半導體與MOS管是一個什么物體？

還記得初中物理課上學到關于導體、絕緣體的知識么？

善于導電的物體稱為導體，例如金屬、人體、大地、石墨、酸堿鹽的水溶液等；

不善于導電的物體稱為絕緣體，例如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等；

那么半導體是什么？難道是一個什么物體，一半導電，一半絕緣？

我們先來看看導體導電的原理。

自然界中的一切物質都是由原子構成，原子包含原子核和圍繞原子核運動的電子，這些電子無時無刻不在圍繞著原子核運動。

有些原子最外層電子非?；钴S，如果給這類原子組成的物質施加一個電場，那么電場的正極就會把原子外層那些活躍的電子吸引走成為自由電子，電子被吸引，移動，就產生了電流。

這就是導體導電的原因：有自由電子形成電流。

同樣的，組成絕緣體的原子，其周圍電子被原子核牢牢束縛住，結構比較穩(wěn)定，一般情況下無法被電場吸引走形成自由電子，沒有自由電子便無法導電。

半導體

知道了導體導電的原理，我們很容易想到，組成半導體的原子，其周圍電子應該沒有導體那么活潑，也不如絕緣體那么穩(wěn)定。

科學家發(fā)現(xiàn)，硅原子最外層有4個電子，它的電子既不像導體中那樣活躍，也不像絕緣體那樣被緊緊束縛住，其活躍度介于導體與絕緣體之間。

硅原子組合在一起時，兩個相鄰原子周圍的電子會組成一種穩(wěn)定結構，如下圖，每個硅原子周圍都有8個電子：

這種純凈的硅有個學名，叫「本征半導體」。

純凈的硅幾乎不導電，如果想讓純凈的硅導電，可以把溫度升高，溫度升高時，硅原子周圍的電子逐漸變得活躍，可以掙脫原子核的束縛形成自由電子。

不過只靠溫度來控制半導體導電/不導電很麻煩也不準確，人們想要精確的掌控硅的導電性，于是發(fā)明了一個辦法：「摻雜」。

就是把其他元素添加到純凈的硅中。

硼原子最外層有3個電子，把少量的硼原子添加到純凈的硅片中，硼原子可以替換其中的一些硅原子。

硼原子的3個電子和其他硅原子無法形成穩(wěn)定結構。由于缺少了一個電子，就空出了一個空位，學名叫做「空穴」。

我們給摻入硼原子后的硅起個名，叫「P型半導體」。

如果給P型半導體外面加上一個電場，由于電場作用，一些硅原子周圍的電子會移動到空穴中，它就可以導電了。

磷原子最外層有5個電子，把少量磷原子添加到純凈的硅中，磷原子可以替換其中的一些硅原子。

磷原子的4個電子和其他硅原子形成穩(wěn)定的結構，多出的1個電子就成了活躍的自由電子。我們給摻入硼原子后的硅起個學名，叫「N型半導體」。

如果給N型半導體外面加上一個電場，由于電場作用，自由電子會移動，它就可以導電了。

二極管

將一個純凈的硅片一半摻入硼原子，另一半摻入磷原子會產生什么樣的現(xiàn)象？

如上圖，右邊N型半導體中有比較多的自由電子，P區(qū)幾乎沒有自由電子，由于濃度差不同，電子會從N區(qū)向P區(qū)移動，與其中的空穴結合，這樣在中間就形成了薄薄的一層接觸區(qū)。

P側接觸區(qū)增加了電子所以帶負電，N側減少了電子所以帶正電，這樣這個薄薄的接觸面就成了一個帶電的電場，學名叫做「內建電場」，電場的方向從N區(qū)指向P區(qū)：

內建電場與濃度差產生相反的效果，會推動電子從P區(qū)移動到N區(qū)。

最終，在濃度差和內建電場共同的作用下，電子在接觸區(qū)內來來回回，這個接觸區(qū)達到了一定的動態(tài)平衡。

這個接觸區(qū)有個學名，叫做「PN結」。

這個摻入兩種不同原子的硅片導電嗎？

我們給硅片加上一個與內建電場相反的外部電場（正極接P區(qū)，負極接N區(qū)），外部電壓會削弱內部電壓，內部電壓越來越小最后近乎沒有，并且N區(qū)自由電子在外部電場作用下逐漸增多。

內建電場減小，濃度差增大，電子會源源不斷從N區(qū)流向P區(qū)，這時的PN結導通，就像一個導體。

如果給這個硅片加上反向外部電場（正極接N區(qū)，負極接P區(qū)），外部電壓與內建電場同向，會加強內部電壓，內部電壓變得很大，同時N區(qū)自由電子在外部電場作用下減少。

內建電場增大，濃度差減少，內部電壓會阻礙電子流向P區(qū)，這時的PN結不導電，就像一個絕緣體。

上面描述的關于PN結的特性叫做「單向導電性」。

這段描述比較繞，我也是看了很多資料，自己在紙上畫來畫去才理解，如果你覺得暈，只要記住，純凈的硅經過摻雜后，就擁有了這樣的特性：接正向電場時，導通；接反向電場時，截止。

把做好的PN結外面加上一個殼，再引出2個導線，一個新鮮的「二極管」就誕生啦！

二極管的電路符號是這樣的：

最常見的二極管是發(fā)光二極管，它是有極性的。

如果你仔細觀察就能發(fā)現(xiàn)，一個引腳長，一個短，只有接對方向才會亮，接錯不會亮還有可能燒毀。

三極管

理解了二極管，三極管很快就可以明白。

在純凈的硅片上摻雜時，形成了2個PN結就是一個三極管

三極管有2種，NPN型和PNP型。

我們拿NPN型舉例，它中間P區(qū)摻入的硼原子不多，且P區(qū)很薄。

這時無論給這個三極管外部接正向電場或反向電場，由于2個反向的PN結的存在，它都不能導電。

怎么能讓它導電呢？整個三極管再接一個外部電場E2。

如上圖，下半段的PN結在E2的作用下處于導通狀態(tài)，電子從下面的N區(qū)流入P區(qū)，再流入電場E2。

但由于P區(qū)較薄，大量多余的電子流入了上面的N區(qū)，這時電場E1由于E2的導通也導通了。

三極管像不像一個開關？，E2接通時，小燈泡就被點亮，E2斷開，小燈泡熄滅。

三極管實物圖：

三極管的電路符號：

MOS管

最后一個管子叫MOS管，學名叫「場效應晶體管」，全名是金屬-氧化物-半導體型場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）。

用一塊低摻雜的P型硅片當做基礎，底部引出一個電極B極，上方利用一定的工藝制作出兩個高摻雜的N型區(qū)，這會形成2個PN結，在兩個N型區(qū)分別引出兩個電極S極和D極。

整個硅片上方中部制作一層SiO2（二氧化硅）絕緣層，再在SiO2上制作一層金屬鋁，引出電極G極。

在S極和D極加上電場EDS，由于兩個PN結反向，無法導通。

我們在G極和B極之間加上電場EGB，神奇的現(xiàn)象發(fā)生了，由于電場的作用，G極下方吸引了很多電子，當電子的濃度夠高時，在兩個N型半導體間形成了一條導通溝道，會將兩個N型半導體導通，從而使電場EDS導通。

MOS管也是一個開關，EGB接通時，小燈泡就被點亮，EGB斷開，小燈泡熄滅。

MOS管的實物和三極管很像，就不貼了，通常使用時，會把S極和B極接在一起，MOS管的電路符號：

?P-MOS，G極為低電平時導通，高電平斷開，可用于控制與電源之間的通斷?N-MOS，G極為高電平時導通，低電平斷開，可用于控制與地之間的通斷

場效應晶體管是制作大規(guī)模集成電路最基本的單元。

我找了一些歷史上CPU晶體管的數量統(tǒng)計，你們感受一下：

?1978年，英特爾8086，制作工藝3200nm，晶體管3萬個?2000年奔騰4，180nm，晶體管4200萬?2010年酷睿i7，32nm，晶體管11.7億?2020年，iPhone12蘋果A14芯片，5nm，晶體管118億

我們常用的stm32，制作工藝在130nm到40nm之間，晶體管數量大概在數十萬到數百萬之間。

上面提到的這個xx納米工藝，你一定經常在手機發(fā)布會聽到，這個納米長度指的其實是MOS管D極和S級之間導通溝道的長度。

導通溝道的長度越小，制造出的晶體管越小，相同面積芯片就能放下更多的數量，這樣CPU的性能越強。

end

硅、硼、磷等化學元素構成了電子計算機的物質基礎，硅是一切半導體器件的主要元素。

硅可以從沙子中經過復雜的工藝提純出來，說電子計算機的世界就是沙子的世界并不為過。

硅制造的晶體管可以用電控制「通」、「斷」兩種狀態(tài)。

我們就是用這兩種狀態(tài)造出芯片，進而造出手機、各種智能設備，還有游戲、音樂、電影。

說了這么多，好像知道這些對我們的日常工作也沒多大幫助，畢竟這個世界上制造芯片的人就那么一點點，不過你能看到這里還是很有耐心的。

我一直覺得，學習了底層知識，再解決上層問題時思路會變得更加開闊。所以這個「一沙一世界」系列會繼續(xù)講最底層的原理。

原文標題：半導體與MOS管

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責任編輯：haq