半导体晶体管器件的最新发展和应用

半导体器件工业近年来已成为电子工业中很重要的一项。全世界的生产总量增加的速度非常快，据推测到1965年左右半导体晶体管的总产量就可以超过电子管的总产量。各国都对此非常重视，如苏联在最近发展国民经济的七年计划中，也曾提到“苏联的物理学家的努力将集中于研究宇宙线、核反应、半导体的问题”。

目前已经在大量生产的半导体器件有：微波的检波及混频晶体二极管，电子计算机中用的锗和硅的晶体二极管，硅、硒和氧化铜整流器，锗和硅的晶体三极管，热敏电阻，光敏电阻，非线性铁电元件等。本文所介绍的是在以上所述器件以外的几种新的锗和硅晶体管器件。

在分别叙述这几种新器件之前，我们先谈一谈近年来晶体管发展的总的情况。最初当晶体三极管刚发明不久的时候，工类上主要是从事于点接触三极管的生产，后来发现点接触三极管的制造较难控制，其均匀性及稳定性也成问题；由于面接触的合金管和生长管在这些方面具有优越性，因而一般工业都集中力量来制造面接触合金管和生长管。经过近几年来的大量生产和应用，证明合金管的确是一种成本低稳定性好而应用相当广的器件。在合金管的制造过程中需要把半导体和一些三价或五价的元素“合金’起来。当我们对晶体管在功率、频率或开关速度作进一步的要求的时候，“合金”的方法就不够精细了。大约三年以前，科学家开始采用“扩散”方法来制造晶体管，把三价或五价的元素用气态或液态的状况而“扩散”到半导体里去。扩散的时间可以长至十数小时，和“合金”法的几分钟比起来就长得多，因而控制也精细得多。我们下面所要介绍的新器件就大部分是用“扩散”法制造的。不过用“扩散”法制造的成本要比“合金”法高，所以一般特性要求较低的器件仍以“合金”法为合适。用扩散法制成的晶体管，它的频率特性仍不能高于一千兆周，在一千兆周以上一般的努力是在三极管以外的晶体管，如参数放大器。另一方面因为制造技术的改进，晶体管的成品率已可提高到70－80％，所以最近一年中对把几个晶体管做在—块半导体上的研究工作也在发展起来。以下我们将简略地介绍这几方面具体器件的情况。

合金管的电流放大系数（α)截止频率只能达到20兆周。而在无线电收音机、电视、以及一些军事设备中，往往需要高频性能较好的器件，漂移管就是适应这种需要而产生的。这种管子是用合金及扩散法制成的，所用的锗片是电阻率较高的本征型或I型的锗。它的构造与合金管相似，如图1。由于用了扩散法所以基层很薄，电流放大系数截止频率可达30至100兆周。又因为用了本征型的锗，收集极的电容量很小，可小至两个微微法以下。最适用于465千周至50兆周的小信号应用。在465千周或1.5兆周功率增益可达45分贝，在50兆周功率增益可达15分贝。在脉冲线路中使用时，必须注意到它在低偏压（3至5状以下）及高电流（5毫安以上）时的频率特性的减低会使“开关速度”减慢的因素，并须注意到它的发射极反向击穿电压只可达3至5伏。这项管子在世界上已大量生产，并已大量应用。

这项晶体管也包括锗和硅的高频率及大功率管。它的构造如图2。发射极和基极是用合金或蒸发扩散法加在一个台面上，基层是由扩散法制成，而台面的面积决定收集极的电容。所用锗和硅在放大及开关器件中选用低电阻率材料，在振荡及高压器件中则选用高电阻率的。一些已在大量生产的锗小功率管，它的电流放大系数截止频率可达600兆周（实验室可制达1000兆周者），基极电阻约35欧，收集极电容约1微微法。在400兆周这种管子可振荡而输出40毫瓦（效率达25％），在100兆周功率增益可达16分贝，用在电子计算机或其他自动控制系统中的脉冲开关速度可快至19毫微秒以下。另外一种硅的高频率管在10兆周可输出5瓦在100兆周可输出1瓦。台面型扩散管的类型很多，以上所举只是两个主要的例子。

锗PNP：音频大功率管（2瓦至5瓦）已在1956年左右大量生产。此后在功率、电流及使用温度方面仍在不断地进行改进。目前锗音频功率管已可在管套温度保持在25℃时输出功率50瓦,最高电流可达5安培以上。硅的NPN功率管最高贮藏温度已可达170℃，而在管套温度保持在100℃时仍可输出25瓦。此外尚有锗的NPN音频功率管可与锗的PNP音频功率管合用于互补的线路以得到特殊的功效。一般音频大功率管用于音频的输出级,电源整流，电压稳定器，直流变压器，继电器控制或其他工业控制方面。

以上所述的音频大功率管的缺点之一是频率范围低，因而用在脉冲线路时开关速度慢（30至40微秒以上）。利用雪崩击穿及电流放大系数随电流而增加的物理现象可制成二端四层的PNPN晶体管开关。这种开关可通过大电流而开关速度快。如锗的大功率二端开关可通25安培而开关速度可快至0.1微秒。硅的大功率二端开关可通50安培而开关速度可达4微秒。这类器件和闸流管性能相似（特性曲线见图3），但是体积小（约五立方厘米）、牢固、寿命长，适宜于自动化控制及工业控制。

利用同样物理原理亦可制成小功率的硅四层二极管，可以代管电话交换机中的交叉点继电器，亦可用于电子计算机中。

此类器件目前已有较小规模的生产。

合金管收集极的反向电压击穿往往是属于雪崩现象。如果把雪崩式合金管的基极电流控制成反向恒流则收集极的输入特性即可有负电阻的现象。利用这种负电阻现象可以设计脉冲快速开关线路，其开关速度可快达一毫微秒左右。

用扩散法亦可制造低电压(二伏至八伏)雪崩击穿的二极管。其电流电压特性曲线如图4。在设计电子计算机所用的快速“与门”及“或门”时，我们可以利用这种晶体管的击穿区域为导电状态，而用反向电流饱和区域为不导电状态，这样设计的线路，脉冲宽度可窄至0.1微秒，并可避免使用正向区域为导电状态时所有的波形畸变或反面恢复延迟的缺点。因用扩散法制造成品率高，将来的发展前途很大。

在一千兆周至微波频率范围必须用晶体三极管以外的器件。目前在这方面发展最有希望的器件之一是参数放大器。

半导体参数放大器是一种二极管，它的特点是这种二极管的串联电阻低(小于5欧）、电容小（2至3微微法）而Q高。可用金键法或扩散法制造，材料可用锗或硅。其应用原理是利用它的电容随高频（一千兆周以上）偏压改变的非线性而发生的能量转换。在室温情况下，可以放大或上变频一千兆周以上至微波频率范围的信号，频宽可达八至十兆周。它的最大优点是噪音很低。与其他器件不同之处，是必须应用高频电源来供给能量。

目前此种器件已有小量生产，但设计理论及微波线路设计尚在探索阶段。

在一块锗片或硅片上制造几个晶体管并利用晶体管间的锗或硅作耦合电阻等，则可设计一种极小型的固体线路，如双稳开关、中频放大、位移记忆器、逻辑线路等。由于晶体管成品率的增高，这种器件发展的可能性最近已有很大的增加。

另外一种固体线路如图5所示。它是用蒸发扩散或印刷的办法把晶体管、电容、电感及电阻等做在—个约一平方厘米的小薄片上，薄片的每边有三个小半圆形的缺口，以便接线用。把相隔一定距离的几片薄片用导线在缺口处叠焊起来，作成一种极小型的可插部件。不但体积小，更换起来也很方便。

极小型固体线路虽已有样品出现,但仍属探索阶段，由于军事设备的需要发展速度很快。

晶体管器件的发展，使得它在电子工业中就变得更为重要。我国去年大跃进以来，对半导体器件的工艺研究和制造都已取得了相当的成就。在这些成就的基础上，不断努力，我国的半导体工业将会迅速发展起来。同时，由于我国建立起电子工业的历史还不久，因而我们更加有条件充分利用半导体器件的优越性，大量采用半导体器件配合着电子管来设计和生产新的通讯设备、电子计算机及自动控制系统。（北京大学 黄敞）