збільшеному інтересі до альтернативним джереламЕнергія карбід-кремнієва технологія має широкі перспективи. За рахунок зниження втрат потужності застосування карбід-кремнієвих транзисторів є привабливим у фотоелектричних перетворювачах, а також у перетворювачах генераторів енергії з органічного палива в майбутньому.