Евгений Айсберг - Транзистор?.. Это очень просто!

Н. — Но вернемся к нашему германию. Катушка медленно двигается от одного конца тигля к другому…

Л. — …если только не сам тигель медленно движется внутри катушки, что дает такой же результат. В действительности устанавливается несколько катушек на определенном расстоянии одна от другой с тем, чтобы за один проход тигля получить несколько зон плавления, чередующихся с зонами затвердевания. Результат получается такой же, как если бы вдоль слитка германия несколько раз прогнали одну зону плавления. Я хочу подчеркнуть, что германий движется очень медленно: один миллиметр в минуту.

Н. — А что делают с кремнием?.

Л. — То же самое, только при более высокой температуре: если германий плавится при 940 °C, то для плавления кремния нужно 1420 °C.

Н. — А почему таким образом очищенный полупроводниковый материал нельзя непосредственно использовать для изготовления транзисторов? Разве он не кристаллический?

Л. — Он кристаллический, но это еще не такие кристаллы, какие нужны нам. После зонной очистки слиток состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Нам же нужна исключительно правильная, единая для всего куска германия кристаллическая решетка, ориентацию которой мы должны знать. Такую единую решетку, образующую монокристалл , получают путем выращивания кристалла вокруг маленького кристаллика, именуемого «затравкой».

Н. — В свое время я забавлялся, выращивая красивые кристаллы; для этого в стакан с крепким раствором поваренной соли я опускал нитку с приклеенным крохотным кристалликом соли. За неделю вокруг этого кристаллика образовывался чудесный прозрачный куб. Не таким ли образом выращивают кристаллы полупроводника?

Л. — Принцип тот же, но вместо раствора используют очищенный германий в расплавленном состоянии. В него опускают затравку, укрепленную на нижней части стержня, который вращается вокруг своей оси и одновременно очень медленно поднимается (рис. 35).

Рис. 35. Вытягивание монокристалла. Находящийся в тигле полупроводниковый материал поддерживается в расплавленном состоянии с помощью высокочастотного нагрева.

Вокруг затравки атомы германия (или кремния) выстраиваются в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевает, обволакивая затравку. В результате этого процесса через несколько часов получают монокристаллический стержень диаметром в несколько сантиметров, длиной до 30 см, массой 1 кг и больше. Из него можно сделать тысячи транзисторов.

Н. — Одним словом, этот монокристалл представляет собой полупроводник высокой чистоты.

Л. — Нет, я забыл сказать тебе, что в расплавленную массу, из которой вытягивают монокристаллы, добавляют примесь типа р или n , так как для изготовления транзистора обычно требуется материал, содержащий определенную примесь в нужном количестве. Тогда одна из областей будущего транзистора, например база, уже будет готова.

Н. — Ты сказал мне, что из одного монокристалла делают тысячи транзисторов; значит ли это, что его дробят на мелкие кусочки?

Л. — Разумеется. Для начала монокристалл режут, как обычную колбасу, на ломтики или пластинки толщиной от 0,1 до 2- мм. Такая тонкая операция производится алмазной дисковой пилой. Можно применять также ленточную пилу, состоящую из вольфрамовых нитей с абразивным покрытием. Затем каждая пластинка в свою очередь разрезается на маленькие квадратики со стороной в несколько миллиметров. Один такой квадратик с размером 2x2 мм при толщине 0,5 мм весит всего лишь 0,01 г. Ты можешь подсчитать, что теоретически одного монокристалла в 5 кг достаточно на полмиллиона транзисторов! В действительности же при обработке немалая часть монокристалла превращается в отходы, что снижает выход годных транзисторов.

Н. — Все же их получится внушительное количество, даже если предположить, что половина материала идет в отходы. Однако как эти чешуйки германия превращают в готовые транзисторы?

Л. — «Отравляя» такую чешуйку с обеих сторон примесью другого типа по сравнению с содержащейся в самой чешуйке. Например, если чешуйка вырезана из монокристалла с примесью типа n , то с обеих сторон в чешуйку вводят примесь типа р с тем, чтобы образовать эмиттер и коллектор транзистора типа р-n-р .

Н. — Уважаемый Любознайкин, у меня блестящая идея: почему бы не выпускать «полностью испеченные» транзисторы, вводя обе примеси сразу ж при вытягивании кристалла. Например, в начале вытягивания в расплавленную массу полупроводника можно было бы бросить примесь тала р , хотя бы индий. Затем после образования зоны р и выведения ее из расплава в последний можно было бы бросить примеси типа n , например мышьяк, чтобы получить зону с проводимостью типа n . Затем следовало бы добавить индия, чтобы акцепторы стали основными носителями зарядов, что снова дало бы нам зону р , и т. д. В конечном итоге мы получили бы стержень германия с чередующимися зонами типов р и n . Достаточно было бы разрезать его на пластинки с зоной типа n посередине, чтобы получить транзисторы типа р-n-р , и с зоной типа р посередине, чтобы получить транзисторы типа n-р-n . Согласись, Любознайкин, что иногда мне приходят в голову гениальные идеи!

Л. — Что мне нравится в тебе, так это скромность… К сожалению, твоя идея не нова. Она давно известна и лежит в основе изготовления так называемых выращенных или «тянутых» переходов. Метод этот неэкономичен, так как полученные с его помощью зоны обладают довольно большой толщиной. Кроме того, прибавляя каждый раз примесь то одного типа, то другого, непрерывно повышают содержание примесей в поочередно образуемых зонах, что также не лишено недостатков. Тем не менее метод выращивания переходов применяется еще и в наши дни, особенно при изготовлении транзисторов из кремния.