Беседы об информатике

Раз уж мы заговорили о примесях, давайте поговорим о том, какое вещество вообще считать чистым. Сказочная принцесса ощущала одну-единственную горошину через десяток тюфяков и перин. Бросив четверть чайной ложки (около грамма) поваренной соли в стакан воды, мы с полным основанием скажем, что вода соленая. А если крупинку (примерно миллиграмм) дегтя растворить в бочке меда? Ручаемся, этого не заметит самый придирчивый дегустатор.

Теперь давайте подсчитаем. Миллиграмму дегтя в бочке меда соответствует концентрация примеси в 0,0002 процента. Это очень мало, и обнаружить такую концентрацию примеси нелегко, даже пользуясь методами тонкого химического анализа. О том, чтобы обнаружить ее на вкус, не может быть и речи. Будем рассуждать иначе.

Для производства интегральных схем (читатель уже понял, что к ним-то мы и подбираемся) сейчас почти исключительно используется кремний. В кубическом сантиметре чистого кристаллического кремния содержится примерно 10²² атомов. Ширина запрещенной зоны у кремния составляет 1,07 электрон-вольта. Это довольно много. Поэтому при комнатной температуре (300 градусов Кельвина) только примерно десяти миллиардам электронов (10¹⁰) удается совершить прыжок из валентной зоны в свободную. В чистом кремнии при комнатной температуре концентрация электронов в свободной зоне составляет 10¹⁰ на кубический сантиметр. Концентрация дырок имеет ту же самую величину, ведь, покидая валентную зону, каждый электрон оставляет там дырку.

Представьте себе, что к чистому кремнию добавили немного сурьмы, скажем, 10¹⁴ атомов на кубический сантиметр. Сурьма представляет собой донорную примесь; и каждый ее атом отдает в свободную зону один электрон. Концентрация электронов в свободной зоне становится примерно равной 10¹⁴ на кубический сантиметр, то есть в десять тысяч раз больше, чем у чистого кремния. Добавляя такую концентрацию сурьмы, увеличивают электропроводность кремния в десять тысяч раз.

Забегая вперед, скажем, что этого уже достаточно для достижения нашей главной цели. Сила тока пропорциональна электропроводности. Электрический ток некоторой величины условимся считать сигналом, передающим значение единицы Булевой переменной. Тогда ток, в десять раз меньший, мы с полным основанием можем считать другим (отличным от первого) сигналом, передающим другое значение логической переменной.

Пока нам хотелось бы подчеркнуть другое. Десять в четырнадцатой степени атомов примеси в одном кубическом сантиметре кремния соответствуют концентрации в одну миллионную долю процента. Примерно в сто раз меньше, чем в нашем примере с миллиграммом дегтя. Так вот, такого ничтожного количества примеси достаточно, чтобы коренным образом изменить одно из свойств вещества, грубо говоря, превратить изолятор в проводник.

Все это весьма поучительно и наводит нас на размышления о том, какой должна быть технология производства полупроводниковых приборов, если приходится оперировать с концентрациями примеси порядка миллионных долей процента.

Не забыли ли мы о дырках? Нет, не забыли. Даже если бы в кремнии после добавления к нему сурьмы оставались те же самые 10¹⁰ дырок на кубический сантиметр, мы были бы вправе не заметить этого количества на фоне 10¹⁴ электронов в том же кубическом сантиметре. На самом деле в кремнии с примесью сурьмы дырок оказывается меньше, чем в чистом кремнии. Почему? Потому что теперь условия перехода из валентной зоны в свободную стали сложнее. Недостаточно накопить энергию, необходимую для перескока через запрещенную зону, надо еще отыскать в свободной зоне незанятый энергетический уровень.

Ура! Создана контактная пара без движущихся частей. Берете кусочек чистого кремния и подсоединяете к нему электроды. Тока он не проводит (или почти не проводит) — контакты разомкнуты. Добавляете крошечное количество примеси, ток пошел — контакты замкнулись. Причем совсем необязательно добавлять к кремнию сурьму, то есть донорную примесь. С тем же успехом можно добавить, скажем, алюминий.

Алюминий дает дополнительные уровни вблизи верхней границы (потолка) валентной зоны. При температурах порядка 150 градусов Кельвина электроны из валентной зоны переходят на эти уровни, оставив после себя соответствующее количество дырок.

Концентрация дырок в валентной зоне, а следовательно и электропроводность, зависит от температуры, поскольку все дополнительные примесные уровни оказываются занятыми уже при очень малых температурах. Такой полупроводник называют дырочным. Но нам-то все равно, какую примесь добавлять. С точки зрения электропроводности 10¹⁴ дырок на кубический сантиметр в валентной зоне дадут тот же эффект, что и 10¹⁴ электронов в свободной зоне.