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?
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.
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.
Если мы сплавим не два, а три кусочка: «дырочный», электронный и снова «дырочный», то получится уже триод. Или, как его еще называют, – транзистор. Для работы транзистора нужны две батареи. Одна подключается «плюсом» к левой, «дырочной» части, – это и будет эмиттер. «Минус» этой батареи подключен к средней, электронной части кристалла, – здесь будет база транзистора. Вторая батарея подключена «плюсом» к базе. «Минус» этой батареи подключается к правой «дырочной» части, к коллектору.
Положительный потенциал первой батареи отталкивает «дырки» эмиттера, и они уходят на базу. Казалось бы, дальше идти некуда. Переход между базой и коллектором закрыт; вторая батарея включена так, что притягивает к своим полюсам электроны базы и «дырки» коллектора. Но закрыт этот переход только для «родных» электронов и «дырок» коллектора. А пришлые «дырки», оказавшиеся на базе по милости первой батареи, свободно перепрыгивают заградительный барьер и уходят к коллектору. Им помогает в этом отрицательный полюс второй батареи.
Стало быть, через обе батареи и триод пойдет «дырочный» ток. Какая–то часть этого тока ответвится на базу и замкнется через первую батарею. Но триод конструируют так, чтобы сила этого тока была мала, во много раз меньше силы основного тока, текущего из эмиттера через базу на коллектор. Базовый ток нужен лишь для того, чтобы с его помощью управлять основным потоком электронов, то есть транзистор является таким же усилителем сигнала, как и электронная лампа.
Но мы. с вами несколько углубились в теорию. Давайте вернемся на завод микроэлектронных изделий и продолжим знакомство с производством микросхем, уже с большим знанием дела проследим, что происходит с полупроводниковым кристалликом дальше. Теперь–то вы понимаете, для чего в него в одном месте нужно вводить примеси N–типа для получения электронной проводимости, а в другом примеси P–типа для получения «дырочной» проводимости.
«Транзистор включает в себя три области кристалла, которые обладают проводимостью разного типа, – говорит нам технолог. – Это эмиттер, база и коллектор. У базы проводимость «дырочная», а у эмиттера и коллектора, расположенных по обеим сторонам базы, – электронная. Или наоборот...»
По технологическим соображениям транзисторы интегральных схем конструируются так, что их кристаллические области как бы вложены одна в другую. Вот как это делается.
На кремниевую пластинку с проводимостью необходимого типа наносят маскирующую пленку (например, окись кремния) и фоточувствительный элемент – фоторезист. Теперь на нем надо наметить размеры будущего коллектора. Для этого засвечивают фоточувствительный слой через окошко в фотошаблоне – стеклянной металлизированной пластинке, на которую нанесен необходимый узор. Фоторезист экспонируют ультрафиолетовым светом, фотошаблон убирают, засвеченный слой проявляют. Экспонированный фоторезист растворяется, обнажая второй слой маски – слой окиси кремнии. Затем кремниевую пластину помещают в травящий раствор, который растворяет окисел, но не действует на кремний и фоторезист. На этом процесс фотолитографии заканчивается. Фоторезист удаляют, а обтравленную пластину отправляют в высокотемпературную печь, в атмосферу фосфора или бора. Это делается для получения соответственно областей с «дырочной» или электронной проводимостью.
Коллектор готов. Теперь надо формировать базу, и все повторяется сначала. Причем добавляется новая довольно сложная операция – совмещение каждого последующего фотошаблона с уже нанесенным на пластину рисунком; ведь последующие фотошаблоны уже нельзя накладывать на пластину как попало. А при изготовлении некоторых транзисторов иногда требуется десяток фотошаблонов.
И вот блестяще отработанная, повсюду применяемая фотолитография в 70–е годы XX века зашла в тупик. Она оказалась неспособной обеспечить воспроизведение структур меньше 1–2 мкм. И дело тут было уж вовсе не в сложностях точного совмещения фотошаблонов. Просто фотолитография приблизилась к предельным возможностям, связанным с длиной световой волны. Не помогло даже то, что технологи от видимого света перешли к более коротковолновому ультрафиолетовому излучению – свет все равно огибает препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны.
Попробовали заменить световой источник энергии электронным лучом. Казалось бы, все в порядке: длина волны ускоренного электрона, используемого в электронном микроскопе, на несколько порядков меньше длины световой волны. Но за это решение пришлось заплатить весьма дорогох! ценой: неимоверно возросли трудности, связанные с точным совмещением шаблонов, а это, в свою очередь, привело к резкому подорожанию самих интегральных схем.
Тогда технологи решили испробовать обходные пути, которые бы позволили формировать структуры интегральных схем без переноса рисунков. Среди доброй сотни всевозможных принципов давайте обратим особое внимание на способ самоформования, разработанный в Институте физики полупроводников АН Литвы С.С. Янушонисом и его коллегами. Он интересен не только тем, что допускает для формирования супермикронных структур использовать относительно простое технологическое оборудование. Еще этот способ характерен тем, что позволяет электронным микросхемам... самим себя лечить!
Как это может быть, проще всего понять на таком примере. Существуют шины, которые сами себя ремонтируют. Внутрь шины, кроме воздуха, закачивают небольшое количество герметика. Когда при проколе из шины начинает выходить воздух, вместе с ним в отверстие попадает и герметик, который и затыкает, ликвидирует прокол.
Аналогично, если в структуру твердого тела добавить особую примесь, то при «пробе» электрической схемы она, подобно клею–герметику, восстановит целостность проводника.
Таков сегодняшний день технологии микроэлектроники. А каково его будущее?
Представьте себе, в долгом космическом полете начнет выходить из строя электронная аппаратура – части «мозга», управляющего кораблем. Использовать резервные блоки можно с известной натяжкой – ведь они будут стареть вместе с основной аппаратурой. А вот методы самоформования открывают пути саморемонта. Компьютер найдет вышедший из строя элемент и даст команду на включение физико–химических механизмов его регенерирования. Через некоторое время структура элемента будет восстановлена.
Таков лишь один из примеров нанотехнологии – нового направления, основы которого формируются уже сегодня. В дальнейшем, полагают специалисты, подобными методами можно будет выращивать не только отдельные элементы микроэлектроники, но и самые различные устройства и машины.
Не поверите, но увидеть сказочную скатерть–самобранку можно уже сегодня. Причем за ней вовсе не надо лететь за тридевять земель на ковре–самолете или топать в тех же сапогах–скороход ах. Да и само «тридевятое царство, тридесятое государство» выглядит вполне современно – этакий небоскреб из стекла и бетона, на этажах которого в сверхчистых лабораториях, где наперечет все пылинки, и творят свои чудеса нынешние кудесники – нанотехнологи.
Нанотехнология – так называется новая революционная отрасль современной техники. Приставка «нано», происходит от греческого слова nannos – карлик (отсюда нанометр – одна милдиардная доля метра).
Этот термин появился в середине XX века благодаря нобелевскому лауреату, известному физику Ричарду Фейнману. Он еще в 1959 году говорил, что человечество скоро научится манипулировать отдельными атомами, молекулами или живыми клетками и сможет синтезировать все, что угодно.
Самому Фейнману не удалось дожить до осуществления своей мечты. И будущие открытия в этой области оказались связаны с именем другого американца – Эрика Дрекслера.
В 1977 году Эрик был студентом pi мечтал о колонизации далеких миров и планет. Однако к моменту окончания учебы выяснилось, что с полетами 1с звездам придется пока подождать – нет у нас пи соответствующей технологии, ни подходящей техники.
И тогда Эрик решил колонизировать... самого человека. Он предложил сконструировать молекулярные машины – своеобразные искусственные биологические молекулы, работающие в живых клетках.
Предлолшть–то предложил, но опять–таки мечта уперлась в технологические проблемы. Впрочем, на сей раз Дрекслеру повезло больше... В 1981 году ученые швейцарского отделения всемирно известной фирмы «ИБМ» изобрели силовой туннельный микроскоп. Благодаря этому новшеству стало возможным манипулирование мельчайшими частицами материи – с помощью силовых полей исследователи получили возможность переносить из одного места в другое даже отдельные атомы.
Работает туннельный микроскоп так. Над полупроводниковой или металлической подложкой расположена тончайшая вольфрамовая игла. Нащэяженио порядка 10 вольт создает разность потенциалов между иглой и подложкой, являющимися в данном случае как1 бы обкладками конденсатора. Причем из–за малости зазора и крошечных размеров кончика иглы напряженность электростатического поля получается весьма солидной – около 108 В/см. Оно, это поле, и является основной действующей силой туннельного микроскопа: точнее, одной из его разновидностей – атомного силового микроскопа.
Работать этот агрегат может в двух режимах. Если мы будем с помощью специальной схемы поддерживать ток и напряжение между иглой и подложкой постоянными, то при сканировании (многократном проведении) иглы над поверхностью ее придется то опускать, то приподнимать, в зависимости от рельефа. Таким образом, игла, подобно патефонной, будет копировать профиль поверхности.
Поскольку любой механический привод весьма груб, перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1 вольт игла смещается на величину порядка 2–3 нанометров.
Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер поверхности. Воочию ее можно увидеть на экране дисплея, подсоединенного к туннельному микроскопу.
Кроме «микроскопии на ощупь» с помощью аналогичной установки можно формировать саму поверхность. Если игла подведена к поверхности чересчур близко даже по меркам нанотехнологии, то в локальном электрическом поле появляются силы, достаточные для того, чтобы стягивать к игле атомы, подобно тому, как к наэлектризованной стеклянной палочке притягиваются бумажки и соринки. Можно даже оторвать от поверхности одиночный атом, перенести его в другое место, а затем внедрить его тут.
Именно таким образом, например, в 1990 году специалисты фирмы «ИБМ» выложили название своего предприятия всего из 35 атомов ксенона. Но это было не более чем баловство профессионалов, так сказать, первая проба пера.
В дальнейшем нанотехнология перешла к решению проблем более серьезных.
Большинство предметов, созданных человеком, как известно, имеют в своей структуре триллионы триллионов атомов. И для того чтобы получить из какого–то сырья полезную вещь, надо эти атомы упорядочить.
Конечно, от изготовления первых кремниевых рубил до компьютеров на кремниевых же микрочипах – дистанция огромного размера. Но суть методики всегда была одна – обрабатывая детали, мы отсекаем лишнее, пытаемся навести порядок в кристаллической структуре.
Но действуем мы пока что на макроуровне. Правда, со времен Левши мы продвинулись и в покорении микромира. Современные технологи уже научились обращаться с объектами микрометровых размеров. Те же микрочипы – тому свидетельство. В них работают группы в тысячи атомов, может быть в сотни.