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.

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.

Экскурсия продолжается

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.