Александр Харс - Я познаю мир. Компьютеры и интернет

Чтобы вы поняли, для чего нужны эти примеси, давайте на некоторое время прервем нашу экскурсию и послушаем технолога, который расскажет нам кое–что об истории микроэлектроники.

Сырье для производства–полупроводников валяется у людей буквально под ногами. Это кристаллики песка, который распространен практически повсюду. А песок – это и есть кремний, один из основных материалов современной микроэлектроники. Правда, чтобы песок стал сырьем для создания полупроводников, Он должен пройти длиннейший цикл обработки. И прежде всего кремний нужно очистить от посторонних примесей.

Насколько это сложная задача, можно судить хотя бы по высказыванию одного из основоположников полупроводниковой техники в нашей стране академика А.Ф. Иоффе: «Если очистка материалов до сотых долей процента считалась раньше пределом, то теперь речь идет о миллионных долях, а иногда и о миллиардных долях процента». То есть, говоря иначе, один атом примеси должен приходиться на сто миллиардов атомов кремния.

Но пусть вас эти цифры не смущают. Слова Иоффе были сказаны в середине XX века. За прошедшие десятилетия технологи изобрели зонную плавку и другие способы очистки кристаллов от примесей. Сверхчистые материалы получают сегодня но только на Земле, но и в космосе, где для этого существуют идеальные условия: нет пыли и отсутствует гравитация, которая тоже мешает получению кристаллов с идеально правильной структурой.

Для чего все это нужно? Попробуем разобраться и в этом, совершив небольшой экскурс в теорию полупроводников, базирующуюся на физике твердого тела.

Транзисторы отличаются от радиоламп даже по внешнему виду. Вместо стеклянного баллончика этакая кристаллическая таблетка. Еще больше различие внутреннее. Специалисты, работавшие с радиолампами, зачастую становились в тупик, когда им начинали рассказывать о транзисторах.

«Ну, в лампе все понятно, – говорили они. – Вот спиралька катода – отсюда электроны стартуют. Вот пластинка анода – здесь они финишируют. Посредине третий электрод – сетка. Она потому так и называется, что и по виду своему, и по функциям напоминает обычную сетчатую изгородь. У сетки прогуливается «сторож» – управляющий электрический потенциал. В зависимости от данной ему команды, он либо вообще отгоняет электроны от сетки, возвращая их на катод, либо, напротив, помогает быстрее одолеть сетчатый барьер, скорее добежать до финиша–анода. В транзисторах же ничего подобного нет...»

Действительно, транзисторы устроены совсем не так, как лампы. Начать хотя бы с того, что даже электроды здесь называются по–иному. Вместо катода – эмиттер, вместо анода – коллектор. Л сетку почему–то называют базой. И полярность здесь шиворот–навыворот. Если на анод всегда подавали «плюс» электрического напряжения, а на катод – «минус», то тут как раз наоборот: «минус» на коллекторе, а «плюс» на эмиттере.

Дальше еще непонятнее. Внутри стеклянного баллона лампы – пустота, вакуум. Транзистор же представляет собой сплошной германиевый или кремниевый кристалл, говоря языком физиков – твердое тело. И все же электроны, когда нужно, благополучно добираются от эмиттера к коллектору. Да еще и усиливаются при этом, то есть их число увеличивается. Каким образом?

Радиолампа, транзисторы и микрочипы

В природе существуют три вида материалов: диэлектрики, проводники и полупроводники. В диэлектриках, – неметаллах, таких, например, как фарфор, стекло, слюда, – связи между атомными ядрами и электронами, кружащимися вокруг них по своим орбитам, очень прочны. «Беспризорных», ничейных электронов нет, поэтому эти материалы и не проводят электрический ток.

В проводниках – чаще всего это металлы, такие как серебро, золото, медь, алюминий, – свободных электронов очень много. Поэтому металлы хорошо проводят электрический ток.

И наконец, полупроводники – германий, кремний и некоторые другие вещества – стоят как бы посредине между проводниками и диэлектриками. Обычно в полупроводниках все электроны привязаны к своим атомам. Но эти связи не так прочны, как в диэлектриках. Время от времёни какой–нибудь особо шустрый электрон срывается со своей орбиты и отправляется «бродить» по полупроводнику.

Возле атома, от которого он оторвался, образуется «дырка», иными словами, положительный заряд, равный по величине заряду сбежавшего электрона. Если в «дырку» перескочит электрон соседнего атома – а по законам физики это возможно, – положительный заряд у данного атома исчезнет, зато образуется дырка в другом месте. В чистом полупроводнике, где совершенно нет примесей, число дырок и свободных электронов всегда одинаково и расположены они беспорядочно. Для целей электроники такой материал не годится. Тут по крайней мере нужно, чтобы материал проводил электрический ток в одну сторону, тогда это будет диод. А еще лучше, если при этом электрический ток будет еще и усиливаться – так работает триод.

Чтобы получить полупроводниковый диод, в один кусочек кристалла вводят ничтожное (порой всего несколько атомов) количество атомов сурьмы (примесь IV–типа). В другой такой же кусочек (или даже просто в другую зону) вводят такое же количество атомов индия (примесь Р–типа).

Сурьма имеет больше электронов, чем германий или кремний, и поэтому она создает в кристалле некоторый избыток свободных носителей отрицательного заряда. Индий же, напротив, имеет меньшее количество электронов, поэтому в другом кристалле (или его половинке) образуется избйточное число положительно заряженных «дырок». Если теперь спаять оба кусочка вместе, получится полупроводниковый диод.

Заготовки для интегральных схем

Действительно, что мы будем наблюдать, подключив к составному кристаллу электрическую батарею? Когда она будет подключена «плюсом» к электронной части, а «минусом» к дырочной, то все дырки сбегутся к отрицательному полюсу, а электроны потянутся к положительному. Ведь разноименные заряды взаимно притягиваются. Ток, таким образом, через кристалл не пойдет. А вот если мы поменяем полярность приложенного напряжения, присоединим положительный контакт батареи к «дыркам» и отрицательный – к электронам, ситуация сразу переменится. «Дырки» снова побегут к «минусу», а электроны – к «плюсу». Но бежать им теперь придется через весь кристалл. То есть, говоря иначе, через полупроводниковый диод потечет ток. Электроны нашли себе путь в твердом теле, побежали примерно так же, как и через пустоту вакуума в электронной лампе.