Σε τρανζίστορ πυριτίου. Τρανζίστορ οικιακής διπολικής

Τρανζίστορ   (τρανζίστορ) - ένα στοιχείο ημιαγωγού με τρία καλώδια (συνήθως), ένα από τα οποία ( συλλέκτη) εφαρμόζεται ισχυρό ρεύμα και, αφετέρου ( βάση) εξυπηρετούσε ασθενή ( έλεγχος ρεύματος). Σε ένα συγκεκριμένο ρεύμα ελέγχου, η βαλβίδα "ανοίγει" και το ρεύμα από τον συλλέκτη   αρχίζει να ρέει on   τρίτο συμπέρασμα ( πομπός).

Αυτό είναι το τρανζίστορ είναι ιδιόμορφο βαλβίδα, η οποία σε μια συγκεκριμένη ισχύ ρεύματος, μειώνει δραματικά την αντίσταση και επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει περαιτέρω (από τον συλλέκτη στον εκπομπό) .Αυτό συμβαίνει επειδή, υπό ορισμένες συνθήκες, οι τρύπες που έχουν ένα ηλεκτρόνιο χάνουν να πάρουν ένα νέο και ούτω καθεξής. Αν δεν εφαρμοστεί ηλεκτρικό ρεύμα στη βάση, τότε το τρανζίστορ θα είναι σε ισορροπημένη κατάσταση και δεν θα μεταδίδει ρεύμα στον πομπό.

Στα σύγχρονα ηλεκτρονικά τσιπ, ο αριθμός των τρανζίστορ που υπολογίζεται σε δισεκατομμύρια. Χρησιμοποιούνται κυρίως για υπολογισμούς και αποτελούνται από πολύπλοκες συνδέσεις.

Τα υλικά ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται κυρίως σε τρανζίστορ είναι: πυριτίου, αρσενικό γάλλιο   και γερμάνιο. Υπάρχουν επίσης τρανζίστορ νανοσωλήνες άνθρακα, διαφανή   για οθόνες LCDκαι πολυμερικό   (το πιο ελπιδοφόρο).

Ποικιλίες τρανζίστορ:

Διπολική- τρανζίστορ στα οποία οι φορείς φορτίου μπορούν να είναι ηλεκτρόνια και "τρύπες". Το ρεύμα μπορεί να ρέει όπως προς τον πομπόέτσι και προς τον συλλέκτη. Ορισμένα ρεύματα ελέγχου χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο ροής.

- οι κυκλοφορημένες συσκευές στις οποίες η ηλεκτρική ροή ελέγχεται από το ηλεκτρικό πεδίο. Δηλαδή, όταν σχηματίζεται ένα μεγαλύτερο πεδίο, περισσότερο ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται από αυτό και δεν μπορούν να μεταφέρουν τα φορτία περαιτέρω. Δηλαδή, είναι ένα είδος βαλβίδας που μπορεί να αλλάξει την ποσότητα μεταφοράς που μεταφέρεται (εάν ελέγχεται το τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος) p -n— μετάβαση). Ένα ξεχωριστό χαρακτηριστικό αυτών των τρανζίστορ είναι η υψηλή τάση εισόδου και το κέρδος υψηλής τάσης.

Συνδυασμένο- τρανζίστορ με συνδυασμένες αντιστάσεις ή άλλα τρανζίστορ στην ίδια συσκευασία. Χρησιμοποιούνται για διάφορους σκοπούς, αλλά κυρίως για την αύξηση του τρέχοντος κέρδους.

Υποτύποι:

Βιολογικά τρανζίστορ- με βάση βιολογικά πολυμερή που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην ιατρική, τη βιοτεχνολογία χωρίς να βλάψουν τους ζώντες οργανισμούς. Οι μελέτες διεξήχθησαν με βάση μεταλλοπρωτεΐνες, χλωροφύλλη Α (που λαμβάνεται από σπανάκι), ιό μωσαϊκής του καπνού.

Τρανζίστορ μονής ηλεκτρονίας   - δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά από Ρώσους επιστήμονες στο 1996. Θα μπορούσε να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου, σε αντίθεση με τους προκατόχους του. Η αρχή της λειτουργίας είναι παρόμοια με ένα τρανζίστορ πεδίου, αλλά πιο λεπτή. Ο πομπός σήματος είναι ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Αυτό το τρανζίστορ ονομάζεται επίσης νανο και κβαντικό τρανζίστορ. Με αυτή την τεχνολογία, στο μέλλον αναμένουν να δημιουργήσουν τρανζίστορ μεγέθους μικρότερη από 10 nmμε βάση graφένιο.

Για ποιους χρησιμοποιούνται τρανζίστορ;

Χρησιμοποιούνται τρανζίστορ κυκλώματα ενισχυτή, λαμπτήρες, ηλεκτρικούς κινητήρες   και άλλες συσκευές όπου χρειάζεστε μια γρήγορη αλλαγή στο ρεύμα ή τη θέση   onoff. Το τρανζίστορ είναι σε θέση να περιορίσει την ισχύ του ρεύματος είτε ομαλάή μέθοδο δυναμική—παύση. Το δεύτερο χρησιμοποιείται συχνότερα για - τη διαχείριση. Χρησιμοποιώντας μια ισχυρή πηγή ενέργειας, το διεξάγει μέσα από τον εαυτό του, προσαρμόζοντας ένα αδύναμο ρεύμα.

Εάν το ρεύμα δεν είναι αρκετό για να ενεργοποιήσετε το κύκλωμα του τρανζίστορ, τότε μερικά τρανζίστορ   με μεγαλύτερη ευαισθησία, που συνδέεται με κατακόρυφο τρόπο.

Τα τρανζίστορ ισχύος που συνδέονται σε μία ή περισσότερες συσκευασίες χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές που βασίζονται σε ψηφιακές συσκευές. Συχνά χρειάζονται πρόσθετη ψύξη. Στα περισσότερα συστήματα, εργάζονται κλειδί   (σε λειτουργία διακοπτών).

Χρησιμοποιούνται επίσης τρανζίστορ σε συστήματα τροφίμωντόσο ψηφιακά όσο και αναλογικά ( μητρικές πλακέτες, κάρτες γραφικών, τροφοδοτικά   & κτλ).

Κεντρική επεξεργαστές, αποτελούνται επίσης από εκατομμύρια και δισεκατομμύρια τρανζίστορ συνδεδεμένα σε μια συγκεκριμένη σειρά για εξειδικευμένα υπολογιστών.

Κάθε ομάδα τρανζίστορ κωδικοποιεί κατά κάποιο τρόπο το σήμα και το μεταδίδει στην επεξεργασία. Όλα τα είδη και ROM   μνήμη, που επίσης αποτελείται από τρανζίστορ.

Όλα τα επιτεύγματα της μικροηλεκτρονικής   θα ήταν πρακτικά αδύνατο   χωρίς την εφεύρεση και τη χρήση των τρανζίστορ. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς τουλάχιστον μία ηλεκτρονική συσκευή χωρίς τουλάχιστον ένα τρανζίστορ.

• Μετάφραση

Ως επίδειξη της απόδοσης της ιδέας, η ομάδα δημιούργησε ένα υπόστρωμα γερμανίου σε ένα μονωτήρα με μια ομάδα για να δημιουργήσει πρώτα τους μετατροπείς που περιέχουν επίπεδο τρανζίστορ και στη συνέχεια τρανζίστορ FinFET

Σχεδόν 70 χρόνια πριν, δύο φυσικοί από την Bell Labs - John Bardeen και Walter Brattain - έσπρωξαν δύο λεπτές χρυσές επαφές σε ένα πιάτο από τη Γερμανία και έκαναν μια τρίτη επαφή από τον πυθμένα της πλάκας. Το ρεύμα που διέρχεται από αυτή τη δομή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να μετατρέψει ένα ασθενές σήμα σε ένα ισχυρό σήμα. Ως αποτέλεσμα, εμφανίστηκε το πρώτο τρανζίστορ, ένας ενισχυτής και ένας διακόπτης, που μπορεί να έχουν γίνει η μεγαλύτερη εφεύρεση του 20ου αιώνα. Χάρη στον νόμο του Moore, ο τρανζίστορ ανέπτυξε υπολογιστές πολύ πιο πέρα ​​από αυτό που φάνηκε δυνατό στη δεκαετία του 1950.

Παρά τον αστρικό ρόλο της Γερμανίας στην πρώιμη ιστορία των τρανζίστορ, σύντομα αντικαταστάθηκε από πυρίτιο. Αλλά τώρα, εκπληκτικά, αυτό το υλικό είναι έτοιμο να επιστρέψει. Οι ηγέτες στην παραγωγή μαρκών σκέφτονται να αντικαταστήσουν στοιχεία στην καρδιά του τρανζίστορ - το αγώγιμο δίαυλο. Η ιδέα είναι να αντικατασταθεί το πυρίτιο με ένα υλικό που είναι πιο ικανό να διεξάγει ρεύμα. Η δημιουργία τρανζίστορ με τέτοια κανάλια μπορεί να βοηθήσει τους μηχανικούς να συνεχίσουν να βελτιώνουν την απόδοση των κυκλωμάτων με ταχύτητα και ενεργειακή απόδοση, πράγμα που θα σημαίνει την εμφάνιση βελτιωμένων υπολογιστών, smartphones και πολλά άλλα gadgets τα επόμενα χρόνια.

  Για μεγάλο χρονικό διάστημα, ενδιαφέρον για εναλλακτικούς διαύλους περιστρέφεται γύρω από τις ενώσεις Α ΙΙΙ Βν, όπως το αρσενικό του γαλλίου, που αποτελείται από άτομα προς τα αριστερά και δεξιά του πυριτίου στον περιοδικό πίνακα. Και συμμετείχα σε αυτή τη μελέτη. Πριν από οκτώ χρόνια, αναφέρω την πρόοδο που σημειώθηκε στην κατασκευή των τρανζίστορ σε τέτοιες συνδέσεις.

Δύο τρανζίστορ στο μετατροπέα με βάση το FinFET περιέχουν κανάλια πτερυγίων που ξεχωρίζουν από το επίπεδο του υποστρώματος (ροζ κανάλια στην κορυφή, ροζ κανάλια στο κάτω μέρος και ένα άλλο σύνολο κωνικών προβολών). Οι αποστάσεις μεταξύ των "πτερυγίων" στην κορυφή είναι δεκάδες νανομέτρων.

Όμως, ως αποτέλεσμα, διαπιστώσαμε ότι η προσέγγιση με το A III B V υπάρχει θεμελιώδεις φυσικοί περιορισμοί. Θα ήταν επίσης πολύ δαπανηρό και δύσκολο να ενσωματωθεί με την υπάρχουσα τεχνολογία πυριτίου. Έτσι, πριν από λίγα χρόνια, η ομάδα μου στο Πανεπιστήμιο Purdue άρχισε να πειραματίζεται με μια άλλη συσκευή: με ένα τρανζίστορ, το κανάλι του οποίου είναι κατασκευασμένο από γερμάνιο. Από τότε, έχουμε δείξει τα πρώτα περιγράμματα της CMOS (της συμπληρωματικής δομής των μεταλλικών οξειδίων-ημιαγωγών). Περίπου η ίδια λογική που είναι μέσα στους σύγχρονους υπολογιστές, γίνεται μόνο από γερμάνιο που καλλιεργείται σε συνηθισμένα υποστρώματα πυριτίου. Δημιουργήσαμε επίσης διάφορες αρχιτεκτονικές τρανζίστορ από αυτό το υλικό. Περιλαμβάνουν συσκευές nanowire, οι οποίες μπορεί να είναι το επόμενο βήμα παραγωγής, όταν τα καλύτερα τρανζίστορ σήμερα, FinFET, δεν μπορούν πλέον να μειωθούν περαιτέρω.

Και αυτό που είναι ακόμη πιο ενδιαφέρον, αποδεικνύεται ότι η επιστροφή του γερμανού στην εργασία δεν είναι τόσο δύσκολη όσο φαίνεται. Τα τρανζίστορ που χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό πυριτίου και γερμανού στο κανάλι μπορούν ήδη να βρεθούν σε νέες μάρκες και εμφανίστηκαν για πρώτη φορά το 2015, σε μια επίδειξη μελλοντικών τεχνολογιών κατασκευής τσιπ από την IBM. Αυτές οι εξελίξεις μπορεί να είναι το πρώτο βήμα της βιομηχανίας, επιδιώκοντας να εισαγάγει όλο και περισσότερα μερίδια γερμανού στα κανάλια. Μετά από λίγα χρόνια, μπορεί να είμαστε αντιμέτωποι με το γεγονός ότι το υλικό που μας έδωσε τα τρανζίστορ συνέβαλε στη μεταφορά τους στην επόμενη εποχή εξαιρετικής απόδοσης.

Το Γερμάνιο απομονώθηκε για πρώτη φορά και ανακαλύφθηκε από το Γερμανό χημικό Clemens Winkler στα τέλη του 19ου αιώνα. Το υλικό ονομάστηκε προς τιμήν της πατρίδας του επιστήμονα και θεωρήθηκε πάντοτε ως ένα ρεύμα που δεν οδηγούσε καλά. Αυτό άλλαξε κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, όταν αποκαλύφθηκαν οι ιδιότητες ημιαγωγών του γερμανού - δηλαδή η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ ρεύματος αγωγιμότητας και μπλοκαρίσματος. Στα μεταπολεμικά χρόνια, οι συσκευές ημιαγωγών αναπτύχθηκαν γρήγορα στη Γερμανία. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η παραγωγή, ανταποκρινόμενη στις απαιτήσεις της αγοράς, αυξήθηκε από λίγες εκατοντάδες λίβρες το 1946 σε 45 τόνους από τη δεκαετία του 1960. Αλλά το πυρίτιο κέρδισε? Έχει γίνει ένα δημοφιλές υλικό για μάρκες λογικής και μνήμης.

Και για την κυριαρχία του πυριτίου υπάρχουν καλοί λόγοι. Πρώτα απ 'όλα, είναι περισσότερο και είναι φθηνότερο. Το πυρίτιο έχει μια ευρύτερη απαγορευμένη ζώνη, ένα ενεργειακό φράγμα που πρέπει να ξεπεραστεί για να δημιουργήσει αγωγιμότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η ζώνη, τόσο πιο δύσκολο είναι να διαρρεύσει το ρεύμα μέσω της συσκευής σε λάθος χρόνο και να σπαταλήσει ενέργεια. Ως μπόνους, το πυρίτιο και η θερμική αγωγιμότητα ήταν καλύτερα, γεγονός που καθιστά ευκολότερη την αφαίρεση της θερμότητας, έτσι ώστε τα κυκλώματα να μην υπερθερμαίνονται.

Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα πλεονεκτήματα, είναι φυσικό να μας ενδιαφέρει - γιατί θα έπρεπε ακόμη να σκεφτούμε την επιστροφή της Γερμανίας στο κανάλι. Η απάντηση είναι η κινητικότητα. Τα ηλεκτρόνια στο γερμάνιο σε θερμοκρασία δωματίου κινούνται σχεδόν τρεις φορές πιο εύκολα από ό, τι στο πυρίτιο. Και οι τρύπες - η απουσία ενός ηλεκτρονίου στο υλικό, που θεωρείται θετικό φορτίο - κινούνται σχεδόν τέσσερις φορές πιο εύκολα.

Ταλαντωτής CMOS εννέα σταδίων, που εισήχθη το 2015

Το γεγονός ότι στη Γερμανία ηλεκτρόνια και τρύπες είναι τόσο κινητά το καθιστά ένα βολικό υποψήφιο για κυκλώματα CMOS. Η CMOS συνδυάζει δύο διαφορετικούς τύπους τρανζίστορ: το p-channel FET (pFET), το κανάλι του οποίου περιέχει μια περίσσεια ελεύθερων οπών και το n-channel FET (nFET), τα οποία έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων. Όσο πιο γρήγορα κινούνται, τόσο πιο γρήγορα γίνονται τα περιγράμματα. Μία μείωση της τάσης που απαιτείται για την κίνηση τους σημαίνει επίσης μείωση της κατανάλωσης ενέργειας.

Φυσικά, το γερμάνιο δεν είναι το μοναδικό υλικό με τέτοια κινητικότητα σωματιδίων. Οι προαναφερθείσες ενώσεις Α III Β V, υλικά όπως το αρσενικό του ινδίου και το αρσενίδιο του γαλλίου, μπορούν επίσης να διαθέτουν υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια στο αρσενικό του ινδίου είναι σχεδόν 30 φορές πιο κινητά από ό, τι στο πυρίτιο. Αλλά το πρόβλημα είναι ότι αυτή η ιδιότητα δεν ισχύει για τρύπες - δεν είναι πολύ πιο κινητές από αυτές του πυριτίου. Και αυτός ο περιορισμός καθιστά αδύνατη τη δημιουργία pFET υψηλής ταχύτητας και η απουσία pFET υψηλών ταχυτήτων ακυρώνει την λήψη κυκλωμάτων ταχείας CMOS, καθώς δεν μπορούν να λειτουργήσουν με πολύ μεγάλη διαφορά στις ταχύτητες των nFETs και pFETs.

Μια λύση είναι να πάρει το καλύτερο από κάθε υλικό. Ερευνητές σε πολλά εργαστήρια, όπως για παράδειγμα ο Ευρωπαϊκός ερευνητικός οργανισμός ημιαγωγών Imec και το εργαστήριο της Ζυρίχης της IBM, έχουν δείξει τρόπους για να δημιουργήσουν κυκλώματα στα οποία κατασκευάζονται κανάλια nFET των συνθέσεων A III B V και pFET από γερμάνιο. Και παρόλο που αυτή η τεχνολογία μπορεί να σας επιτρέψει να δημιουργήσετε πολύ γρήγορα περιγράμματα, περιπλέκει πολύ την παραγωγή.

Επομένως, προτιμούμε την απλή προσέγγιση με το γερμάνιο. Τα γερμανικά κανάλια θα πρέπει να αυξήσουν την ταχύτητα και τα προβλήματα παραγωγής δεν θα είναι τόσο σοβαρά.

Πώς είσαι από τη Γερμανία;

Προκειμένου το γερμάνιο - ή οποιοδήποτε εναλλακτικό υλικό - να τεθεί σε παραγωγή, θα πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να το προσθέσετε στα υποστρώματα πυριτίου που χρησιμοποιούνται σήμερα για να δημιουργήσουν μάρκες. Ευτυχώς, υπάρχουν πολλοί τρόποι να εφαρμοστεί ένα στρώμα γερμανίου στο υπόστρωμα πυριτίου, από το οποίο μπορείτε να δημιουργήσετε κανάλια. Η χρήση ενός λεπτού στρώματος εξαλείφει δύο βασικά προβλήματα του γερμανού - το υψηλό κόστος σε σχέση με το πυρίτιο και τη σχετικά κακή θερμική αγωγιμότητα.

Αλλά για να αντικαταστήσετε το πυρίτιο στο τρανζίστορ, δεν αρκεί απλώς να στριμώξετε ένα λεπτό και υψηλής ποιότητας στρώμα γερμανίου. Το κανάλι πρέπει να λειτουργεί άψογα με τα υπόλοιπα εξαρτήματα του τρανζίστορ.

Στις πανταχού παρούσες σύγχρονες μάρκες CMOS, χρησιμοποιούνται τρανζίστορ με βάση το MOS (ημιαγωγός μεταλλικού οξειδίου - MOSFET, τρανζίστορ με μεταλλικό οξείδιο - πεδίο ημιαγωγού πεδίου - MOSFET). Έχει τέσσερα βασικά μέρη. Η πηγή και η αποστράγγιση είναι το σημείο έναρξης και λήξης της τρέχουσας κίνησης. το κανάλι που τις συνδέει. ένα κλείστρο που χρησιμεύει ως βαλβίδα που ελέγχει την παρουσία ρεύματος στο κανάλι.

Στην πραγματικότητα, υπάρχουν και άλλα συστατικά στο τρανζίστορ υψηλής ποιότητας. Ένα από τα πιο σημαντικά είναι ο απομονωτής πύλης, ο οποίος εμποδίζει την πύλη και το κανάλι από βραχυκύκλωμα. Τα άτομα σε ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο, το γερμάνιο και οι ενώσεις Α III Β V είναι διατεταγμένα σε τρεις διαστάσεις. Μια ιδανικά επίπεδη επιφάνεια δεν μπορεί να γίνει, επομένως τα άτομα που βρίσκονται στην κορυφή του καναλιού θα έχουν αρκετούς προεξέχοντες δεσμούς. Χρειάζεστε έναν μονωτήρα που να συνδέει όσο το δυνατόν περισσότερες από αυτές τις συνδέσεις και αυτή η διαδικασία ονομάζεται παθητικοποίηση ή επιφανειακή επικάλυψη. Στην περίπτωση κατασκευής κακής ποιότητας, μπορείτε να πάρετε ένα κανάλι με "ηλεκτρικές λακκούβες", γεμάτες από χώρους όπου οι φορείς φόρτωσης μπορούν προσωρινά να παραμείνουν, γεγονός που μειώνει την κινητικότητα τους και ως εκ τούτου την ταχύτητα της συσκευής.

Αριστερά: nFET του A III B V και σκευάσματα pFET γερμανίου · κομμάτια και των δύο υλικών αναπτύσσονται σε μονωμένο υπόστρωμα πυριτίου.
  Δεξιά: και τα δύο τρανζίστορ είναι κατασκευασμένα από γερμάνιο συνδεδεμένο στο υπόστρωμα.

Ευτυχώς, η φύση προσέφερε πυρίτιο με φυσικό μονωτικό, που συμπίπτει με την κρυσταλλική δομή του: διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2). Και αν και στα σύγχρονα τρανζίστορ υπάρχουν πιο εξωτικά μονωτικά, εξακολουθούν να έχουν ένα λεπτό στρώμα αυτού του οξειδίου, το οποίο χρησιμεύει για να παθητικοποιήσει το κανάλι πυριτίου. Δεδομένου ότι το πυρίτιο και το SiO 2 είναι κοντά στη δομή, ένα καλά κατασκευασμένο στρώμα SiO 2 δεσμεύει 99.999 από 100.000 ελεύθερους δεσμούς - και υπάρχουν περίπου εξ αυτών ανά τετραγωνικό εκατοστό πυριτίου.

Το αρσενικό του γαλλίου και άλλες ενώσεις Α III Β V δεν έχουν φυσικά οξείδια και το γερμάνιο το έχει - επομένως, θεωρητικά, θα πρέπει να έχει ιδανικό υλικό για παθητικοποίηση του καναλιού. Το πρόβλημα είναι ότι το διοξείδιο του γερμανίου (GeO 2) είναι ασθενέστερο από το Si02 και μπορεί να απορροφηθεί και να διαλυθεί από το ύδωρ που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό των υποστρωμάτων κατά την κατασκευή των τσιπς. Ακόμα χειρότερο, η διαδικασία ανάπτυξης του GeO 2 είναι δύσκολο να ελεγχθεί. Μια ιδανική συσκευή απαιτεί ένα στρώμα πάχους GeO 2 1-2 nm, αλλά στην πραγματικότητα είναι πιο δύσκολο να δημιουργηθεί ένα στρώμα λεπτότερο από 20 nm.

Οι ερευνητές μελέτησαν διάφορες εναλλακτικές λύσεις. Ο καθηγητής Stanford, Krishna Saraswat, και οι συνάδελφοί του, που προκάλεσαν το ενδιαφέρον για τη χρήση της Γερμανίας ως εναλλακτικό υλικό από τη δεκαετία του 2000, μελέτησαν για πρώτη φορά το διοξείδιο του ζιρκονίου, ένα υλικό με υψηλή διηλεκτρική σταθερά του τύπου που χρησιμοποιείται σήμερα σε τρανζίστορ υψηλής ταχύτητας. Με βάση το έργο τους, μια ομάδα από το Imec στο Βέλγιο μελέτησε τι μπορεί να γίνει με ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα πυριτίου για τη βελτίωση της διεπαφής μεταξύ γερμανού και παρόμοιων υλικών.

Αλλά η παθητικοποίηση της Γερμανίας βελτιώθηκε σημαντικά το 2011, όταν η ομάδα του Καθηγητή Shinichi Takagi από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο έδειξε έναν τρόπο να ελέγξει την ανάπτυξη του μονωτήρα γερμανίου. Πρώτον, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα στρώμα νανομέτρου ενός άλλου μονωτήρα, οξείδιο του αργιλίου, στο κανάλι του γερμανού. Μετά από αυτό, τοποθετήθηκαν σε θάλαμο οξυγόνου. Μέρος του οξυγόνου διέρχεται από το στρώμα οξειδίου του αργιλίου στο κατώτερο γερμάνιο και αναμειγνύεται με αυτό, σχηματίζοντας ένα λεπτό στρώμα οξειδίου (η ένωση του γερμάνιου με οξυγόνο, αλλά τεχνικά όχι GeO 2). Το οξείδιο του αλουμινίου όχι μόνο συμβάλλει στον έλεγχο της ανάπτυξης, αλλά χρησιμεύει επίσης ως προστατευτική επικάλυψη για λιγότερο σταθερό στρώμα.

Nanowire κανάλια

Πριν από λίγα χρόνια, εμπνευσμένη από αυτή την ανακάλυψη και δεδομένης της δυσκολίας δημιουργίας pFETs με κανάλια από το A III B V, η ομάδα μου στο Perdue άρχισε να διερευνά τρόπους για να δημιουργήσει τρανζίστορ σε κανάλια γερμανίου. Ξεκινήσαμε με τη χρήση υποστρωμάτων με γερμάνιο σε μονωτικό υλικό, που αναπτύχθηκε από τον γαλλικό κατασκευαστή Soitec. Αυτά είναι τυποποιημένα υποστρώματα πυριτίου με μονωτικό στρώμα κάτω από στρώμα γερμάνιου 100 nm.

Με αυτά τα υποστρώματα, μπορείτε να δημιουργήσετε τρανζίστορ, στα οποία όλα τα τυποποιημένα εξαρτήματα - πηγή, κανάλι και αποχέτευση - είναι κατασκευασμένα από γερμάνιο. Ο κατασκευαστής τρανζίστορ δεν χρειάζεται να ακολουθήσει αυτόν τον σχεδιασμό, αλλά ήταν ευκολότερο για εμάς να μελετήσουμε τις βασικές ιδιότητες των συσκευών γερμανίου.

Ένα από τα πρώτα εμπόδια ήταν η καταπολέμηση της αντίστασης μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης του τρανζίστορ και των μεταλλικών ηλεκτροδίων που τα συνδέουν με τον έξω κόσμο. Η αντίσταση προκύπτει από το φυσικό φράγμα ηλεκτρονίων Schottky που εμφανίζεται στο σημείο επαφής του μετάλλου και του ημιαγωγού. Τα τρανζίστορ πυριτίου έχουν βελτιστοποιηθεί ακούραστα για να ελαχιστοποιήσουν αυτό το εμπόδιο, έτσι ώστε οι φορείς φορτίου να το ξεπεράσουν εύκολα. Αλλά στη συσκευή γερμανίου απαιτούνται δύσκολες λύσεις μηχανικής. Λόγω των αποχρώσεων της ηλεκτρονικής δομής, οι οπές μετακινούνται εύκολα από μέταλλο σε γερμάνιο, αλλά τα ηλεκτρόνια δεν είναι πολύ. Αυτό σημαίνει ότι τα nFET που βασίζονται στην κίνηση ηλεκτρονίων θα έχουν πολύ υψηλή αντίσταση, απώλεια θερμότητας και ρεύματος.

Ο συνήθης τρόπος για να φτιάξετε το λεπτότερο φράγμα είναι να προσθέσετε περισσότερη σκόνη στην πηγή και να αποστραγγίσετε. Η φυσική της διαδικασίας είναι περίπλοκη, αλλά μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής: περισσότερα άτομα προσμείξεων εισάγουν περισσότερα ελεύθερα φορτία. Με την αφθονία φορέων ελεύθερης φόρτισης, η ηλεκτρική αλληλεπίδραση μεταξύ των μεταλλικών ηλεκτροδίων και της πηγής και της αποχέτευσης ημιαγωγών αυξάνεται. Αυτό βοηθά στην ενίσχυση του εφέ της σήραγγας.

Δυστυχώς, αυτή η τεχνολογία λειτουργεί χειρότερα με το γερμάνιο παρά με το πυρίτιο. Το υλικό δεν αντέχει σε υψηλές συγκεντρώσεις προσμείξεων. Αλλά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε εκείνους τους χώρους όπου η πυκνότητα των ακαθαρσιών είναι μέγιστη.

Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούμε το γεγονός ότι οι ακαθαρσίες προστίθενται στα σύγχρονα ημιαγωγοί με υπερβολικά ηλεκτρικά πεδία που πιέζουν ιόντα στο υλικό. Μερικά από αυτά τα άτομα σταματούν αμέσως, ενώ άλλα διεισδύουν βαθύτερα. Ως αποτέλεσμα, θα πάρετε μια κανονική κατανομή: η συγκέντρωση των ατόμων ακαθαρσιών σε ένα ορισμένο βάθος θα είναι μέγιστη, και στη συνέχεια, όταν κινείται βαθιά μέσα ή προς την αντίθετη κατεύθυνση θα μειωθεί. Εάν εμβαθύνουμε τα ηλεκτρόδια της πηγής και στραγγίσουμε σε ημιαγωγό, μπορούμε να τα τοποθετήσουμε σε μέρη με την υψηλότερη συγκέντρωση ατόμων ακαθαρσίας. Αυτό μειώνει δραστικά το πρόβλημα της αντοχής επαφής.

Οι επαφές είναι βυθισμένες στο βάθος της μέγιστης συγκέντρωσης ατόμων προσμείξεων

Ανεξάρτητα από το αν οι κατασκευαστές τσιπ χρησιμοποιούν αυτή την προσέγγιση για να μειώσουν το φράγμα Schottky στη Γερμανία, αυτό είναι μια χρήσιμη επίδειξη των δυνατοτήτων του. Στην αρχή της μελέτης μας, το καλύτερο που έδειξαν τα nFETs γερμάνιου ήταν ρεύμα 100 μΑ ανά μm πλάτος. Το 2014, στο Συμπόσιο Τεχνολογίας και Κυκλωμάτων VLSI στη Χαβάη, αναφέραμε τα nFETs του γερμανίου ικανά να μεταδίδουν 10 φορές περισσότερο ρεύμα, το οποίο είναι σχεδόν συγκρίσιμο με το πυρίτιο. Μετά από έξι μήνες, επιδείξαμε τα πρώτα κυκλώματα που περιέχουν γερμανίου nFET και pFET, απαραίτητη προϋπόθεση για την κατασκευή σύγχρονων λογικών κυκλωμάτων.

Από τότε, έχουμε χρησιμοποιήσει γερμάνιο για την κατασκευή πιο προηγμένων τρανζίστορ, όπως το FinFET - η τελευταία τεχνολογία. Κατασκευάσαμε ακόμη και τρανζίστορ nanowire στη Γερμανία, τα οποία τα επόμενα χρόνια θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν το FinFET.

Αυτές οι εξελίξεις θα απαιτηθούν προκειμένου να χρησιμοποιηθεί το γερμάνιο στη μαζική παραγωγή, επειδή με τη βοήθειά σας μπορείτε να ελέγξετε καλύτερα το κανάλι του τρανζίστορ. Λόγω της μικρής απαγορευμένης ζώνης του γερμανού, ένα τέτοιο τρανζίστορ απαιτεί μόνο το ένα τέταρτο της ενέργειας που απαιτείται για τη μετάβαση στην αγώγιμη κατάσταση ενός τρανζίστορ πυριτίου. Αυτό ανοίγει ευκαιρίες για εργασία χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, αλλά καθιστά επίσης πιο πιθανό ότι ένα ρεύμα θα διαρρεύσει σε μια εποχή που δεν πρέπει να το κάνει αυτό. Μια συσκευή με καλύτερο έλεγχο του καναλιού θα επιτρέψει στους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν μια μικρή απαγορευμένη ζώνη χωρίς συμβιβασμό με την ταχύτητα.

Πήραμε ένα καλό ξεκίνημα, αλλά έχουμε ακόμα μια δουλειά. Για παράδειγμα, χρειάζονται επιπρόσθετα πειράματα με υποστρώματα, τα οποία θα πρέπει να δείχνουν τρανζίστορ με κανάλια γερμανίου υψηλής ποιότητας. Πρέπει επίσης να κάνετε βελτιώσεις στο σχεδιασμό για να επιταχύνετε.

Φυσικά, το γερμάνιο δεν είναι η μόνη επιλογή για τρανζίστορ του μέλλοντος. Οι ερευνητές συνεχίζουν να μελετούν τις ενώσεις A III B V, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο με το γερμάνιο όσο και ξεχωριστά. Ο αριθμός των πιθανών βελτιώσεων του τρανζίστορ είναι τεράστιος. Αυτός ο κατάλογος περιλαμβάνει τρανζίστορ σε νανοσωλήνες άνθρακα, κατακόρυφα προσανατολισμένους διακόπτες, τρισδιάστατα κυκλώματα, κανάλια από ένα μείγμα γερμανίου και κασσίτερου, τρανζίστορ με βάση την αρχή της κβαντικής σήραγγας.

Κατά τα προσεχή έτη, ίσως, θα προσαρμόσουμε κάποιες από τις αναφερόμενες τεχνολογίες. Αλλά η προσθήκη γερμανίου - ακόμη και σε μίγμα με πυρίτιο - είναι μια λύση που θα επιτρέψει στους κατασκευαστές να συνεχίσουν να βελτιώνουν τα τρανζίστορ στο εγγύς μέλλον. Το γερμάνιο, το αρχικό υλικό της εποχής των ημιαγωγών, θα μπορούσε να είναι η πανάκεια για την επόμενη δεκαετία.

Ετικέτες:

• τρανζίστορ
• γερμάνιο

Τρανζίστορ- είναι μια συσκευή ημιαγωγών σχεδιασμένη να ενισχύει, να αναστρέφει, να μετατρέπει ηλεκτρικά σήματα, καθώς και να μετατρέπει ηλεκτρικούς παλμούς σε ηλεκτρονικά κυκλώματα διαφόρων συσκευών. Υπάρχουν διπολικά τρανζίστορ που χρησιμοποιούν κρυστάλλους. n-και p-τύπου και πεδίου (μονοπολικές) τρανζίστορ που κατασκευάζονται σε κρύσταλλο γερμάνιου ή πυριτίου με ένα τύπο αγωγιμότητας.

Διπολικά τρανζίστορ

Φυσικές διεργασίες σε τρανζίστορ pnpπληκτρολογήστε και npnΠληκτρολογήστε το ίδιο. Η διαφορά τους είναι ότι τα ρεύματα στις βάσεις των τρανζίστορ pnpοι τύποι μεταφέρονται από τους κύριους φορείς φόρτωσης - οπές, και στα τρανζίστορ npn-τύπου - με ηλεκτρόνια.

Κάθε μία από τις μεταβάσεις του τρανζίστορ-εκπομπού ( Β-ε) και συλλέκτη ( Bk) μπορεί να συμπεριληφθεί είτε προς τα εμπρός είτε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ανάλογα με αυτό, υπάρχουν τρεις τρόποι λειτουργίας του τρανζίστορ:

• διακοπή λειτουργίας- και τα δύο pnοι μεταβάσεις είναι κλειστές, ενώ ένα σχετικά μικρό ρεύμα ρέει μέσω του τρανζίστορ Εγώ   0 λόγω μικρών φορέων φόρτισης.
• λειτουργία κορεσμού- και τα δύο pn- Η μετάβαση είναι ανοικτή.
• ενεργή λειτουργία- ένα από τα pn- οι μεταβάσεις είναι ανοιχτές και η άλλη κλειστή.

Στους τρόπους αποκοπής και κορεσμού, ο έλεγχος τρανζίστορ απουσιάζει. Σε ενεργή λειτουργία, το τρανζίστορ εκτελεί τη λειτουργία ενεργό στοιχείοηλεκτρικά κυκλώματα που ενισχύουν σήματα, δημιουργούν ταλαντώσεις, μεταγωγή κ.λπ.

Εάν η τάση της διακλάδωσης του πομπού είναι άμεση και στον συλλέκτη το αντίθετο, τότε η ενεργοποίηση του τρανζίστορ θεωρείται φυσιολογική, με την αντίστροφη πολικότητα της τάσης ανάστροφη.

Υποβάλλοντας ένα αρνητικό δυναμικό της τάσης πηγής στον συλλέκτη και θετικό στον εκπομπό (σχήμα 21) στο κύκλωμα μεταγωγής του τρανζίστορ με ένα κοινό πομπό, ανοίξαμε έτσι τη διακλάδωση του πομπού Ώ-Βκαι κλείστε τον συλλέκτη Β-Για ναενώ το ρεύμα συλλέκτη I K0 =   Εγώ ε0 =   I 0   μικρό, καθορίζεται από τη συγκέντρωση μεταφορέων μειονοτήτων (ηλεκτρόνια σε αυτή την περίπτωση). Αν υπάρχει μεταξύ της πομπού και της βάσης μια μικρή τάση (0,3-0,5 V) στην προς τα εμπρός κατεύθυνση pn- μετάβαση Ώ-Βτότε συμβαίνει ένεσηοπές από τον πομπό προς τη βάση, σχηματίζοντας το ρεύμα του εκπομπού - Εγώ. Στη βάση, οι οπές ανασυνδυάζονται εν μέρει με ελεύθερα ηλεκτρόνια, αλλά ταυτόχρονα από μια εξωτερική πηγή τάσης. E b(E b <   E R)   νέα ηλεκτρόνια έρχονται στη βάση, σχηματίζοντας ένα ρεύμα βάσης I B.

Εικόνα 21-Κύκλωμα του διπολικού τρανζίστορ

Δεδομένου ότι η βάση στο τρανζίστορ έχει τη μορφή λεπτού στρώματος, μόνο ένα ασήμαντο τμήμα των οπών ανασυνδυάζεται με τα ηλεκτρόνια βάσης και το κύριο μέρος τους φθάνει στη σύνδεση συλλέκτη. Αυτές οι τρύπες συλλαμβάνονται από το ηλεκτρικό πεδίο της διακλάδωσης του συλλέκτη, που είναι μια οπή επιτάχυνσης. Το ρεύμα οπών που παγιδεύονται από τον πομπό στον συλλέκτη κλείνει μέσω μιας αντίστασης R Kκαι πηγή τάσης με EMF E Kσχηματίζοντας ένα ρεύμα συλλέκτη I Kστο εξωτερικό κύκλωμα.

Καταγράφεται η αναλογία των ρευμάτων στο κύκλωμα μεταγωγής του τρανζίστορ (σχήμα 21), που ονομάζεται κύκλωμα μεταγωγής με κοινό πομπό(ΟΕ),

Αναφέρεται ο λόγος ρεύματος συλλέκτη προς ρεύμα εκπομπού τρέχουσα αναλογία μεταφοράς

όπου είναι το ρεύμα βάσης

Το κύκλωμα μεταγωγής του τρανζίστορ με ΟΕ είναι το πιο κοινό εξαιτίας του μικρού ρεύματος βάσης στο κύκλωμα εισόδου και του κέρδους του σήματος εισόδου τόσο στην τάση όσο και στο ρεύμα. Οι βασικές ιδιότητες του τρανζίστορ καθορίζονται από τις αναλογίες των ρευμάτων και των τάσεων στα διάφορα κυκλώματά του και από την αλληλεπίδραση μεταξύ τους.

Το τρανζίστορ μπορεί να λειτουργεί σε συνεχές ρεύμα, μικρό εναλλασσόμενο σήμα, μεγάλο εναλλασσόμενο σήμα και σε λειτουργία πλήκτρου (παλμικού).

Οι οικογένειες εισόδου

και το Σαββατοκύριακο

Στατικά χαρακτηριστικά του τρανζίστορ στο κύκλωμα με ΟΕ παρουσιάζονται στο Σχ. 22. Μπορούν να ληφθούν ως αποτέλεσμα πειράματος ή υπολογισμού.

Εικόνα 22 - Οικογένειες στατικών χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου

Αναφέρονται οι οικογένειες χαρακτηριστικών που αφορούν τις τάσεις και τα ρεύματα στην έξοδο στα ρεύματα και τις τάσεις στην είσοδο χαρακτηριστικά μετάδοσηςή χαρακτηριστικά ελέγχου   (εικόνα 23).

Εικόνα 23 Χαρακτηριστικό μετάδοσης

Διπολικά τρανζίστορ ταξινομήσετε:

• Εξοικονόμηση ισχύος (χαμηλή ισχύς (έως 0,3 W), μέση ισχύς (από 0,3 W έως 1,5 W) και ισχυρή (πάνω από 1,5 W).
• σχετικά με τις ιδιότητες συχνότητας (χαμηλή συχνότητα (έως 3 MHz), μεσαία συχνότητα (3-30 MHz), υψηλή (30-300 MHz) και εξαιρετικά υψηλή συχνότητα (άνω των 300 MHz).
• προς προορισμό: καθολική, ενίσχυση, παραγωγή, μεταγωγή και παλμό.

Κατά την επισήμανση των διπολικών τρανζίστορ, γράφουν πρώτα ένα γράμμα ή έναν αριθμό που υποδεικνύει το υλικό ημιαγωγού πηγής: Δ ή 1 - γερμάνιο, К ή 2 - πυρίτιο. τότε ένας αριθμός από 1 έως 9 (1, 2 ή 3 - χαμηλής συχνότητας, 4, 5 ή 6 - υψηλή συχνότητα, 7, 8 ή 9 - εξαιρετικά υψηλή συχνότητα, αντίστοιχα, σε κάθε ομάδα χαμηλής, μεσαίας ή υψηλής ισχύος). Τα επόμενα δύο ψηφία από 01 έως 99 είναι ο αριθμός σειράς της ανάπτυξης και στο τέλος ένα γράμμα (από το Α και παραπάνω) δείχνει την παραμετρική ομάδα της συσκευής, για παράδειγμα την τάση τροφοδοσίας του τρανζίστορ κλπ.

Για παράδειγμα, το τρανζίστορ GT109G: γερμάνιο χαμηλής συχνότητας, χαμηλή ισχύς με αναλογία μεταφοράς ρεύματος h21Ώ= 100_250, U K= 6 V, I K= 20 mA (σταθερό ρεύμα).

Τρανζίστορ εφέ πεδίου

Τρανζίστορ εφέ πεδίουΕίναι μια συσκευή ημιαγωγών στην οποία το ρεύμα αποστράγγισης ( Με) μέσω του καναλιού ημιαγωγού p-   ή σ-το είδος ελέγχεται από το ηλεκτρικό πεδίο που συμβαίνει όταν εφαρμόζεται τάση μεταξύ της πύλης ( H) και την πηγή ( Και).

  Τα τρανζίστορ εφέ πεδίου γίνονται:

- με σύνδεση τύπου pn βαλβίδας ελέγχουγια χρήση σε συσκευές μετατροπής υψηλής συχνότητας (μέχρι 12_18 GHz). Ο εξαρτώμενος χαρακτηρισμός τους στα διαγράμματα φαίνεται στο σχ. 24, α, β;

- με απομονωμένο(διηλεκτρικό στρώμα) κλείστρουγια χρήση σε συσκευές που λειτουργούν με συχνότητα έως 1_2 GHz. Είναι κατασκευασμένα ή με ενσωματωμένο κανάλιμε τη μορφή MDP_structure (δείτε το σύμβολο τους στο σχήμα 24, στοκαι g), ή με επαγόμενο κανάλιμε τη μορφή MOP_struktury (δείτε το σύμβολο τους στο σχήμα 24, δ, ε).

Εικόνα 24 - Τύποι τρανζίστορ πεδίου δράσης

Το κύκλωμα του τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος με τύπο πύλης pnμετάβαση και κανάλι n-το είδος της οικογένειας των χαρακτηριστικών παραγωγής I С= στ(UC), U C = constκαι το αποθεματικό χαρακτηριστικό I C= στ(UZ), U С= constπου απεικονίζεται στο Σχ. 25

Εικόνα 25 - Διάγραμμα συνδεσμολογίας του τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος και του χαρακτηριστικού απόκρισης του αποθέματος

Κατά τη σύνδεση των εξόδων αποστράγγισης Μεκαι την πηγή Καισε τροφοδοσία ρεύματος Απμε κανάλι n- Τύπος ροών ρεύματος I Cαπό τότε pnη μετάβαση δεν επικαλύπτει την διατομή του καναλιού (Εικ. 25, α).

Σε αυτή την περίπτωση, καλείται το ηλεκτρόδιο από το οποίο εισέρχονται οι φορείς φόρτισης στο κανάλι την πηγή, και το ηλεκτρόδιο μέσω του οποίου οι κύριοι φορείς φόρτισης εγκαταλείπουν το κανάλι καλείται αποστράγγιση.

Το ηλεκτρόδιο, το οποίο χρησιμεύει για τη ρύθμιση της διατομής του καναλιού, καλείται κλείστρου. Με αυξανόμενη αντίστροφη τάση U Зτο τμήμα του καναλιού μειώνεται, η αντοχή του αυξάνεται και το ρεύμα αποστράγγισης μειώνεται I C.

Επομένως, αποστραγγίστε τον τρέχοντα έλεγχο I Cσυμβαίνει όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση pn- κλείστρο μετατόπισης H. Λόγω της μικρότητας των αντίστροφων ρευμάτων στο κύκλωμα πύλης-πηγή, η ισχύς που απαιτείται για τον έλεγχο του ρεύματος αποστράγγισης είναι αμελητέα.

Υπό τάση -U3 = -U30ονομάζεται διακοπή τάσης, το τμήμα καναλιού επικαλύπτεται πλήρως από ένα στρώμα φραγμού που εξαντλείται από φορείς φορτίου και το ρεύμα αποστράγγισης I CO(ρεύμα διακοπής) που καθορίζεται από μικρούς φορείς φόρτισης pn- μετάβαση (βλέπε εικ. 25, β).

Η σχηματική δομή του τρανζίστορ φαινομένου πεδίου που προκαλείται από το η-το κανάλι φαίνεται στο σχήμα 26. Σε τάση πύλης σε σχέση με την πηγή, ίση με μηδέν και παρουσία τάσης αποστράγγισης, το ρεύμα αποστράγγισης αποδεικνύεται αμελητέο. Ένα αξιοσημείωτο ρεύμα αποστράγγισης εμφανίζεται μόνο όταν εφαρμόζεται θετική πολικότητα στην πύλη σε σχέση με την πηγή, πιο λεγόμενη τάση κατωφλίου U SPOR.

Εικόνα 26 - Σχηματική δομή ενός τρανζίστορ επιδράσεως πεδίου που προκαλείται από κανάλι n

Σε αυτή την περίπτωση, ως αποτέλεσμα της διείσδυσης του ηλεκτρικού πεδίου μέσω του διηλεκτρικού στρώματος στον ημιαγωγό σε τάσεις πύλης, μεγάλες U ΑΘΛΗΜΑΤΑ, στην επιφάνεια του ημιαγωγού κάτω από την πύλη εμφανίζεται ένα αντίστροφο στρώμα, το οποίο είναι το κανάλι που συνδέει την πηγή με την αποστράγγιση.

Το πάχος και η διατομή του καναλιού ποικίλλουν ανάλογα με την τάση στην πύλη και το ρεύμα αποστράγγισης θα αλλάξει αναλόγως. Αυτός είναι ο έλεγχος του ρεύματος αποστράγγισης στο τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος με μια επαγόμενη πύλη. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος είναι η υψηλή αντίσταση εισόδου (από τη σειρά μερικών mega-ohms) και ένα μικρό ρεύμα εισόδου. Μία από τις κύριες παραμέτρους των τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος είναι s κλίσηη απόδοση του κλείστρου (βλέπε εικ. 25, στο). Για παράδειγμα, για ένα τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος KP103Zh S= (3 ... 5) mA / V

Στα τέλη του αιώνα πριν από τον τελευταίο, ο Γερμανός χημικός K.A. Ο Winkler ανακάλυψε ένα στοιχείο του οποίου η ύπαρξη είχε προηγουμένως προβλεφθεί από τον D.I. Μεντελλέεφ. Την 1η Ιουλίου 1948 στο υπόγειο της εφημερίδας "New York Times" εμφανίστηκε μια σύντομη σημείωση με τίτλο "Δημιουργία ενός τρανζίστορ". Ανέφερε σχετικά με την εφεύρεση "μιας ηλεκτρονικής συσκευής ικανής να αντικαταστήσει συμβατικούς σωλήνες κενού σε ραδιοεξοπλισμό".

Φυσικά, τα πρώτα τρανζίστορ ήταν γερμάνιο, και αυτό ήταν το στοιχείο που δημιούργησε μια πραγματική επανάσταση στη ραδιοεξοπλισμό. Δεν θα συζητήσουμε αν οι γνωστούς της μουσικής κέρδισαν τη μετάβαση από τους λαμπτήρες σε τρανζίστορ - αυτές οι συζητήσεις είχαν ήδη αρκετό χρόνο για να περάσουν. Ας ρωτήσουμε καλύτερα τον εαυτό μας για μια άλλη, όχι λιγότερο σημαντική ερώτηση: έκανε την επόμενη εξελικτική στροφή προς όφελος του ήχου, όταν οι συσκευές πυριτίου αντικατέστησαν το γερμάνιο; Η ηλικία των τελευταίων δεν ήταν μεγάλη και δεν άφησαν πίσω τους, σαν λαμπτήρες, μια απτή υγιή κληρονομιά. Τώρα τα τρανζίστορ γερμανίου δεν παράγονται σε καμία χώρα και έχουν ήδη θυμηθεί πολύ σπάνια. Και μάταια. Πιστεύω ότι κάθε τρανζίστορ πυριτίου, είτε πρόκειται για διπολικό είτε για πεδίο, υψηλής συχνότητας ή χαμηλής συχνότητας, χαμηλού σήματος ή ισχυρό, λιγότερο κατάλληλο για αναπαραγωγή ήχου υψηλής ποιότητας από το γερμάνιο. Πρώτον, ας εξετάσουμε τις φυσικές ιδιότητες και των δύο στοιχείων. *

* Δημοσιεύθηκε από τον H.J.Fisher, Transistortechnik fur Den Funkamateur. Μετάφραση από τον A.V. Bezrukova, Μ., MRB, 1966.

Ο πίνακας δείχνει ότι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών, η διάρκεια ζωής των ηλεκτρονίων και η μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων και των οπών είναι σημαντικά υψηλότερες στο γερμάνιο και το πλάτος της απαγορευμένης ζώνης είναι χαμηλότερο από εκείνο του πυριτίου. Είναι επίσης γνωστό ότι η πτώση τάσης στη σύνδεση pn είναι 0.1-0.3 V και στο np είναι 0, 6, 0.7 V, από την οποία μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι το γερμάνιο είναι πολύ καλύτερο "αγωγό" από το πυρίτιο, Συνεπώς, ο καταρράκτης πολλαπλασιασμού στο τρανζίστορ pnp έχει σημαντικά χαμηλότερες απώλειες ενέργειας από την ηχητική από την ανάλογη στην npn. Ανακύπτει το ερώτημα: γιατί διακόπτεται η απελευθέρωση των ημιαγωγών γερμανίου; Πρώτα απ 'όλα, επειδή σύμφωνα με ορισμένα κριτήρια, το Si είναι πολύ προτιμότερο, δεδομένου ότι μπορεί να λειτουργεί σε θερμοκρασίες μέχρι 150 μοίρες. (Ge - 85), και οι ιδιότητες συχνότητας είναι ασύγκριτα καλύτερες. Ο δεύτερος λόγος είναι καθαρά οικονομικός. Τα αποθέματα πυριτίου στον πλανήτη είναι σχεδόν απεριόριστα, ενώ το γερμάνιο είναι ένα μάλλον σπάνιο στοιχείο, η τεχνολογία παραγωγής και καθαρισμού του οποίου είναι πολύ πιο ακριβή.

Εν τω μεταξύ, τα πλεονεκτήματα του πυριτίου που αναφέρθηκαν παραπάνω δεν είναι απολύτως προφανή για χρήση στον οικιακό εξοπλισμό ήχου και οι ιδιότητες του γερμανού, αντίθετα, είναι εξαιρετικά ελκυστικές. Επιπλέον, στη χώρα μας, τρανζίστορ γερμανίου, αν και σωρούς, και οι τιμές τους είναι γελοίες. **

** Προβλέπω ότι μετά την απελευθέρωση αυτού του άρθρου, οι τιμές στις αγορές ραδιοφώνου ενδέχεται να πηδήσουν, όπως συνέβη ήδη με ορισμένους τύπους λαμπτήρων και μικροκυκλωμάτων - Περίπου. ed.

Έτσι, ας προχωρήσουμε στην εξέταση των κυκλωμάτων ενισχυτών σε ημιαγωγούς γερμανίου. Αλλά πρώτα υπάρχουν αρκετές αρχές, η τήρηση των οποίων είναι εξαιρετικά σημαντική για την απόκτηση πραγματικά υψηλής ποιότητας ήχου.

1. Δεν θα πρέπει να υπάρχει ημιαγωγός πυριτίου στο κύκλωμα του ενισχυτή.
2. Η εγκατάσταση πραγματοποιείται με ογκομετρική μέθοδο, με μέγιστη χρήση των ευρημάτων των ίδιων των εξαρτημάτων. Οι πίνακες τυπωμένων κυκλωμάτων υποβαθμίζουν σημαντικά τον ήχο.
3. Ο αριθμός των τρανζίστορ στον ενισχυτή πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερος.
4. Τα τρανζίστορ πρέπει να επιλέγονται σε ζεύγη όχι μόνο για τον άνω και κάτω βραχίονες της βαθμίδας εξόδου, αλλά και για τα δύο κανάλια. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να επιλέξετε 4 αντίγραφα με ενδεχομένως κοντινές τιμές h21e (τουλάχιστον 100) και ελάχιστο Iko.
5. Ο πυρήνας ενός μετασχηματιστή ισχύος είναι κατασκευασμένος από πλάκες W με διατομή τουλάχιστον 15 cm2. Είναι πολύ επιθυμητό να παρέχεται μία περιέλιξη της οθόνης η οποία θα πρέπει να είναι γειωμένη.

Σχέδιο №1, μινιμαλιστικό

Η αρχή δεν είναι νέα, τέτοια κυκλώματα ήταν πολύ δημοφιλή στη δεκαετία του εξήντα. Κατά τη γνώμη μου, αυτή είναι σχεδόν η μόνη διαμόρφωση ενός ενισχυτή χωρίς μετασχηματιστή, που αντιστοιχεί σε ακροφιλικούς κανόνες. Λόγω της απλότητας του, επιτρέπει την επίτευξη υψηλής ποιότητας ήχου με ελάχιστο κόστος. Από τον συγγραφέα, προσαρμόστηκε μόνο στις σύγχρονες απαιτήσεις του High End Audio.

Η εγκατάσταση του ενισχυτή είναι πολύ απλή. Καταρχάς, εγκαταστήστε την αντίσταση R2 κατά το ήμισυ της τάσης τροφοδοσίας στο "μείον" του πυκνωτή C7. Στη συνέχεια επιλέγουμε το R13 έτσι ώστε το χιλιοστόμετρο που είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα συλλέκτη των τρανζίστορ εξόδου να δείχνει ένα ρεύμα ανάπαυσης 40-50 mA, όχι περισσότερο. Όταν ένα σήμα εφαρμόζεται στην είσοδο, θα πρέπει να βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχει αυτο-διέγερση, αν και είναι απίθανο. Εάν, ωστόσο, εμφανίζονται σημάδια γενιάς RF στην οθόνη ταλαντωτή, δοκιμάστε να αυξήσετε την χωρητικότητα του πυκνωτή C5. Για τη σταθερή λειτουργία του ενισχυτή όταν αλλάζει η θερμοκρασία, οι δίοδοι VD1, 2 πρέπει να λιπαίνονται με θερμικά αγώγιμη πάστα και να πιέζονται εναντίον ενός από τα τρανζίστορ εξόδου. Τα τελευταία τοποθετούνται σε νεροχύτες θερμότητας με εμβαδόν τουλάχιστον 200 cm2.

Σχέδιο №2, βελτιωμένο

Στο πρώτο σχήμα, υπήρχε ένα σχεδόν συμπληρωματικό στάδιο παραγωγής, καθώς πριν από 40 χρόνια η βιομηχανία δεν παρήγαγε τρανζίστορ γερμανίου υψηλής ισχύος με μια δομή n-p-n. Τα συμπληρωματικά ζεύγη GT703 (pnp) και GT705 (npn) εμφανίστηκαν μόνο στη δεκαετία του '70, γεγονός που επέτρεψε τη βελτίωση του σχήματος της φάσης εξόδου. Αλλά ο κόσμος δεν είναι τελείως τέλειος - για τους παραπάνω τύπους, το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη είναι μόνο 3,5 A (για P217B Ik max = 7,5 A). Ως εκ τούτου, μπορούν να εφαρμοστούν στο πρόγραμμα μόνο τοποθετώντας δύο στον ώμο. Αυτό, στην πραγματικότητα, διαφέρει στον αριθμό 2, εκτός από το ότι η πολικότητα του τροφοδοτικού είναι αντίθετη. Και ο ενισχυτής τάσης (VT1), αντίστοιχα, εφαρμόζεται σε ένα τρανζίστορ διαφορετικής αγωγιμότητας.

Το κύκλωμα ρυθμίζεται με τον ίδιο τρόπο, ακόμα και το ρεύμα ηρεμίας της βαθμίδας εξόδου είναι το ίδιο.

Συνοπτικά σχετικά με την παροχή ρεύματος

Για να έχετε υψηλή ποιότητα ήχου, θα πρέπει να αναζητήσετε 4 B D515 diodes γερμάνιο στους κάδους. Άλλοι αποθαρρύνονται έντονα. Συνδέουμε τους με μία γέφυρα, μαρμαρυγία KSO 0,01 μF και στη συνέχεια βάζουμε 8 πυκνωτές 1000 μF X 63 V (το ίδιο K50-29 ή Philips), οι οποίοι επίσης διακλαδίζουν το μαρμαρυγία. Δεν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η χωρητικότητα - η τonal ισορροπία κατεβαίνει, ο αέρας χάνεται.

Οι παράμετροι και των δύο κυκλωμάτων είναι περίπου ίδιες: ισχύς εξόδου 20 W με φορτίο 4 Ohm με παραμόρφωση 0,1 - 0,2%. Φυσικά, αυτοί οι αριθμοί λένε ελάχιστα για τον ήχο. Είμαι σίγουρος για ένα πράγμα - έχοντας ακούσει έναν ενισχυτή που είναι καλά κατασκευασμένος σύμφωνα με ένα από αυτά τα κυκλώματα, είναι απίθανο να επιστρέψετε στα τρανζίστορ πυριτίου.

Απρίλιος 2003

Από το Editor:

Ακούσαμε το πρωτότυπο του Jean για την πρώτη έκδοση του ενισχυτή. Η πρώτη εντύπωση είναι ασυνήθιστη. Ο ήχος είναι εν μέρει τρανζίστορ (καλός έλεγχος φορτίου, καθαρό μπάσο, πειστική κίνηση), μερικώς σωλήνας (χωρίς δυσκαμψία, αέρα, λιχουδιά, αν θέλετε). Ο ενισχυτής ανάβει, αλλά δεν ερεθίζει την εισβολή. Η ισχύς είναι αρκετή για να στρέψει την ακουστική του δαπέδου με ευαισθησία 90 dB στον αφόρητο όγκο χωρίς τα παραμικρά σημάδια αποκοπής. Αυτό που είναι ενδιαφέρον - η ισορροπία τόνου στα διάφορα επίπεδα σχεδόν δεν αλλάζει.

Αυτό είναι το αποτέλεσμα της καλά σχεδιασμένης κατασκευής και προσεκτικά επιλεγμένων τμημάτων. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ένα σύνολο τρανζίστορ θα κοστίσει πενήντα ρούβλια (αν και, αν δεν είστε πολύ τυχεροί, μπορεί να χρειαστούν αρκετές δεκάδες για να πάρουν ζεύγη, ανάλογα με το ποια παρτίδα θα λάβετε), μην εξοικονομήσετε άλλα στοιχεία, ειδικά πυκνωτές.

Κυριολεκτικά σε μερικές ώρες, ένα κανάλι ενισχυτή συναρμολογήθηκε στο breadboard για την ανάλυση του κυκλώματος. Η έξοδος ήταν εγκατεστημένη τρανζίστορ αμερικανικού γερμανίου Altec AU108 με συχνότητα ορίου 3 MHz. Ταυτόχρονα, το εύρος ζώνης των 0,5 dB ήταν 10 Hz - 27 kHz, η παραμόρφωση σε ισχύ 15 W ήταν περίπου 0,2%. Η 3η αρμονική κυριάρχησε, αλλά παρατηρήθηκαν εκπομπές υψηλότερων παραγγελιών, μέχρι τον 11ο. Με τα τρανζίστορ GT-705D (Fgr. = 10 kHz), η κατάσταση ήταν κάπως διαφορετική: η ζώνη περιορίστηκε στα 18 kHz, αλλά δεν υπήρχαν ορατές αρμονικές πάνω από την 5η στην οθόνη του αναλυτή. Ο ήχος έχει αλλάξει επίσης - έχει γίνει κάπως θερμότερο, μαλακό, αλλά το προηγούμενο αφρώδες "ασημένιο" έχει ξεθωριάσει. Επομένως, η πρώτη επιλογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ακουστική με "μαλακό" βομβητή, και η δεύτερη - με πομπούς τιτανίου ή πιεζοηλεκτρικά. Η φύση της παραμόρφωσης εξαρτάται από την ποιότητα των πυκνωτών C7 και C6 στα κυκλώματα 1 και 2, αντίστοιχα. Αλλά η απομάκρυνσή τους με μίκα και μεμβράνη δεν είναι πολύ αισθητή από το αυτί.

Τα μειονεκτήματα του κυκλώματος περιλαμβάνουν μια μικρή σύνθετη αντίσταση εισόδου (περίπου 2 kΩ στην ανώτερη θέση του ρυθμιστή έντασης), η οποία μπορεί να υπερφόρτωσε το ρυθμιστικό εξόδου της πηγής σήματος. Το δεύτερο σημείο - το επίπεδο της παραμόρφωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο λειτουργίας του πρώτου τρανζίστορ. Για να αυξηθεί η γραμμικότητα του σταδίου εισόδου, είναι λογικό να εισαχθούν δύο πρόσθετα βολτ για την τροφοδοσία του κυκλώματος συλλέκτη και εκπομπού Τ1. Για αυτό, γίνονται δύο πρόσθετοι ανεξάρτητοι σταθεροποιητές με τάση εξόδου 3 V. Το "συν" ενός συνδέεται με το δίαυλο ισχύος - 40 V (όλες οι επεξηγήσεις δίνονται για το κύκλωμα 1, για το άλλο κύκλωμα αντιστρέφεται η πολικότητα) και το "μείον" τροφοδοτείται στην ανώτερη έξοδο R4 . Ο αντιστάτης R7 και ο πυκνωτής C6 εξαιρούνται από το κύκλωμα. Η δεύτερη πηγή περιλαμβάνεται ως εξής: "μείον" στη γείωση, και "συν" - στα κατώτερα τερματικά των αντιστάσεων R3 και R6. Ο πυκνωτής C4 παραμένει μεταξύ του πομπού και του εδάφους. Μπορεί να αξίζει τον πειραματισμό με τη σταθεροποιημένη διατροφή. Οποιεσδήποτε αλλαγές στην παροχή ρεύματος και στο κύκλωμα του ενισχυτή επηρεάζουν ριζικά τον ήχο, γεγονός που ανοίγει ευρείες δυνατότητες για μικροαλλαγές.

Σε όλες τις αντικαταστάσιμες μονάδες δέκτη και στις πιθανές παραλλαγές τους, χρησιμοποιήθηκαν μόνο τρανζίστορ γερμανίου στην κύρια δομή. pnpΜόνο στο στάδιο εξόδου push-pull ενός ενισχυτή συχνότητας ήχου χωρίς μετασχηματιστή (μπλοκ 5) ήταν μία από τις δομές των τρανζίστορ npnΤα τρανζίστορ γερμάνιου έχουν κερδίσει από καιρό δημοτικότητα μεταξύ των ραδιοερασιτεχνών και χρησιμοποιούνται ευρέως από αυτούς στον σχεδιασμένο εξοπλισμό. Επιπλέον, οι τιμές τους μειώθηκαν σημαντικά τελευταία, είναι σχεδόν πάντα στα καταστήματα ραδιοφωνικών ειδών, στις εμπορικές βάσεις Pysyltorg και Tsentrosoyuz, από όπου μπορούν να εκδοθούν ταχυδρομικώς.

Σήμερα όμως, όπως και χωρίς προοπτικές, τα τρανζίστορ γερμάνιου καθίστανται ολοένα και πιο κοντά στον ραδιοεξοπλισμό, συμπεριλαμβανομένων των ερασιτεχνικών τρανζίστορ πυριτίου. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι συσκευές και οι συσκευές σε τρανζίστορ πυριτίου λειτουργούν σε διαφορετικές συνθήκες πιο σταθερές. Σε αυτό μπορούμε να προσθέσουμε ότι η απελευθέρωση τρανζίστορ πυριτίου συνεχώς επεκτείνεται και το γερμάνιο μειώνεται.

Από αυτή την άποψη, μπορεί να έχετε μια ερώτηση: είναι δυνατόν να αντικαταστήσετε τα τρανζίστορ γερμάνιο στα εναλλάξιμα μπλοκ του περιγραφέντος δέκτη με αυτά πυριτίου; Είναι δυνατόν, αλλά, φυσικά, λαμβάνοντας υπόψη ορισμένα από τα χαρακτηριστικά τους.

Το πιο χαρακτηριστικό χαρακτηριστικό των τρανζίστορ πυριτίου είναι η υψηλότερη τάση πόλωσης στην οποία ανοίγουν. Τρανζίστορ γερμάνιο, όπως γνωρίζετε, ανοίγουν όταν η τάση στον πομπό rpμετάβαση 0,1 ... 0,2 V και πυρίτιο σε τάση 0,6 ... 0,7 V. Αυτό σημαίνει ότι, με βάση ένα τρανζίστορ πυριτίου που λειτουργεί σε κατάσταση κέρδους, σε σχέση με τον πομπό θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,6 V. Σε περισσότερα το τρανζίστορ πυριτίου χαμηλής τάσης μεροληψίας θα παραμορφώσει το ενισχυμένο σήμα. Ένας τέτοιος αρχικός τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ πυριτίου ρυθμίζεται, όπως και το γερμάνιο ένα, με κατάλληλη επιλογή της αντίστασης στο κύκλωμα βάσης.

Το Σχ. 47. Κύκλωμα ενισχυτή ήχου (τετραγωνίδιο 6) σε τρανζίστορ πυριτίου

Τα περισσότερα τρανζίστορ πυριτίου έχουν δομή npnΑυτό σημαίνει ότι η αντικατάσταση του γερμανού σε μπλοκ pnpτρανζίστορ πυριτίου npnτα τρανζίστορ πρέπει να αλλάξουν όχι μόνο την πολικότητα της πηγής ισχύος, αλλά και την πολικότητα της συμπερίληψης ηλεκτρολυτικών πυκνωτών.

Αυτό, στην πραγματικότητα, είναι το κύριο πράγμα που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την αντικατάσταση τρανζίστορ γερμανίου με πυριτίου. Όσο για την κατασκευή των διαγραμμάτων μπλοκ, τις τάσεις τροφοδοσίας, ουσιαστικά δεν αλλάζουν.

Για παράδειγμα στο σχ. Το Σχ. 47 είναι ένα δομικό διάγραμμα ενός 6 - ίδιου ενισχυτή συχνότητας ήχου χωρίς μετασχηματιστή, αλλά σε τρανζίστορ πυριτίου. Πώς διαφέρει από το σχήμα μπλοκ σε τρανζίστορ γερμανίου (βλ. Εικ. 38); Κυρίως από την πολικότητα της ενεργοποίησης του ηλεκτρικού ρεύματος και των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών. Τρανζίστορ 6 V1, 6V2και 6 V3- npn, 6V4- pnp, τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ 6 V1ρυθμίστε την επιλογή μιας αντιστάσεως 6 R1.Η τάση στη διασταύρωση των τρανζίστορ εκπομπού 6 V3και 6 V4(σημείο συμμετρίας της βαθμίδας εξόδου push-pull), ίσο με το ήμισυ της τάσης της πηγής ισχύος, ρυθμίζεται επιλέγοντας μία αντίσταση 6 R4, καιρεύμα συλλέκτη τρανζίστορ 6 V3,ίσο με 3 ... 4 mA, την επιλογή μιας αντίστασης 6 R7.

Δώστε προσοχή στην ένταξη ενός αντιστάτη 6 R6και δυναμικές κεφαλές 1Β1.Στο περιγραφόμενο 1! μπλοκάρει σε τρανζίστορ γερμανίου, ένας τέτοιος αντιστάτης συνδέθηκε άμεσα με το αρνητικό και το κεφάλι με τους θετικούς αγωγούς της πηγής ισχύος. Και εδώ η κεφαλή συνδέεται με τον θετικό αγωγό της πηγής ισχύος, επομένως η πολικότητα της ενεργοποίησης του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή έχει αλλάξει 6C5και την αντίσταση 6 R6συνδεδεμένο με το σημείο σύνδεσης της κεφαλής με αυτόν τον πυκνωτή. Με αυτή τη μέθοδο ενεργοποίησης αυτής της αντίστασης διαμέσου αυτής από το κύκλωμα εξόδου προς το κύκλωμα βάσης των τρανζίστορ της βαθμίδας εξόδου τροφοδοτείται το λεγόμενο πρόσθετο βολτ - μια μικρή τάση ακουστικής συχνότητας, εξισώνοντας τις συνθήκες εργασίας των τρανζίστορ.

Σε όλες τις μονάδες, αντί υψηλής συχνότητας και χαμηλής συχνότητας χαμηλής ισχύος pnpτα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται καλύτερα npnΤρανζίστορ σειράς KT315 με αναλογία μεταφοράς στατικού ρεύματος 80 ... 100, αντί για npnτο τρανζίστορ στο μπλοκ 6 (MP37) - pnpΤρανζίστορ σειράς KT361. Στο στάδιο εξόδου του ενισχυτή ήχου αυξημένης ισχύος (Εικ. 40) pnpτα τρανζίστορ-P602 μπορούν να αντικατασταθούν npnτα τρανζίστορ K.T601, KT602, KT603 με οποιαδήποτε; δείκτη επιστολών.

Πριν ξεκινήσετε την εγκατάσταση ενός μπλοκ, διορθώστε την ιδέα του με τις συστάσεις που δίνονται εδώ. Αυτό θα αποτρέψει τα σφάλματα και ακόμη και πιθανές ζημιές στα τρανζίστορ.