Как собрать транзистор своими руками

Делаем микросхемы дома — шаг 2

С момента публикации первой статьи по моему проекту домашних микросхем прошел (скорее пролетел) год, пора поделится прогрессом и новыми проблемами.

Изначальная цель проекта — научиться изготавливать микросхемы в домашних условиях, состоящие из сотен/тысяч транзисторов (уровня КР580ВМ80А / Z80).

Из-за того, что проект получился достаточно большим по требуемым ресурсам и времени — я решил получить в качестве дополнительного результата — документированный, максимально простой open-source техпроцесс, позволяющий создавать микросхемы в ограниченных условиях. В США, возможно, это было бы хорошим поводом для проекта на kickstarter, но видимо не судьба.

О решении сложных проблем и человеческой ограниченности

Первые полгода задача, стоящая передо мной, иногда казалась просто неподъемной. Не везде все ясно, список вещей, которые необходимо сделать или с которыми нужно разобраться — был нескончаемым. Лишь позднее я понял основной принцип решения сложных проблем:

Человек — в принципе не способен решать сложные проблемы. Все что ему под силу — сделать один следующий простой и очевидный шаг по длинной лестнице, ведущей к решению проблемы. Если стоящая проблема не очевидная чтобы решить её за один шаг — остаётся только изучать и разбивать её на подзадачи, пока она не станет очевидной. После этого она в худшем случае превращается в логистическую проблему — проблему управления большим количеством простых подзадач.

Именно так и случилось, по мере изучения и проработки — задача стала логистической, и свелась к поиску всех необходимых компонент и выбору из известных вариантов решения каждой технологической проблемы исходя из имеющихся ограничений по габаритам, финансам и безопасности.

О технологических решениях

• Техпроцесс — NMOS (или PMOS в крайнем случае), с одним типом транзисторов и одним легированием. Как там все работает и проектируется — понятно. CMOS достаточно сложен для диффузионного легирования, и его оставляю на потом.
• Из сжатых газов — будет только Аргон для высокотемпературного отжига и распыления металлов. Но буду пробовать обойтись без него — водородом / азотом.
• Кислород (для выращивания слоя окисла на кремнии) и водород (для отжига) — будут получаться электролизом воды на никелевых электродах в щелочном электролите. Небольшое загрязнение щелочными металлами не должно стать большой проблемой. Я думаю понятно, что баллоны с кислородом и тем более водородом тащить домой я бы не хотел.
• Не будет эпитаксиальных слоев (т.е. выращивания слоя кремния), т.к. моносилан (газ, из которого растят слой кремния) слишком опасен для дома в силу своей взрывоопасности, и получать его «на месте» в микроскопических количествах не выйдет. Соответственно, транзисторы будут с металлическим затвором, т.е. относительно медленные.
• Фотолитография — все мои старые и наивные мысли о кварцевой оптике, жестком 253/184нм УФ — уходят на свалку. Будут стандартные объективы и 365/405нм ближний УФ свет. Это снимает вопросы и с относительно экзотическими фоторезистами.
• Распыление металлов в вакууме — плазмой, а не нагреванием в вольфрамовой лодочке. Это намного проще и гибче, не требует собственно лодочек и сложной электроники нагрева и контроля температуры. Металл — алюминий. Про желательный 1% сплав с кремнием я знаю, но пока точно не знаю что с этим буду делать. Прокола pn перехода из-за использования чистого алюминия можно избежать разными способами, а электромиграция не значимая проблема для данной задачи.
• Печка — банальный нихром на кварцевой трубке. Контроль температуры — по изменению сопротивления Нихрома или в худшем случае — по выдаваемой на спираль мощности (т.е. вслепую). Термопары высокотемпературные я купил — но они слишком большие для моих сверхкомпактных размеров.
• Фоторезист — банальный новолачный фоторезист с щелочным проявителем. Опять же, загрязнение ионами щелочных металлов не фатальны для первоначальной задачи, поэтому с дорогими без-металлическими проявителями (на основе TMAH) я решил пока не заморачиваться.

Продвижение по материалам

В дополнение к пластинам из унылого кремния — кремний на сапфире (на производстве — используется для радиационно-стойких микросхем). В моём случае — техпроцесс на некоторых шагах может быть упрощен:

Приехал из Китая двухступенчатый вакуумный насос с фурнитурой (краники с электроприводом, вакуумные шланги, манометры и проч.) — его должно быть достаточно для напыления металлов:

Кислоты — серная, соляная, азотная, борная, ортофосфорная… Многих беспокоят прекурсоры и госнаркоконтроль — у меня все приобретено легально, с прохождением соответствующих бюрократических процедур.

И заморская, плавиковая. Это — моя самая большая в жизни ошибка. В магазине отказались разливать (из-за её опасности), и сказали, что могут продать только целиком, 24кг. Тогда я не видел других вариантов, и согласился. А ведь её я реально боялся — после того, как я давно посмотрел видео о работе с плавиковой кислотой — потом кошмар приснился, что я ей отравился, антидота нет и всё, конец (что недалеко от истины, тема раскрыта в 20-й серии 4-го сезона ER/Скорой помощи). Идея была «гениальна» — хрен с ним, сам разолью и продам лишнюю. Но после первых 2-х килограммов, которые переливать пришлось 20-и кубовым шприцем, в противогазе и проч., когда у ног задорно шипит бетон, растворяясь в тех местах, где я пару капель пролил — я решил — ну его нафиг. Получился своего рода чемодан без ручки, который не просто жалко выкидывать — нельзя, т.к. чертовски опасен.

В итоге, этот чемодан я подарил продавцу химией с самовывозом, оставив себе минимально необходимое количество. Это был хороший урок.

После этого, самые опасные вещества в производстве микросхем, которые мне придется использовать — источники фосфора и бора для легирования: BBr3 и POCl3 — их я купил самым минимальным необходимым объемом. Есть и более безопасные альтернативы — так называемые spin-on dopants — но производители не хотят мне его продавать, из-за liability issues. Если не выйдет с процессом по старинке, буду додавливать производителей.

Кварцевая посуда для микро-печки до 1000C

Нихромовая проволока (диаметр 0.4 и 0.8мм), никелевый прокат для электродов электролизера:

Промышленный фоторезист для микроэлектронного применения. Я решил не гнаться за максимально тонким резистом, этот — достаточно дубовый 2-х микронный. Толще слой — проще работать, по началу его должно быть достаточно. Пока нет промотора адгезии (HMDS) — его не оказалось в наличии, буду пробовать без него:

Как заметили некоторые люди, помогавшие мне советами — сделать микросхемы можно только в лаборатории. Сделать их дома можно только если дома — лаборатория. Похоже к этому дело и идет

В целом, самые необходимые вещи по логистике уже все есть.
Есть вещи, к которым меня пока не пускает жаба:

1. Металлографический микроскоп — в России китайские микроскопы перепродают по 100-300 тыс рублей, на родине слонов они — 1500$-3000$. Это пожалуй тоже необходимая вещь, не могу пока только найти китайцев, которые бы с Escrow его мне продали.
2. Лабораторный генератор азота — чертовки хитрая штука. Азот получает из воздуха, расходников нет. С ним можно было бы сделать бескислородный бокс и снять проблему инертного газа. Но стоит порядка 190 тыс рублей. Буду обходиться без него.
3. Генератор деионизированной воды — тоже полезная вещь в хозяйстве, но очень уж простая для

45тыс рублей. Буду пробовать «колхозить» свою на ионообменных смолах (исключительно из интереса, понятно, что ДИ воду можно и покупать)

Остающиеся проблемы и что я ищу

• Подробные описания (старых) техпроцессов с конкретными цифрами. Один я нашел, и он очень мне помог, но еще на 1-2 взглянуть было бы крайне полезно.
• «Открытые» (т.е. когда непосредственно видны по слоям содержимое standard cells) цифровые библиотеки для относительно толстых техпроцессов
• Ищу, кто поможет настроить софт для проектирования микросхем и подскажет как там что — чтобы иметь общее представление, и я мог синтезировать простые тестовые схемы. Понятно, что сдвиговой регистр я и на бумажке нарисовать могу, а вот что-то чуть сложнее.
• Пока не удалось купить вакуумную резину для камеры напыления металлов.
• Также буду неспешно искать где купить образцы spin-on dopants и spin-on glass для ILD (диэлектрика, который разделяет уровни металлической разводки).
• Небольшие объемы TMAH, HMDS и TEOS.

Смело пишите мне в почту, если есть мысли о решении этих проблем.

Дальнейшие шаги

В целом, впереди еще большой путь, но он уже не покрыт туманом, как раньше. Теперь, когда основные компоненты уже есть — впереди создание электронных блоков контроля накала печки с контролем температуры (или даже автоматическим калькулятором толщины окисла) и электролизера с разделением и осушкой водорода и кислорода.

Должен отметить, что без помощи людей (как информацией/советами, так и материалами), откликнувшихся на предыдущую статью — моё продвижение получилось бы существенно скромнее.

Да, и еще раз о самом избитом вопросе — «зачем все это» лично для меня и вообще: это я делаю потому что мне это интересно, своего рода хобби. С другой стороны, работа над этим проектом уже позволила мне разобраться в том, как работает «большая» микроэлектроника (с технологической и финансовой точки зрения). Помимо этого — теперь я работаю и над «классическим» микроэлектронным проектом, который (если все пойдет по плану) будет реализован на крупносерийном производстве: микроконтроллер общего назначения — но об этом в другой раз.

Источник

Как сделать здоровенный транзистор своими руками

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.

Что понадобится: транзисторы 50N06 (12 штук), холодная сварка и клей для металла, эпоксидная смола, флюс и припой, текстолитовая плата

Подготовив все необходимое, можно браться за работу. Сначала необходимо будет осуществить вытравливание платы. Использовать можно любой способ, однако лучше всего не изобретать велосипед и произвести вытравливание в хлорном железе. После окончания процедуры, плату необходимо хорошенько промыть. Сразу после этого следует запаять технические перемычки и залудить дорожные платы.

Следующий шаг – запаивание полевых транзисторов. Соединяются они строго параллельно без использования цепей коррекции. Контакты делаются из толстой медной проволоки. Для удобства работы во время пайки толстую проволоку можно временно соединить тонкой. Когда работа будет завершена, плату следует отмыть от флюса. Основание контактов тут же проклеивается эпоксидной смолой.

Берем толстый лист алюминия и вырезаем из него теплопроводящую дорожку, сверлим в ней отверстие для фиксации радиатора. Далее плата сажается на холодную сварку. После этого можно делать корпус.

Лучше всего использовать оргстекло, так как оно позволит обеспечить полную видимость для будущего транзистора. Далее останется только развести эпоксидную смолу и залить ей корпус транзистора. Как только смола высохнет, оборудование можно использовать.

Процесс создания во всех подробностях, можно увидеть в видеоматериале ниже.

Видео:

В продолжение темы читайте про 3 правильных способа соединить медный и алюминиевый провод без ненужных последствий.

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Источник

Изготовление транзистора своими руками

Эта статья заинтересует в первую очередь тех, кто любит и умеет мастерить. Конечно, можно купить различные готовые устройства и приборы, в том числе и изделия солнечной фотовольтаики в сборе или россыпью. Но умельцам намного интереснее создать собственное устройство, не похожее на другие, но обладающее уникальными свойствами. Например, из транзисторов своими руками может быть изготовлена солнечная батарея, на базе этой солнечной батареи могут быть собраны различные устройства, например, датчик освещенности или маломощное зарядное устройство.

Собираем солнечную батарею

В промышленных гелиевых модулях в качестве элемента, преобразующего солнечный свет в электричество, используется кремний. Естественно, этот материал прошел соответствующую обработку, которая превратила природный элемент в кристаллический полупроводник. Этот кристалл нарезается на тончайшие пластины, которые затем служат основой для сборки больших солнечных модулей. Этот же материал используется и при изготовлении полупроводниковых приборов. Поэтому, в принципе, из достаточного количества кремниевых транзисторов можно изготовить солнечную батарею.

Для изготовления гелиевой батареи лучше всего использовать старые мощные приборы, имеющие маркировку «П» или «КТ». Чем мощнее транзистор, тем большую площадь имеет кремниевый кристалл, а следовательно, тем большую площадь будет иметь фотоэлемент. Желательно, чтобы они были рабочие, в противном случае их использование может стать проблематичным. Можно, конечно, попробовать использовать и неисправные транзисторы. Но при этом каждый из них следует проверить на предмет отсутствия короткого замыкания на одном из двух переходов: эмиттер – база или коллектор – база.

От того, какова структура используемых транзисторов (р-n-р или n-р-n), зависит полярность создаваемой батареи. Например, KT819 имеет структуру n-р-n, поэтому для него положительным («+») выходом будет вывод базы, а отрицательными («-») – выводы эмиттера и коллектора. А транзисторы типа П201, П416 имеют структуру р-n-р, поэтому для них отрицательным («-») выходом будет вывод базы, а положительными («+») — выводы эмиттера и коллектора. Если взять в качестве фотопреобразователя отечественные П201 – П203, то при хорошем освещении можно получить на выходе ток до трех миллиампер при напряжении в 1.5 вольта.

Транзистор П202М

После того, как будет выбран тип и собрано достаточное количество транзисторов, к примеру, П201 или П416, можно приступать к изготовлению солнечной батареи. Для этого на расточном станке следует сточить фланцы транзисторов и удалить верхнюю часть корпуса. Затем нужно провести рутинную, но необходимую операцию по проверке всех транзисторов на пригодность использования их в качестве фотоэлементов. Для этого следует воспользоваться цифровым мультиметром, установив его в режим миллиамперметра с диапазоном измерения до 20 миллиампер. Соединяем «плюсовой» щуп с коллектором проверяемого транзистора, а «минусовой» — с базой.

Проверка транзистора

Если освещение достаточно хорошее, то мультиметр покажет значение тока в пределах от 0.15 до 0.3 миллиампер. Если значение тока окажется ниже минимального значения, то этот транзистор лучше не использовать. После проверки тока следует проверить напряжение. Не снимая щупов с выводов, мультиметр следует переключить на измерение напряжения в диапазоне до одного вольта. При этом же освещении прибор должен показать напряжение, равное примерно 0.3 вольта. Если показатели тока и напряжения соответствуют приведенным значениям, то транзистор годен для использования в качестве фотоэлемента в составе солнечной батареи.

Схема соединений транзисторов в солнечную батарею

Если есть возможность, то можно попробовать выбрать транзисторы с максимальными показателями. У некоторых транзисторов в плане расположения выводов для монтажа батареи может оказаться более удобным переход база – эмиттер. Тогда свободным остается вывод коллектора. И последнее замечание, которое нужно иметь в виду при изготовлении гелиевой батареи из транзисторов. При сборке батареи следует позаботиться об отводе тепла, так как при нагревании кристалл полупроводника, начиная примерно с температуры +25°С, на каждом последующем градусе теряет около 0.5% от начального напряжения.

Транзисторы П203Э с радиаторами охлаждения

В летний солнечный день кристалл кремния может нагреваться до температуры +80°С. При такой высокой температуре каждый элемент, входящий в состав гелиевой батареи, может терять в среднем до 0.085 вольта. Таким образом, коэффициент полезного действия такой самодельной батареи будет заметно снижаться. Именно для того, чтобы минимизировать потери, и нужен теплоотвод.

Обычный транзистор как элемент солнечной фотовольтаики

Кроме того, что обычный транзистор достаточно просто можно превратить в фотоэлектрический преобразователь, при небольшой фантазии его можно использовать и в других полезных схемах, используя фотоэлектрические свойства полупроводника. И область применения этих свойств может быть самая неожиданная. Причем применять модифицированный транзистор можно в двух вариантах – в режиме солнечной батареи и в режиме фототранзистора. В режиме солнечной батареи с двух выводов (база – коллектор или база – эмиттер) без каких-либо модификаций снимается электрический сигнал, вырабатываемый полупроводником при освещении его.

Фототранзистор представляет собой полупроводниковое устройство, реагирующее на световой поток и работающее во всех диапазонах спектра. Этот прибор преобразовывает излучение в электрический сигнал постоянного тока, одновременно усиливая его. Ток коллектора фототранзистора находится в зависимости от мощности излучения. Чем интенсивнее освещается область базы фототранзистора, тем больше становится ток коллектора.

Из обычного транзистора можно сделать не только фотоэлемент, преобразующий световую энергию в энергию электрическую. Обычный транзистор можно легко превратить в фототранзистор и использовать в дальнейшем уже его новые функциональные возможности. Для такой модификации подходят практически любые транзисторы. Например, серии MП. Если повернуть транзистор выводами кверху, то мы увидим, что вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора, а выводы эмиттера и коллектора изолированы и заведены вовнутрь. Электроды транзистора расположены треугольником. Если повернуть транзистор так, чтобы вершина этого треугольника – база – была повернута к вам, то коллектор окажется слева, а эмиттер – справа.

Корпус транзистора, сточенный со стороны эмиттера

Теперь надфилем следует аккуратно сточить корпус транзистора со стороны эмиттера до получения сквозного отверстия. Фототранзистор готов к работе. Как и фотоэлемент из транзистора, так и самодельный фототранзистор может быть использован в различных схемах, реагирующих на свет. Например, в датчиках освещенности, которые управляют включением и выключением, например, внешнего освещения.

Схема простейшего датчика освещения

И те, и другие транзисторы могут быть использованы в схемах слежения за положением солнца для управления поворотом солнечных батарей. Слабый сигнал с этих транзисторов достаточно просто усиливается, например, составным транзистором Дарлингтона, который, в свою очередь, уже может управлять силовыми реле.

Примеров использования таких самоделок можно привести великое множество. Сфера их применения ограничивается только фантазией и опытом человека, взявшегося за такую работу. Мигающие елочные гирлянды, регуляторы освещенности в комнате, управление освещением дачного участка… Все это можно сделать своими руками.

Источник