Транзистор — это очень просто.

«Транзистор — это очень просто». Книга с таким названием появилась на нашей книжной полке, когда в квартирах ещё стояли первые телевизоры марки «КВН» с экранами, как почтовая открытка, когда на улицах восхищенными взглядами провожали счастливых обладателей переносных (ещё не карманных!) приемников, а слова «микрокалькулятор» не было ни в одном толковом словаре мира.

Представьте себе это, глядя на экран современного телевизора или дисплей персонального компьютера, и оцените дистанцию, пройденную электроникой за пять десятилетий. Небо и земля!

Но что же транзистор? Если уже тогда, в начале 60-х, «это» было «очень просто», то сегодня, наверное, и вовсе никаких сложностей не осталось?

Будь так, не приходилось бы нести в ремонт только что купленные магнитофоны и радиоприёмники, реже выходили бы из строя телевизоры, электронные часы...

Конечно, надёжность любого полупроводникового прибора имеет множество составляющих. Она зависит и от грамотности разработки схемы, от конструкции прибора, условий его работы. Каждый конкретный выход микросхемы из строя — это вроде бы случайность. Но статистика позволяет увидеть за случайностями закономерность. Чем выше степень интеграции, то есть чем больше деталей, тем больше процент брака, тем чаще отказы во время эксплуатации. Ведь чем больше деталей, тем больше вероятность, что какая-то из них откажет, идет ли речь о деталях полупроводниковых мик-росхем или механических часов. Но в том и дело, что надёжность микросхем падает не соразмерно росту их сложности, а в геометрической прогрессии.

Почему? Виновата неидеальность структуры полупроводника. Для отдельного, как говорят специалисты, дискретного транзистора микродефекты, которые всегда есть в материале, не так уж важны. Ведь его «детали» относительно велики, видны невооруженным глазом. В микросхемах же элементы микроскопически малы. И для мик-ротранзистора дефект структуры уже не «микро». А откажи в микросхеме хоть одна из сотен тысяч, а то и миллионов составляющих её частичек — деталей, выйдет из строя и вся микросхема.

Откуда же берутся дефекты структуры? Чистота материалов, которые используются сегодня в электррнной промышленности,— её принято выражать в процентах — составляет 99 целых и ещё много девяток после запятой. Значит, получать кристаллы-заготовки для производства полупроводниковых приборов можно практически безупречные по структуре. Вроде бы всё так. Но в том и дело, что без примесей, правда строго определенных, не создать не только микросхему, а даже один-единственный транзистор.

Откроем энциклопедический словарь. «Транзистор — полупроводниковый прибор, в котором создано несколько (обычно не менее трёх) разнородных областей...»

Не будем глубоко погружаться в физику полупроводников, но раскрыть подробнее лаконичную формулировку словаря всё же необходимо.

Под разнородными областями понимают участки полупроводника, в которых либо есть избыточные электроны, либо их не хватает. В месте контакта этих областей и образуется так называемый полупроводниковый переход, которому обязаны работоспособностью все без исключения полупроводниковые приборы.

В чистом полупроводнике, в том самом, со множеством девяток после запятой, как вы понимаете, ни избытка электронов, ни недостатка нет. Чтобы нарушить электрическое равновесие, в полупроводник нужно ввести примесь — вещество с валентностью большей или меньшей, чем у него. (Валентность, как вы помните,— это свойство атомов одного элемента присоединять или замещать определенное количество атомов другого.) Если ввести в кремний — его валентность равна четырём — пятивалентный мышьяк, появится избыток электронов. Ввести трёхвалентный индий — образуется дефицит зарядов, или, как его ещё называют, дырки.

Так и поступают на практике. И этим ухудшают структуру полупроводника...
Выход учёные ищут давно. Вот если бы полупроводники, например тот же кремний, который благодаря распространенности и физическим свойствам стал основным материалом для производства микросхем, легировать примесями, которые имеют сходную с ним структуру. Вспомнив старинное сравнение атомов вещества с кирпичиками, можно сказать, что «кирпичики» примесей должны быть того же размера.

Перебрав множество материалов, учёные обнаружили подходящий по структуре. Им оказался германий. Но валентность у него, увы, та же самая. Значит, электрическое равновесие в кремнии он не изменит. Легировать им кремний — получится «масло масляное»...

Специалисты Института тонкой химической технологии знали об этом и всё же вели исследования, растворяя германий в кремнии.

Твёрдые растворы этих элементов интересны сами по себе. Судите сами: ниже какого-то предела концентрации атомы германия, будучи введены в кремний, вовсе с ним не взаимодействуют. Выше этого порога начинается взаимодействие, но оно может идти по различным сценариям: иногда атомы германия группируются вокруг атомов кремния, иногда образуют собственные группировки.

Где этот порог концентраций? От чего зависит? Что влияет на поведение атомов? Эти вопросы и были предметами исследований. Но, как нередко бывает в науке, обнаруженный эффект представил интерес и в другой плоскости: у образца кремния с добавками германия вдруг обнаружили ярко выраженную, классическую электронную проводимость!

Мы говорили уже, как велика роль примесей в полупроводниковой технологии. Достаточно микроконцентраций постороннего вещества, и полученный образец начинает проявлять свойства самые неожиданные. А методика эксперимента, который поставили ученые, позволяла предположить, что лазейки для примесей были.

Перед началом легирования германий растворяют в расплаве олова, а потом на короткое время открывают специальную шторку реактора, отделяющую расплав от кремниевой подложки, после чего начинается диффузия — кремний как бы вытягивает германий из расплава.

И в олово по чистой случайности могли попасть посторонние примеси, и на стенках графитового реактора, если обработали его перед опытом недостаточно тщательно, могли остаться химические следы прошлых экспериментов.
Чтобы исключить элемент случайности, повторили эксперимент, изменив условия, затем ещё раз... Эффект не исчезал!

Почему же примесь той же валентности, что и полупроводник, изменила электрическую картину в кремнии, откуда взялись лишние электрические заряды?

Как удалось установить, все дело в кремнии. Да, чистота его очень высока, да, структура практически безупречна. Но... лишь теоретически — при очень низкой температуре — почти абсолютном нуле! Тепловое движение расшатывает атомы, часть их срывается из узлов кристаллической решетки. Получается парадоксальная картина: с одной стороны, в веществе ровно столько атомов, сколько нужно, а стало быть, и достаточно электронов. С другой — в узлах решетки вакансии — свободные места. Их и занимают атомы германия, добавляя кремнию тем самым дополнительные заряды. Они создают электронную проводимость, не ухудшая структуру! А это, в свою очередь, ведет к тому, что качество полупроводниковых приборов повышается в десятки раз. Следовательно, пусть ещё не сегодня, но появятся полупроводники, надежность которых, как чистота материалов, будет выражаться цифрой со множеством девяток после запятой.

На этом можно было бы поставить точку. Но остается вопрос, который в последнее время для нас становится всё актуальнее: насколько современны исследования по уровню? Каково их место в мировой науке?

Radiobank.ru