Τεχνολογία εξαρτήματος: τρανζίστορ

Γενικά για το τρανζίστορ

Το τρανζίστορ ανακαλύφθηκε το 1948 από τους J. Bardeen και W. Brattain στα εργαστήρια της αμερικάνικης εταιρείας τηλεπικοινωνιών Bell. To 1956 αυτοί μαζί με τον συνεργάτη τους W. Shockley που διατύπωσε την θεωρία του τρανζίστορ επαφής, τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel. Πράγματι, το τρανζίστορ είναι μια επαναστατική εφεύρεση, που έχει αλλάξει τον τρόπο ζωής μας, αφού είναι το βασικό δομικό κομμάτι των ηλεκτρονικών συσκευών που κυκλοφορούν σήμερα, από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, τα κινητά έως τους ραδιοτηλεοπτικούς δέκτες.

Το διπολικό τρανζίστορ επαφής BJT

Το τρανζίστορ BJT αποτελείται από τρεις περιοχές ημιαγωγών τύπου Ν και τύπου P εναλλάξ. Προκύπτουν δυο συνδιασμοί το τρανζίστορ ΝΡΝ και το ΡΝΡ. Αυτός ο τύπος τρανζίστορ, αποτελείται από τον εκπομπό στο ένα άκρο του, που είναι ένας ημιαγωγός έντονα εμπλουτισμένος, που έχει την ιδιότητα να εκπέμπει φορείς προς τη βάση που αποτελεί το ενδιάμεσο τμήμα. Η βάση για το λόγο ότι είναι λεπτή και λιγότερο εμπλουτισμένη διαχέει τους φορείς που προέρχονται από τον εκπομπό προς το συλλέκτη, που αποτελεί το άλλο άκρο του τρανζίστορ.

Στην κανονική λειτουργία του τρανζίστορ η επαφή του εκπομπού είναι ορθά πολωμένη ενώ η επαφή του συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη. Στη λειτουργία του τρανζίστορ, μια μικρή μεταβολή στο ρεύμα βάσης προκαλεί μια μεγάλη μεταβολή στο ρεύμα συλλέκτη και έτσι προκύπτει η ενισχυτική δράση του τρανζίστορ. Μια χαρακτηριστική παράμετρος του τρανζίστορ είναι το βήτα β για την οποία ισχύει  Ι_C =βI_B , όπου Ι_C είναι το ρεύμα συλλέκτη και Ι_Β το ρεύμα της βάσης.

Το τρανζίστορ κατασκευάζεται σε διάφορους τύπους ανάλογα το υλικό κατασκευής π.χ. γερμάνιο παλαιότερα ή πυρίτιο, σαν τρανζίστορ γενικής χρήσης ή σαν τρανζίστορ ισχύος, επίσης ορισμένοι τύποι κατασκευάζονται για να λειτουργούν στις υψηλές συχνότητες. Το τρανζίστορ κατασκευάζεται με διάφορους μεθόδους π.χ. τρανζίστορ ανάπτυξης, κράματος, planar, epitaxial κ.τ.λ. και περικλείεται σε διάφορες συσκευασίες.

Κατασκευή των τρανζίστορ

Μέθοδος ανάπτυξης

Ένα κομμάτι κρυστάλλου καθαρού ημιαγωγού πυριτίου, βυθίζεται σε τήγμα ημιαγωγού με προσμίξεις. Στη συνέχεια αυτό το κομμάτι περιστρέφεται ενώ ταυτόχρονα ανυψώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ανυψώνει και υλικό του λιωμένου ημιαγωγού που στερεοποιείται καθώς ψύχεται. Στη συνέχεια αφού λειανθεί το κάτω μέρος ο κρύσταλλος βυθίζεται και πάλι σε τήγμα ημιαγωγού αντίθετου τύπου. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται συνεχώς ώσπου να δημιουργηθεί ένας κύλινδρος ημιαγωγού με διαδοχικές περιοχές P και Ν. Στο τέλος ο κρύσταλλος τεμαχίζεται σε κομμάτια NPN ή PNP. Έπειτα συγκολλούνται οι ακροδέκτες σε κάθε κομμάτι και τοποθετούνται σε θήκη όπου αναγράφονται τα στοιχεία του τρανζίστορ.

Μέθοδος κράματος

Πάνω στις δυο απέναντι πλευρές μιας λεπτής πλάκας ημιαγωγού τύπου Ν, τοποθετείται μικρή ποσότητα από κράμα τρισθενούς στοιχείου. Η διάταξη αυτή θερμαίνεται στους 600^ο C. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το κράμα τρισθενούς στοιχείου να εισχωρήσει στη μάζα της λεπτής πλάκας σχηματίζοντας τμήμα ημιαγωγού τύπου Ρ. Στη συνέχεια η διάταξη ψύχεται ενώ ταυτόχρονα στερεώνονται οι ακροδέκτες.

Μέθοδος Plannar

Η μέθοδος Planar είναι η επικρατούσα μέθοδος για την παραγωγή τρανζίστορ καθώς και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Λεπτό στρώμα ημιαγωγού πυριτίου τύπου Ν τοποθετείται σε φούρνο θερμοκρασίας 1200^ο C ενώ ταυτόχρονα διαβιβάζεται οξυγόνο ή υδρατμοί. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να οξειδωθεί το πυρίτιο και να δημιουργηθεί στην επιφάνεια του διοξείδιο του πυριτίου SiO₂ που είναι άριστο μονωτικό (σχήμα 1).

Στη συνέχεια τοποθετείται με φωτοχημική μέθοδο μάσκα προστασίας πάνω στην επιφάνεια SiO₂ (σχήμα 2). Το τμήμα του οξειδίου SiO₂ που έχει μείνει ακάλυπτο από τη μάσκα αφαιρείται με ειδική χημική επεξεργασία με οξέα (σχήμα 3). Η αφαίρεση επιλεκτικών τμημάτων οξειδίου SiO₂ με τοποθέτηση μάσκας και χρήση οξέων ονομάζεται φωτολιθογραφική μέθοδος.

Στη συνέχεια, στο τμήμα που έχει αφαιρεθεί το SiO₂ διαχέονται προσμίξεις τρισθενών στοιχείων και έτσι δημιουργείται μια περιοχή τύπου Ρ (σχήμα 4).

Έπειτα η διάταξη τοποθετείται σε φούρνο ενώ ταυτόχρονα διαβιβάζεται ταυτόχρονα οξυγόνο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να καλυφθεί η περιοχή Ρ με ένα λεπτό στρώμα οξειδίου SiO₂ (σχήμα5). Αμέσως μετά αφαιρείται με τη βοήθεια καινούργια μάσκας τμήμα του οξειδίου SiO₂ και διαχέεται στο ακάλυπτο τμήμα πεντασθενείς προσμίξεις που σχηματίζουν μια περιοχή τύπου Ν (σχήμα 7).

Στην συνέχεια δημιουργούνται ανοίγματα στο οξείδιο SiO₂ που βρίσκονται πάνω από τα τμήματα του συλλέκτη, της βάσης και του εκπομπού και τοποθετούνται ακροδέκτες από αλουμίνιο (σχήμα 8).

Η μέθοδος Epitaxial

Η παραγωγή τρανζίστορ με τη μέθοδο epitaxial είναι όμοια με τη μέθοδο plannar με τη διαφορά ότι τα τρανζίστορ κατασκευάζονται πάνω σε λεπτή πλάκα (υπόστρωμα) ημιαγωγού με μεγάλη πυκνότητα προσμίξεων τύπου Ν.

Το τρανζίστορ MOSFET

Η λειτουργία του τρανζίστορ MOSFET βασίζεται στη δημιουργία ενός καναλιού συνήθως Ν στα άκρα του οποίου είναι συνδεμένοι οι ακροδέκτες της πηγής και του απαγωγού. Ο ακροδέκτης της πύλης ακροδέκτης βρίσκετε πάνω στο κανάλι και μονωμένος από αυτό. Μια τάση V_DD εφαρμόζεται μεταξύ πηγής και απαγωγού, η οποία προκαλεί κίνηση φορέων μέσα στο κανάλι. Μια πηγή τάσης συνδέεται μεταξύ της πύλης και της πηγής. Η Μεταβολή αυτής της τάσης της πύλης έχει ως αποτέλεσμα τη πύκνωση ή την αραίωση των φορέων μέσα στο κανάλι και τελικά τη έχουμε τη ρύθμιση του ρεύματος του ρεύματος στο κανάλι μεταξύ πηγής και απαγωγού.

Διακρίνουμε δυο τύπους MOSFET ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής και λειτουργίας τους α) Το MOSFET πύκνωσης και το β)MOSFET αραίωσης

Κατασκευή MOSFET πύκνωσης και αραίωσης

Για την κατασκευή του MOSFET πύκνωσης χρησιμοποιείται ένα υπόστρωμα τύπου Ρ που δημιουργούνται με διάχυση δυο περιοχές τύπου Ν. Στη συνέχεια η διάταξη μπαίνει σε φούρνο με ατμόσφαιρα οξυγόνου οπότε καλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα SiO₂. Έπειτα με φωτοχημικές διεργασίες αφαιρείται τμήμα του SiO₂ που καλύπτει τα τμήματα Ν οπότε δημιουργούνται οι επαφές της πηγής και του απαγωγού με αλουμίνιο. Επίσης δημιουργείται και ο ακροδέκτης της πύλης μονωμένος πάνω από το κανάλι. Έτσι δημιουργείται το MOSFET πύκνωσης όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Στη λειτουργία του MOSFET πύκνωσης μια θετική τάση εφαρμόζεται μεταξύ απαγωγού και πηγής, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Για να δημιουργηθεί ρεύμα πρέπει να εφαρμόσουμε μια θετική τάση στη πύλη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την έλξη φορέων στο κανάλι και τη δημιουργία ρεύματος. Αύξηση της θετικής τάσης της πύλης έχει ως αποτέλεσμα την πύκνωση των φορέων στο κανάλι και έτσι την αύξηση του ρεύματος στη διάταξη.

Για την κατασκευή του MOSFET αραίωσης πάνω σε ένα υπόστρωμα δημιουργούνται δυο περιοχές τύπου Ν που θα αποτελέσουν την πηγή και τον απαγωγό. Μεταξύ αυτών των δυο περιοχών δημιουργείται μια λεπτή περιοχή τύπου Ν με μικρότερο ποσοστό προσμίξεων που θα αποτελέσει το κανάλι του MOSFET. Στη συνέχεια καλύπτεται με στρώμα οξειδίου SiO₂ τμήματα του οποίου αφαιρούνται από τις περιοχές της πηγής και του απαγωγού και έπειτα δημιουργούνται οι επαφές από αλουμίνιο. Επίσης δημιουργείται και ο ακροδέκτης της πύλης μονωμένος πάνω από το κανάλι. Έτσι δημιουργείται το MOSFET αραίωσης όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Στη λειτουργία του MOSFET αραίωσης μια θετική τάση εφαρμόζεται μεταξύ απαγωγού και πηγής και έτσι δημιουργείται ένα ρεύμα στη διάταξη από την πηγή προς τον απαγωγό μέσα από το κανάλι τύπου Ν, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Στη συνέχεια πολώνουμε αρνητικά την πύλη ως προς την πηγή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το ηλεκτρόδιο της πύλης να ωθήσει τους φορείς του καναλιού (ηλεκτρόνια) κάτω στο υπόστρωμα και το κανάλι να αραιώσει από φορείς. Αυτό επιφέρει μείωση του ρεύματος απαγωγού. Με μεταβολή της τάσης πύλης έχουμε ρύθμιση του ρεύματος πηγής - απαγωγού. Έτσι μείωση της τάσης της πύλης έχουμε μείωση του ρεύματος της διάταξης ή με μεταβολή της τάσης πύλης προς θετικές τιμές έχουμε αύξηση των ηλεκτρονίων στο κανάλι με συνέπεια την αύξηση του ρεύματος μεταξύ πηγής και απαγωγού.