Rozważania nad samoróbką tranzystora

[Alek]

Kiedyś dawno temu, Waldek D. postulował wytworzenie domowym sposobem tranzystora. Lata lecą i w końcu należałoby się tego podjąć. Poniżej garść rozważań na ten temat.

"Chcę wykonać tranzystor, a chcieć to móc". Fałsz. "Chciejstwo" niczego nie załatwia. Trzeba wypośrodkować między "chciejstwem" i możliwościami.
Nie ma możliwości, aby od razu rzucać się na głęboką wodę i robić wszystko "od zera". Trzeba raczej usłuchać starej, dobrej rady prof. Mroziewicza, który sugerował, by odpuścić sobie (przynajmniej na początku) uzyskiwanie czystych materiałów półprzewodnikowych. Tak więc należy zrezygnować z wyciągania monokryształów metodą Czochralskiego, czy "czesania" materiałów przez topienie strefowe.
Uzyskiwanie czystego germanu można sobie szczęśliwie darować:
Kiedyś wpadła mi rozłupana bryła germanu typu n, tj. domieszkowanego pierwiastkami piątej grupy. Nic więcej o nim nie wiedziałem- nieznany czas życia nośników, nieznana przewodność. Wyglądał jednak na monokryształ. Przeleżał on u mnie dużo, dużo czasu, schowany w jednej z przepastnych szaf. Znacznie później trafił mi się słoiczek kuleczek indowych polskiej produkcji, z zakładów "Skawina" o czystości 5N, czyli 99,999%. Na zasadzie "przyda się" i on zaległ w szafie. Wreszcie, trafił do mnie monokryształ germanu typu "n", o określonej orientacji (111), o określonej rezystywności i określonym czasie życia nośników. To oznacza, że materiały są.

Skoro są materiały, trzeba zastanowić się, jaki tranzystor w ogóle warto spróbować wykonać.
Historycznie najstarszym, praktycznie wykonanym tranzystorem w latach 40. ubiegłego wieku był tranzystor ostrzowy.
Myliłby się jednak ten, który za taki tranzystor uznaje po prostu przytknięte obok siebie do płytki germanowej dwa druty...
Przede wszystkim odległość między drutami musi być bardzo mała, rzędu 0,05 mm. Po drugie, druty te muszą być fosforobrązowe. Po trzecie wreszcie, tranzystor musi być formowany prądowo, poprzez "przestrzelanie" impulsami napięciowymi.
Jeśli wszystko poszłoby dobrze, powstałby tranzystor nijak niepodobny do tych, które znamy. Dobry tranzystor ostrzowy ma bowiem współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnej bazy, zawarty między 2...3, rzadko dochodzący do 5. Tyle wynosi "alfa" dobrego tranzystora ostrzowego.

Elektroniczny przedszkolak zna słynny wzór na "betę", czyli współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie ze wspólnym emiterem:

beta=alfa/(1-alfa)

...i wie, że dobry tranzystor ma alfę tylko nieco mniejszą od jedności, bo to jest warunkiem uzyskania dużej bety!
Innymi słowy, tranzystor ostrzowy nadaje się do pracy w układzie ze wspólną bazą i chyba tylko w nim. Będą spore kłopoty w jego użyciu.

Z powyższych względów lepiej przymierzyć się do germanowego tranzystora stopowego pnp lub JFET. Wydaje się, że nie ma dużej różnicy w skali trudności wykonania obu typów i w obu przypadkach w grę wchodzi technologia stopowego wykonywania złącz p-n.

Jak wiadomo, ind może stanowić domieszkę typu "p", jeśli się go wtopi w german "n". Operacja wtapiania wymaga jednak zachowania dobrej czystości, zaś powierzchnia germanu powinna być wytrawiona na błysk. Na tej podstawowej prawdzie oparta była cała produkcja półprzewodników germanowych w warszawskiej TEWIE, gdzie od około 1960 roku do końca lat 70. trwała produkcja germanowych tranzystorów stopowych serii TG.

Pewną trudnością jest zachowanie chociaż pozorów jakiej takiej czystości. Aby spełnić ten warunek, trzeba trawić kryształy germanu.
W końcu znalazłem przepis na mieszaninę do trawienia germanu o nazwie CP4 (jest to jedna z kilku możliwych mieszanin). Mieszanina ta zawiera stężone kwasy:1 część kwasu octowego, jedną część kwasu fluorowodorowego, 1,5 części kwasu azotowego i kilka kropel bromu na każde 50 ml mieszaniny. Mieszaninę taką sporządziłem z możliwie czystych odczynników, tj. odczynników czystych do analizy.

Uzbrojony w te informacje, wypróbowałem je praktycznie do budowy diody stopowej.

Pierwszą czynnością przy sporządzaniu diody było odłupanie mniejszego kawałka germanu z dużej bryły. W tym celu trzeba uderzyć w bryłę młotkiem, a na pewno odkruszą się z niej jakieś kawałeczki. Dobrze jest uderzyć przez gwóźdź. W fabryce german cięło się na cienkie płytki, o grubości ułamka milimetra wzdłuż określonej orientacji kryształu. Ja jednak musiałem zadowolić się byle czym.
Drugą czynnością było kilkuminutowe trawienie kryształu w mieszaninie CP4. Podczas tego trawienia mogłem się przyjrzeć, który fragment kryształu staje się błyszczący i ten właśnie fragment wybrać na miejsce przyszłego złącza p-n.
Po trawieniu kryształ starannie opłukałem w bieżącej wodzie dejonizowanej i wysuszyłem.

Kolejną czynnością jest wstępne wytworzenie złącza. W tym celu za pomocą gorącej (ponad 200 stopni) pałeczki szklanej (koniecznie czystej!) na jej końcu stopiłem małą kuleczkę indową. Kuleczkę przytknąłem do zimnej powierzchni germanu. Kuleczka spłaszczyła się, ale już nie chciała się staczać po germanie. Kryształek germanu z kawałeczkiem indu umieściłem nad płomieniem palnika gazowego. Nie mając kontroli temperatury musiałem posiłkować się intuicją. Pozwoliłem po prostu stopionemu kawałkowi indu "poleżeć" chwilkę na germanie, aby ind mógł troszkę podyfundować w podłożu.

Potem powoli wystudziłem kryształ ze wstępnie przygotowanym złączem.
Osobno stopiłem trochę stopu lutowniczego cynowo- ołowiowego i wrzuciłem do niego nieco bizmutu. Dzięki temu temperatura topnienia takiego stopu jeszcze spadła. W kroplę stopionego stopu wcisnąłem kryształ i po ostudzeniu sprawdziłem, czy uzyskałem diodę. Jednym stykiem diody był ind, drugim stop (stop pełnił funkcję oprawki i kontaktu).
Okazało się, że uzyskane złącze prostuje, ale jest kiepskie: spadek napięcia na nim wynosił ponad 1,7V. Spróbowałem jednak diodę uformować serią krótkich impulsów wysokiego napięcia stałego (około 1,5kV z kondensatora 10 nF), strzelając w nią w kierunku przewodzenia. Podczas tej operacji ind nadtapia się, dyfundując do złącza i jego parametry poprawiają się. Po serii kilkudziesięciu takich "strzałów" spadek napięcia na złączu wyniósł około 0,6V, zaś dalsze "strzelanie" nie przynosiło już poprawy. Co jednak ważne, już powyżej 1V w kierunku przewodzenia przez diodę płynął prąd kilku miliamperów, podczas gdy w kierunku zaporowym przy tym samym napięciu prąd ten wynosił kilkanaście mikroamperów.
Pozostało jeszcze tylko hermetyzowanie struktury diody, aby nie uszkodziła się od stania na powietrzu. W tym celu wykorzystałem znaną mi dobrze technikę zatapiania lamp szklanych, nieco zmodyfikowaną, tak, aby nie przegrzać struktury. Po dolutowaniu wyprowadzeń struktury (do indu nikiel, do stopu Sn-Pb-Bi drut miedziopłaszczowy), zamocowałem ją na nóżce lampy i zatopiłem w bańce szklanej, zostawiając w środku getter nierozpylany. Po ostudzeniu odpompowałem bańkę do ciśnienia około 10^-4 Tr, tak jak zwykłem to robić podczas sporządzania lamp. Po odcięciu od pompy aktywowałem jeszcze getter w piecu indukcyjnym. Tak więc struktura otoczona została wysoką próżnią, bez możliwości działania na nią szkodliwej pary wodnej.

Na sam koniec pozostało jeszcze zmierzenie diody, w celu sprawdzenia, czy się nie uszkodziła. Uzyskana charakterystyka utwierdza w przekonaniu, że zatapianie nie uszkodziło diody. Jej stosunkowo kiepskie parametry (prąd wsteczny około 200uA przy napięciu -10V) są zapewne skutkiem zachowania niewłaściwej czystości procesów. Zwłaszcza przytapianie indu powinno odbywać się w próżni lub osłonie argonu.
Spełnienie ostrzejszych warunków będzie - jak sądzę- do spełnienia w późniejszym czasie, gdy zacznę eksperymentować z cienkimi płytkami germanowymi. Zamiast zatapiania kryształu w stopie planuję pozłacanie kryształu. Pierwsze próby w tym zakresie wypadły bardzo obiecująco.

Obecnie szlifowana jest dla mnie płytka germanowa, której grubość przed trawieniem będzie wynosić około 0,3-0,5 mm. Pocięta na fragmenty płytka posłuży do prób z tranzystorami. Kolejnym etapem będzie wytworzenie grafitowych foremek do stapiania indu z germanem w atmosferze próżni.

[dark_one]

Brawo !!!!
Naprawdę robi wrażenie i cieszę się, że będę miał kogo pytać, akurat mnie również ta grupa zagadnień mocno interesuje. Nieco tylko z innej strony, ale to szczegół. Ja robiłem to na materiałach niemalże w całości pochodzących z amerykańskiego ebaya, dokładnie tak jak dużo wcześniej zrobiła to Jeri Ellsworth:
http://www.youtube.com/watch?v=w_znRopGtbE
urządzenie nmos w krzemie i bez tak masakrycznej ilości pierwiastków rzadkich (kwestia czysto praktyczna) i potwierdzam - to działa, aczkolwiek żałośnie krótko. Cóż, podejrzewam że w moim przypadku dają o sobie znać niedostatki prowadzenia procesu, niestety.
A do zapakowania mam to

[ciasteczkowypotwor]

Szkoda że na studiach nie ma tak ciekawych laboratoriów.

[dark_one]

Ciasteczkowy, nie ma na studiach w Polsce. W krajach gdzie przemysłowo wytwarzają półprzewodniki, uczą studentów "jak to się robi"

Gwoli wyjaśnienia - na filmie, do którego podałem link, Jeri prezentuje późną wersję procesu, prowadzoną przy użyciu w zasadzie wyłącznie materiałów używanych na skalę przemysłową w foundries. By być jeszcze bardziej szczegółowym, używanych w instalacjach dawnego National Semiconductor właśnie, gdyż od emerytowanego inżyniera technologa tej firmy pochodzą jej informacje i szczegóły procesu (z których, tak naprawdę, wiele nie ujawnia). W wersji pierwotnej domieszkowanie krzemu prowadzone było przy użyciu trawienia kwasem fosforowym (a nie środkiem Emulsitone jak na filmie), którego czystość i czas trawienia moim zdaniem miał decydujący wpływ na trwałość otrzymanej przeze mnie struktury ... Nanoszenie można ręcznie zrealizować przy pomocy rapidografu, najlepiej niemalże w całości wykonanego ze stali nierdzewnej (ktoś jeszcze pamięta ?). Wygodnie jest to robić pod mikroskopem stereoskopowym. Myślałem o eksperymentach z drukarką, gdyż jakość nanoszenia ma oczywisty wpływ na ostrość krawędzi po trawieniu co (na podstawie literatury) ma olbrzymie znaczenie dla trwałości otrzymanej struktury, ale to przyszłość podobnie jak fotolitografia. Hodowanie warstw epitaksjalnych bez dedykowanego pomieszczenia i systemów zabezpieczających stanowi zagrożenie dla otoczenia, dlatego w tym momencie odpada zdecydowanie (niesławny zapach czosnku - pocałunek śmierci). Zainteresowanym polecam obejrzeć inne filmy Jeri o tej samej tematyce.

Veturilo, czy masz (i mógłbyś mnie wspomóc) receptury mieszanin do domieszkowania/trawienia krzemu ? Pytam o te szczególne mieszaniny, ale tak naprawdę interesuje mnie wszystko co się tyczy technologii wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych jaką mieliśmy (mamy) w kraju i radość sprawi mi każda informacja na ten temat ... Krzem dlatego, że mam do niego dostęp, german w ostateczności mógłbym sprowadzić, ale to potrwa. Arsenek galu z racji toksyczności procesu na tę chwilę nie wchodzi w rachubę.

Mam również prośbę do szanownej Administracji Forum o nieusuwanie dyskusji z pozoru znacznie odbiegającej od tematyki. Moja argumentacja jest następująca: to dziedzina w naszym kraju (niemalże) wymarła i technologia stosowana przez amatorów z pewnością jest retro.

[Alek]

Mój cel został, jak widzę z powyższych postów- osiągnięty. Chciałem, by ujawnił się ktoś, kto się zajmuje półprzewodnikami- i tak się w istocie stało .
Co do mieszanin, rozejrzę się, ale niczego nie obiecuję. Przypominam sobie, że mam tu kilka zezłomowanych prac magisterskich, robionych niegdyś w CEMI. Może tam będzie coś ciekawego.

[Tomasz Gumny]

[...] nie ma na studiach w Polsce. W krajach gdzie przemysłowo wytwarzają półprzewodniki, uczą studentów "jak to się robi"

Nie bardzo chce mi się w to wierzyć. Bawiąc w połowie lat 80-tych na PP napylaliśmy na zajęciach z fizyki metal na płytkę krzemu. Oczywiście po wcześniejszym zdrapaniu (albo i nie ) tego co napyliła poprzednia grupa.

[Alek]

I to właśnie jest żałosne. Oszczędza się na tym, na czym oszczędzać się nie powinno lub wręcz nie wolno. A oszczędności to iście dziadowskie.

[dark_one]

Mój cel został, jak widzę z powyższych postów- osiągnięty.

Bardzo się cieszę, że poruszyłeś ten temat. To mnie bardzo zajmuje, a widzę, że wiele się nauczę dzięki informacjom od Ciebie kilka razy próbowałem przy okazji innych wątków coś podpytać, ale jakoś zdychało za każdym razem.

Bawiąc w połowie lat 80-tych na PP napylaliśmy na zajęciach z fizyki metal na płytkę krzemu.

To było w latach osiemdziesiątych, wtedy jeszcze działało CEMI i trwała produkcja struktur grubowarstwowych w TELPODzie więc tak na dobrą sprawę była czysto teoretyczna szansa, że ktoś z Was tam wyląduje jako pracownik. Ja kończyłem studia początkiem lat 2k i delikatnie dano nam do zrozumienia, że produkcja półprzewodników w Polsce to nisza, którą od kuchni ujrzą nieliczni szczęściarze (albo i nie). Dlatego napisałem, że to zagadnienie retro. Owszem pichci się tu i ówdzie co nieco, ale na innych zasadach - wartościowy projekt przygotowany przez studentów wędruje do foundry i wykonany powraca na stadium analizy. Czasem jeszcze uczelnia zrobi wirebonding jak ma czym. W naszych warunkach przygotowywanie inżynierów w tej dziedzinie to produkcja na eksport ... sęk w tym, że w tej "sprzedaży" nie ma zysku.

A oszczędności to iście dziadowskie.

I tak, że to się jeszcze udaje. Niedługo odejdzie na emeryturę generacja, która miała okazję przejść tę drogę ...
Odnośnie prac magisterskich z CEMI - interesuje mnie dokładnie wszystko - podejrzewam, że różnice procesowe są dość znaczne (w stosunku do informacji podanych przez Jeri). Tak naprawdę w tamtych czasach każdy wytwórca miał swoje oryginalne tricki, metodologie itp. Niektóre wczesne układy scalone można odnieść do fabryki w której powstały na podstawie śladów po procesie na strukturze, a często i kolejności operacji.

[Michał_B]

Ciasteczkowy, nie ma na studiach w Polsce. W krajach gdzie przemysłowo wytwarzają półprzewodniki, uczą studentów "jak to się robi"

Nie zgodzę się z tym twierdzeniem. Nawet w Polsce mamy uczelnie/ wydziały zajmujące się mikroelektroniką.
Na kierunku na którym studiowałem (na Politechnice Wrocławskiej), każdy student musiał odbyć zajęcia praktyczne m.in. z:

1. Technologii grubowarstwowej - pomiary testowych struktur grubowarstwowych i LTCC, projektowanie obwodów, przegląd procesu wytwarzania
2. Technologii cienkowarstwowej - rozpylanie magnetronowe struktur testowych z różnych materiałów półprzewodnikowych (i kontaktów - metalizacji) na podłożu szklanym oraz różnego typu pomiary elektryczne wytworzonych struktur.
3. Technologii półprzewodnikowej- zajęcia w cleanroomie: a) zajęcia z litografii: nakładanie rezystu na podłoże, zgrywanie masek. b) zajęcia z technik epitaksjalnych: epitaksja Si3N4 na podłoże krzemowe, rozpylani metalizacji, na koniec pomiar pojemnościowy wytworzonego tlenku.

Dodatkowo mieliśmy sporo zajęć z technik światłowodowych, laserowych oraz mikrosystemów. Do tego ćwiczenia symulacyjne z mikrosystemów i optoelektroniki.

W ramach prac dyplomowych, studenci mogą pogłębiać wiedzę z wybranej dziedziny. Nie wiem jak wyglądają zajęcia na Politechnice Warszawskiej, ale domyślam się, że podobnie.

Praca w zawodzie także się znajdzie w kilku firmach w Polsce. W niedalekiej przyszłości, w Polsce powstaną duże laboratoria w których będzie można znaleźć pracę.

Pozdrawiam i życzę powodzenia w zabawie z półprzewodnikami.

[Vic384]

Czesc
Pod koniec lat 70-tych, gdy pracowalem w Instytucie Fizyki w Rzeszowie, kolega z Zakladu Fizyki Ciala Stalego dostal za zadanie pomiar poziomow energetycznych w wegliku krzemu czyli SiC. Okazalo sie, ze najprostrza metoda to zrobienie diody i zmuszenie jej do swiecania - jako LED, no i przez analize widma pomierzono poziomy. Pisze o tym bo przy okazji zrobiono kilka tranzystorow na SiC. Najleprzy z nich mial bete okolo 3. Kiedy zaczelo " cos wychodzic" nastapila awaria w pracowni. Cale stanowisko" SiC" uleglo zniszczeniu. Kolega probowal cos odtworzyc, ale byly "problemy", a w kilka miesiecy pozniej, wspolny znajomy poradzil Mu poszukac sobie innej pracy. Co tez On zrobil.
Moge tylko powiedziec, ze te tranzystory zachowywaly swoje parametry w prozni lub w azocie, do temperatury + 500 stopni C.
Pozdrowienia

[punkers]

Tą samą diodę opisywał Alek na Elektrodzie. http://www.elektroda.pl/rtvforum/viewto ... 5#12123835
Pogubiłem się trochę co do tego, kto to zbudował.

[dark_one]

Pod koniec lat 70-tych, gdy pracowalem w Instytucie Fizyki w Rzeszowie ...

Vic a może masz jakieś materiały dotyczące procesu(ów) technologicznego(ych) obróbki półprzewodników ? Dla mnie cenne jest wszystko, gdyż sedno problemu tkwi na pograniczu lub na styku czynności zwykle omawianych w literaturze.

[dark_one]

Veturilo, mam jeszcze jedną sprawę związaną akurat z niniejszym tematem. Czy Twoje źródła nie posiadają przypadkiem niepotrzebnej butli na wodór ? Dałem ogłoszenie tu na forum (viewtopic.php?f=37&t=25338), ale pomyślałem, że może akurat u Ciebie będzie łatwiej coś takiego dostać.

[Alek]

Proponuję Ci wydzielanie potrzebnych ilości wodoru na bieżąco. Nie gromadź tego.

[dark_one]

Wiem co masz na myśli. Butla dlatego, że konieczne jest ciśnienie co najmniej 3 bar, a najlepiej więcej, by było z czego redukować do właściwej wartości. Ten problem zniknie jak wykonam EFO, ale to wymaga gruntownego przezbrojenia urządzenia. W tej chwili muszę po prostu uruchomić to co jest, i poćwiczyć formowanie kulki, a dopiero w drugim etapie planuję eksperymenty. Jeżeli nie uda się z butlą to w takim przypadku myślałem (tak jak radzisz) o generowaniu niewielkiej ilości na bieżąco ... problematyczne, ale skoro nie ma innego wyjścia to trzeba polubić co jest.