Транзистор?.. Это очень просто! - Айсберг Евгений Давыдович - Страница 15

Н. — Я думаю, что при этом примеси выгорают.

Л. — Ошибаешься. Процесс основан на том явлении, что примеси, стремясь остаться в жидкой зоне, уходят из тех частей германиевого слитка, которые, охлаждаясь, начинают затвердевать. Таким способом их постепенно перемещают от одного конца бруска германия к другому и после повторения этой процедуры несколько раз обрезают конец стержня, в котором собраны все примеси.

Н. — И его выбрасывают?

Л. — Нет, потому что германии стоит очень дорого. Его повторно используют при очистке следующей порции германия.

Н. — Я начинаю думать, что наша Гора вчера испытала на себе зонную очистку…

Л. — Кто такая Гора, и что за чепуху ты мне рассказываешь?

Н. — Гора — наша кошка (мы ее так зовем, потому что она наполовину ангорская). Обычно очень чистая, она, должно быть, связалась с дурной компанией и нахватала блох. Проведя гребнем много раз от головы до хвоста, мы освободили ее от примесей… Но как устроен гребень для германия? Я хочу спросить, каким образом удается расплавить узкую зону германия?

Высокочастотный нагрев

Л. — Делается это с помощью индукционного высокочастотного нагрева. Короткая катушка из нескольких витков охватывает зону плавления, по катушке пропускается от мощного генератора ток высокой частоты. Магнитное поле этой катушки наводит в массе германия токи, которые нагревают находящийся внутри катушки участок слитка до плавления (рис. 34).

Рис. 34. Зонная плавка осуществляется нагреванием находящегося в тигле германия с помощью токов высокой частоты, протекающих по катушке, которая медленно перемещается от «одного конца тигля к другому. Тигель помещен в кварцевую трубку, заполненную азотом или водородом.

Н. — Это же самое делали моему дяде Жюлю!

Л. — Что сделали твоему дяде? Что, у него тоже были блохи?

Н. — Нет, из-за злополучного падения его коленный сустав заполнился синовиальной жидкостью, и ему делали высокочастотную диатермию.

Л. — Я понимаю. Колено помещают между двумя хорошо изолированными электродами, к которым подводят напряжение высокой частоты. Созданное таким образом электрическое поле благодаря потерям в диэлектрике нагревает больной орган. Но в отличие от этого при индукционном нагреве, используемом в зонной очистке, нагрев создается магнитным полем, которое наводит токи в массе полупроводника. Чудесная особенность высокочастотного нагрева заключается в том, что как при действии электрического поля на диэлектрик, так и при действии магнитного поля на проводник нагрев внутренних частей происходит не из-за постепенного проникновения тепла от периферийных частей в глубину (как это рекомендуется при приготовлении хорошего бифштекса), а одновременно на всю глубину.

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.

После очистки-кристаллизация

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.

А теперь немного механики

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.