谈谈半导体管的构造

本专栏以前曾对半导体二极管和半导体三极管的构造作过一些简单介绍，本篇打算结合它们的制造过程再进一步谈谈。

了解P—N结是了解半导体管构造的基础，我们就从P—N结谈起。P—N结是P型半导体与N型半导体交界处的带电薄层，根据对半导体管要求的不同，可用以下几种方法获得。

1．拉单晶时掺入杂质的方法：拉单晶是获得晶体片的基本方法。把高度提纯的锗（或硅）放在坩锅里加热到熔态，坩锅放在惰性气体中，在严格控制温度的条件下拉延熔态锗就能获得单晶。拉延是用预先制好的仔晶（固体锗）拉引熔体，仔晶就像火车头一样，把坩锅内的锗熔体牵连在它下面遇泠结晶成一条单晶锭。

为了得到P—N结，在从熔体拉单晶的过程中先加入砷，使之形成N型单晶，然后又在一定的时刻将较多的三价元素如铟加入熔体，若加入的铟多于原来熔体内砷的含量，则那段时间拉出的单晶就是P型的，因而便形成了P—N结。在拉延过程中交替地加入砷和铟，就可拉出一条包含多个P—N结的单晶锭。最后将晶锭切割并磨成单个的P—N结晶片。

用上述方法获得的各个P—N结一致性较差，所以在生产中实际采用另一种方法，就是在拉单晶的过程中控制拉延速度，使速度作有规律的变化。由于铟和锑的分子附合力不同，在速度变化时就使拉出的单晶各段轮换地含有较多的铟和锑杂质，铟多时形成P型晶体，锑多时形成N型晶体，结果便得到许多个P—N结。

用上述方法获得的P—N结晶片不可能很薄，一般用得较少。

2．扩散法：先制成极薄的晶片（如P型锗片）。把晶片置于杂质（如砷或锑）的蒸气中加高温，经过一定时间就会在P型锗片上形成一个N型薄层，从而获得P—N结。

3．合金法：在面接型半导体二极管和三极管的生产中，合金法是一种基本方法。图1粗略地表示了用合金法制成P—N结的过程。

将一小块铟放在N型锗表面，在真空或氢气中加热，铟熔化并浸润了锗片表层，在一定深度处锗也熔化了。然后让其凝固，凝固时锗抓住了一些铟原子形成空穴导电的P型层P—N结也就由此而形成。

此外，还有其它形成P—N结的方法，这里就不多介绍了。

我们常见的整流用的半导体二极管就是面接型的，如ДГ—Ц21型二极管等。它的整流结就是用合金法产生的。

如图2所示，面接型二极管由管心、管壳、内外引线和玻璃绝缘子等组成。

这类二极管的制造过程是：把预先制好的N型锗晶体片放在黄铜晶片支架的凹处，在晶片和支架之间放有锡垫片（用以使晶体在合金化过程中与支架有良好的接触），然后放到炉内加热使产生合金化过程后，便得到了有P—N结的管坯。内引线是用镀锡的铜丝作成，预先涂上铟，在内引线和管心都进行了良好的清洁处理之后，再用烙铁把内引线的一端焊在锗片上突起的铟粒上。这样就制成了管心。外壳是用铜作成的，内壁要镀锡。外引线用黄铜条压成，镀锡、清洁、干燥后与外壳焊在一起。然后进行清洁处理、干燥后将管心装入管壳。下一道工序则是焊接玻璃绝缘体，进行密封。最后检验、涂漆、写商标。密封是十分必要的，可以避免晶体受光照而使本征载流子增加，反向电流增大，还可以避免因受潮而引起反向电流增大。此外，每个零件间相互连接的好坏也很重要，否则接头间的漏电流和接触电阻不合要求都会使二极管的伏安特性变坏。二极管的伏安特性之所以和P—N结的伏安特性不一致，原因亦在于此。

ДГ—Ц等面接型二极管的结构在很大程度上决定了它的特性和用途。它能承受较大的正向电流（300毫安）和较高的反向电压（100伏～600伏）；反向饱和电流较小（数百微安）；工作频率却不可能太高，适于作整流用。ДГ—Ц21～24整流电流较大，反向电压则较低，而ДГ—Ц25～27整流电流较小，反向电压高，需根据实际需要选用。

我们常用到的另一种半导体二极管是点接触型二极管。它的结构如图3所示。图3a是它的管心结构图；图3b是内部结构示意图；图3c是它的外形图。常用的二极管型号是ZAP1～2AP7、2AP9～2AP10、2AP11～2AP17三类十六种。

点接触型二极管的管心是由一根极细的金属丝压在N型锗晶体薄片上构成的。它的制造过程是在预先做好的N型锗片上装上金丝，然后进行大电流处理，也称为“电形成”。具体作法是：给二极管通过一个脉冲电流，电流数值应超过二极管额定电流值的3～4倍，因此触点被加热，在一定压力作用下，金属触须的尖端陷入晶体深处，焊牢在晶片上，于是金属丝与晶片的接触处便形成了整流结。金丝的另一端焊上铜引线，便成了二极管的正极。负极是和晶片接触的底座，座上焊有引线伸出管壳。

上述三类型号的半导体二极管都密封在玻璃外壳内。其中2AP9～2AP10的外壳上涂有黑漆，以防光线照射，影响管子性能。2AP1～2AP7和2AP11～2AP17外壳上用色点标出正极；而2AP9～2AP10则用色点标出负极。

由于点接触二极管的接触面很小，所以它不能承受大的正向电流和高的反向电压，不宜用作整流。但正因为它有极小的接触面，使得它能在很高的频率下工作，适合用在检波、混频及开关电路，各种收音机中正是用它作检波的。上面提到三类十六种型号的点接触二极管在性能上也各有不同，其中2AP1～2AP7内阻较大，检波效率低，2AP9～2AP17内阻小，检波效率高，宜于在收音机中选用。

目前还可以见到某些硅二极管。在结构上和锗二极管没有多大区别，只是用硅代替锗制成晶片，然后用扩散法或合金法生成P—N结，制成二极管。硅二极管主要用在需要获得高灵敏度和小电容的情况下，例如微波通信中常选用这种二极管。此外它的高温性能好，能在100℃甚至更高的温度下工作，这是锗管所不能比拟的。

先看一下半导体三极管的原理模型，将有助于了解它的构造。如图4所示，半导体三极管从原理上讲是由三个区、两个结和三个电极构成的。三个区分别是发射区、基区、集电区；两个结是发射结和集电结；三个极是发射极、基极和集电极。

3AX型三极管就是我们要着重介绍的低频半导体三极管。现在剖开它的管壳来仔细分析一下它的结构。它的管心是用合金法生成的。如图5所示：中间基区是一片约100微米厚的锗晶片，发射区和集电区则是二个铟粒和N型锗片交接处的合金化形成的P区。铟粒和锗片在合金化的过程中结合成一个整体。正如前面谈合金法生成P—N结时所提到的，铟和锗在几百度高温下互相熔化，在它们的交接处便生成了P—N结（发射结和集电给）。基区的厚度对管子的放大性能有很大影响，基区厚了，载流子在越过基区时的复合数目也就多了，于是基极电流就增加了。我们知道决定三极管放大性能的主要参数——电流放大系数β，是集电极电流和基极电流的比值，基极电流增大，β必然减小，放大性能变坏。但是基区太薄也不行，不仅会使管子的极间承受电压降低，还会产生穿通的危险。

实际的3AX型半导体三极管的三个电极，是靠两根引线和一个支架引出的。其中发射极和集电极的引线是从铟粒上焊出的，焊接方法和面接型二极管一样；锗片镶在铜支架上，支架和外壳焊在一起，再从外壳上引出基极线，所以基极是和管壳相联的，这就增强管子的散热能力，允许的损耗可以增大，在同样的效率下，输出功率当然可以增大。发射极和集电极引线从管内引出时通过玻璃绝缘球，以免此两极与外壳短路并保证管体的密封，密封的作用也和二极管相同，管壳外涂有黑漆，并有商标。外形及三个电极的位置如图5所示。

另外一些适于小型半导体收音机和电视机用的体形较小的2G系（2G100～105）和3AX21～24面接型合金管的结构和前者大致一样，它们的外形是较长的圆管。

3AD1～3AD7型面接型三极管也是合金结的，所不同的是，它们的体形大，并能给出更大的功率，在扩大机中常用到，如3AD1能承受1瓦的集电极损耗，加散热片后可提高到1瓦。散热片是用铝板作的，它紧靠管壳，形状可按管子在整机中的位置自行设计。3AD11等管子是功率更大的低频管，加散热片后，集电极损耗可在20瓦以上。

合金法生成的P—N结固有电容很大（约20微微法），所以在高频下工作的管子不能采用合金结。3AG11等高频三极管则是用合金扩散法制成的。结构如图6所示。P型锗片是构成管心的基础。一种制作方法是：把P型锗放在锑的蒸气中加几百度高热，在锗表面便生成厚约几微米的N型薄层，然后在N型层放上发射极合金球和基极合金球，在炉子里烧结再结晶，就形成另一个P—N结（发射结）。再用保护物将发射极及其附近的N型层掩盖起来，腐蚀掉其余的N型部分。然后将锗片镶入支架，并在基区和发射区焊出引线，便制成了管心。图6（b）示出完整的管子结构：因支架与底座连通，故集电极和外壳相连，而基极和发射极则通过玻璃绝缘子引出；外壳的一侧有红点，标出发射极位置。

3AG21～24和2G106～109是体形更小的合金扩散型三极管，除管形不同外，其他结构和3AG11大体相似。

点接触型三极管不多，它的制作方法和构造与点接触型二极管有些相似，也是在大的脉冲电流加热下把金属触须压入晶片形成的。不过三极管需要两个整流结，因而就需要两对触须。两对触须的尖端相距甚近（约20微米），以保证有较高的增益。点接触型三极管有很多特殊的性能，如短路电流放大系数α可大于1等等，由于平时很少碰到，此处也不多介绍。

半导体器件近年来获得了迅速的发展，人们不仅创造了多种多样的结构和工艺，而且在不断实践的基础上，许多新型的高频大功率管正在大量试制和采用。（露天）