Транзистор?.. Это очень просто!

Верхний предел по частоте у высокочастотных планарных транзисторов удается расширить путем создания эмиттера, состоящего из нескольких соединенных параллельно маленьких зон, и размещения в этой конструкции выводов эмиттера и базы относительно далеко от этих зон.

Подумай только, дорогой Незнайкин, что все это осуществляется на кусочках подложки, внешние размеры которых в некоторых случаях не превышают трети миллиметра! Такие сложные структуры в таком небольшом объеме… Есть от чего прийти в восхищение.

Интегральные микросхемы

Я полагаю, что теперь ты лучше поймешь значение термина микроэлектроника. Но на этом твои восхищения не закончатся.

Создав на крохотной пластинке кремния такой сложный ансамбль, как планарный транзистор, специалисты пошли дальше, сформировав на одном и том же кусочке полупроводника блок из двух взаимно дополняющих транзисторов (транзистор со структурой р-n-р и транзистор со структурой n-р-n); этот блок, как ты знаешь, используется в некоторых схемах усилителей низкой частоты. С такой же легкостью им удалось создать в одном кристалле кремния несколько диодов, а затем и других приборов: канальных транзисторов, стабилитронов и т. д.

И, что очень важно, эти различные элементы соединены между собой выводами, сделанными методом металлизации, который я тебе уже описал. Это означает, что таким образом создаются уже не отдельные элементы радиосхемы, а интегральные микросхемы — т. е. совокупность многих элементов, образующих одно или несколько функциональных устройств, конструктивно оформленных как один элемент. Такие схемы могут содержать и пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.

Резисторы. Эти элементы формируются в виде линий, где вводимые в полупроводник примеси дозируются таким образом, чтобы получить заданное сопротивление. Резисторы можно создать также путем нанесения между контактными площадками по поверхности диэлектрика (двуокиси кремния) тонкого слоя резистивного материала, удельное сопротивление которого, длина и сечение рассчитываются с целью получения заданного сопротивления. Для этого часто используют нихром; придавая резистивному слою самые разнообразные рисунки, можно увеличить длину резистора.

Конденсаторы. Процесс их изготовления более сложный. Для получения конденсаторов небольших емкостей делают просто диоды, включенные в обратном направлении; эти диоды не пропускают электрический ток, но обладают некоторой емкостью.

Можно также сделать и настоящие конденсаторы; для этого на полупроводник наносят тонкий слой двуокиси кремния, служащий диэлектриком, и покрывают его слоем металла, образующего вторую обкладку конденсатора. Но следует отметить, что все создаваемые в интегральных микросхемах конденсаторы имеют небольшую емкость.

Катушки индуктивности. Ограничения по величине, о которых я говорил тебе применительно к конденсаторам, еще сильнее проявляются при изготовлении индуктивностей. Можно, конечно, нанести на полупроводник проводящий слой в виде спирали, обладающий определенной индуктивностью. Так делают в схемах, предназначенных для использования на сверхвысоких частотах. Но в принципе в интегральных микросхемах избегают использования катушек индуктивности.

Запомни, Незнайкин, что обычно стремятся сделать так, чтобы интегральная микросхема состояла в основном из транзисторов и диодов. При некоторой изобретательности удается заставить эти устройства выполнять самые различные функции: усиление во всех диапазонах частот, генерирование колебаний различной формы и частоты, коммутацию (запирание или открывание цепи — поэтому такие схемы иногда называют «вентилями») и т. д.

Технология МС

Дорогой друг, ты несомненно догадался, что сокращение МС обозначает микросхема. Это название охватывает широкую гамму разнообразных устройств; в производстве которых используют уже рассмотренные нами технологические процессы: изоляцию, применение масок, фотолитографию, диффузию, металлизацию и т. д. Но если проанализированное нами в качестве примера производство планарного транзистора требует дюжины операций, то изготовление МС обычно требует значительно большего количества операций.

Интегральные микросхемы формируются одновременно десятками или сотнями на одной пластине-подложке, имеющей диаметр 3 см и толщину 0,25 мм.

Среди микросхем, которые обычно делают на подложке из изоляционных материалов, в зависимости от метода изготовления различают: тонкопленочные микросхемы, получаемые вакуумным напылением или катодной бомбардировкой, и толстопленочные, получаемые путем нанесения соответствующих материалов по заранее созданному рисунку.

Сами интегральные микросхемы занимают ничтожный объем. Но их необходимо соединить золотыми проволочками (проволочки припаиваются под бинокулярным микроскопом) с контактами корпусов, в которые они помещаются. В этом-то и заключается драма! Объем корпуса, который может достигать одной пятой части кубического сантиметра, в тысячу раз больше объема самой МС. Не находишь ли ты в этом сходство с пауком, лапки которого занимают больше места, чем тело?.. Я добавлю, что в производстве интегральных микросхем дороже всего обходятся припайка выводов и монтаж микросхемы в корпус.

Тем не менее, дорогой Незнайкин, не будем злословить по поводу МС, являющихся прекрасной победой человеческого разума в области технологии.

В дополнение к своей исключительной портативности они обладают многочисленными достоинствами. Прежде всего следует назвать их высокую надежность. Этот термин означает, насколько можно полагаться на исправную работу устройства. А вероятность отказа у МС очень низкая, так как они сделаны из одного куска твердого тела. В них нет паек, нет и более или менее надежных контактов… Это прочная конструкция, и на нее можно положиться!

При производстве в больших количествах МС обходятся дешевле эквивалентных схем, собранных из дискретных компонентов. Применение МС позволяет существенно снизить затраты на рабочую силу.

И, наконец, малые размеры МС дают еще одно преимущество, о котором часто забывают — очень малое время перехода. В современных электронных вычислительных машинах некоторые операции производятся за время, измеряемое наносекундами, т. е. миллиардными долями секунды. Но какой путь за такую долю секунды может пройти луч света или электрический ток в прекрасном проводнике? Попробуй ответить на этот вопрос, не читая моего письма дальше и не приступая к расчетам, учитывающим скорость 300 000 км/с.

Согласен поспорить, Незнайкин, что твоя оценка далека от истины, а она гласит, что за одну наносекунду свет или электрический ток проходит 30 см. Это означает, что в ЭВМ, насчитывающих тысячи микросхем, их нужно расположить достаточно близко одну к другой, чтобы время прохождения тока не замедляло выполнения операций.

Новая философия

Появление МС настоятельно требует новой философии конструирования электронной аппаратуры. Некогда разрабатывали схемы включения компонентов, из которых собиралась аппаратура. В наши дни инженер должен придумать цепочку функций, каждая из которых выполняется одной МС.

Эволюция МС продолжается; возможности их становятся все более разнообразными. ЭВМ выступают в качестве крупных потребителей так называемых бинарных схем, обладающих двумя устойчивыми состояниями: они открыты для прохождения тока или закрыты. Я тебе уже говорил, что их называют также «вентилями».

Другие схемы называются линейными, так как их выходное напряжение изменяется пропорционально изменениям сигнала на входе.

Ничто не останавливает прогресса в этой области, мой дорогой друг Незнайкин. Если ты перечитаешь-это письмо через несколько лет, то невольно улыбнешься, так как многое несомненно изменится. Лишь одно останется неизменным — дружба, в которой заверяет тебя

Твой Любознайкин