沙子是如何變成芯片的？

本文主要講解了切屑形成的過程。沙子是如何變成芯片的？在開始介紹電的一系列基本概念和各種繁瑣的公式之前，我想解決我們大多數(shù)人一直以來的疑問。但是，這個問題仍然很難用幾句話來回答，我們至少要用十幾節(jié)來完成這里所包含的所有知識。因此，在本節(jié)中，我將重點回答最有趣和最重要的部分：沙子如何成為晶體管？

一、從砂到切屑--切屑形成過程

PN結(jié)是一種廣泛存在于半導(dǎo)體器件中的結(jié)構(gòu)。它實際上不是一個非常準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。PN結(jié)實際上是一種現(xiàn)象，是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的接觸部分附近發(fā)生的耗盡。

這里有很多術(shù)語，如果我從各種百科全書中到處拉一點，組合起來的東西幾乎是這樣的。一開始，為什么二極管具有單向電導(dǎo)率，為什么三極管可以放大電流？為什么JFET可以限制電流的問題一個接一個地困擾著我。

各大高校教材的問題在于，從來不講詳細(xì)的原理，即使說了也聽不懂，導(dǎo)致問題越來越多，公式、理論也很難記住。直到不久前，我才終于明白了他們的原理。為了方便大家理解以下系列理論，第一部分將非常詳細(xì)，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

二、什么是半導(dǎo)體

讓我們談?wù)勈裁词前雽?dǎo)體。半導(dǎo)體是在導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)電性能之間具有導(dǎo)電性能的材料。我們知道導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別在于導(dǎo)體中有大量的自由電子，而絕緣體中幾乎沒有自由電子。那么，純硅晶體能導(dǎo)電嗎？

純硅晶體

在上圖中，藍(lán)色固體球體是硅原子，藍(lán)色空心球體是電子。硅原子是正四價的，所以一個原子周圍有四個電子（8-4=4）。每個硅原子與周圍的硅原子共享四個電子，形成八個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在這種情況下，純硅晶體中幾乎沒有自由電子

• 電子被共價鍵牢固地結(jié)合，因此純硅晶體是絕緣體。

那么我們?nèi)绾翁岣吖杈w的導(dǎo)電性呢？第一種方法是增加自由電子。加入自由電子后，由于電子帶負(fù)電，我們將帶有自由電子的硅晶體稱為N形半導(dǎo)體，其中“N”是“負(fù)”的縮寫。添加自由電子的操作在專業(yè)上稱為摻雜。聰明的學(xué)生可以從這個術(shù)語開始，思考自由電子是如何添加到晶體中的。

我們需要用價比硅高的原子代替硅原子，這樣這個原子周圍就會有9個電子。這個額外的電子將成為自由電子并增強晶體的導(dǎo)電性。摻雜此步驟通常通過使用離子束在真空中轟擊硅晶體來完成。離子將撞擊一部分硅原子，并將所需的原子注入離子實施中。

負(fù)極半導(dǎo)體

什么原子的價比硅高？磷作為一種雜質(zhì)，含量非常低，可以近似這些磷原子作為晶體的一部分。在正常情況下，磷的額外電子停留在供體原子附近。但是，一旦我們在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)施加電壓，由于八個電子的穩(wěn)定性高于九個電子，Si和P原子都會“丟棄”電子，它將從電池的負(fù)極變成自由電子。運行到電池的正極。定向移動的自由電子產(chǎn)生電能。

自由電子的定向運動

既然我們知道“N”代表“負(fù)”，那么自然而然地，“P”代表“正”。在解釋什么是P型半導(dǎo)體之前，我必須問幾個問題：

（1）如何使硅晶體減少電子？

（2）我們使用的雜質(zhì)應(yīng)該更活潑還是更穩(wěn)定？

（3）雜質(zhì)的性質(zhì)是更接近還是遠(yuǎn)離硅？

（4）什么樣的雜質(zhì)更容易添加？

答案是第五元素硼。硼具有幾種優(yōu)良的特性。首先，它是第三組的主要元素，因此它的最外層有三個電子，比硅少一個，所以當(dāng)摻雜硅晶體時，整體缺乏自由電子。其次，硼是第三大族中唯一與硅相似的非金屬元素，并且與硅具有很強的相似性。最后，硼穩(wěn)定，重量輕，易于植入硅晶體中。

將硼注入硅晶體

硼是一種黑色粉末固體，所以我在這里用一個黑色的球代替了它。旁邊有一個虛線球。這是一個電子空穴，這意味著在這個位置缺少一個電子。所以我們可以想到這個洞。帶正電。

我們稱電子和空穴為電荷載流子。它們攜帶自己的電荷，可以充當(dāng)電流發(fā)生器?？椎母拍羁赡芴橄罅耍覀兛梢赃@樣理解：把孔想象成一杯水中的氣泡，杯子的引力勢很低，所以我們把它想象成電池的負(fù)極，杯子的底部就是正極。

然后我們把水分子想象成電子。氣泡上方的水分子會進入杯子底部，然后在原始水分子所在的位置產(chǎn)生一個新的氣泡，從而構(gòu)成氣泡向上移動的錯覺。在電路中，電子也受到電壓的影響以填充該空穴。然后原始電子的位置被空穴取代。似乎空穴從正極移動到負(fù)極。

電荷載體

III. PN結(jié)和二極管

現(xiàn)在我們終于可以談?wù)凱N結(jié)了。正如我們之前所說，PN結(jié)是存在于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間的現(xiàn)象。

PN 結(jié)

從現(xiàn)在開始，P型半導(dǎo)體的顏色將由空洞橙色表示，N型半導(dǎo)體的顏色將由電子藍(lán)表示。

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的接觸面附近，N型半導(dǎo)體的電子被填充到P型半導(dǎo)體的空穴中，導(dǎo)致PN結(jié)中沒有載流子。空穴對電子的吸引力仍然很大。在P型半導(dǎo)體的部分，空穴被電子填充，但P型半導(dǎo)體中所含的雜質(zhì)是硼，硼外只有三個電子。

當(dāng)空穴被填充時，硼周圍有四個電子，多一個電子，所以整個都帶負(fù)電。同理，在N型半導(dǎo)體的部分，電子跑進P型半導(dǎo)體的空穴中，熒光粉周圍少了一個電子，所以整體帶正電。在這個區(qū)域，電子填充所有空穴［1］，導(dǎo)致沒有自由移動的載流子攜帶電荷，因此電流不能很好地通過該區(qū)域。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體單獨存在時可以導(dǎo)電，但是當(dāng)它們放在一起時，它們具有單向?qū)щ娦?，此時它們形成二極管。

二極管

我們將二極管的P形半導(dǎo)體部分稱為陽極，將N形半導(dǎo)體部分稱為陰極。這很容易理解。回顧以前的知識：空流從正極流向負(fù)極，電子從負(fù)極流向正極。P形半導(dǎo)體的空心和N形半導(dǎo)體的電子在正向電壓的幫助下向PN結(jié)擠壓，使PN結(jié)兩側(cè)的載流子重新獲得并具有導(dǎo)電能力。對于硅二極管，只要正向電壓超過0.7V，PN結(jié)的寬度就會縮小到足夠短，以允許電流通過二極管。

我已將上述電池更換為電路符號。相應(yīng)地，二極管也有自己的電路符號，更長：

二極管電路符號

那么，如果我們對二極管施加反向電壓呢？你可以考慮電子和空穴的運動方向?？紤]一下PN結(jié)的寬度是否會改變。此更改將對當(dāng)前產(chǎn)生什么影響？

向二極管施加反向電壓

同樣，空穴會流到負(fù)極，電子會流到正極，載流子會遠(yuǎn)離PN結(jié)，不存在載流子的區(qū)域會變大，所以PN結(jié)會變寬，導(dǎo)致沒有電流流動，并施加反向電壓。電流越大，通過二極管的電流越小。因此，二極管具有單向電導(dǎo)率，只能允許電流從陽極流向陰極。［2］

電流-電壓圖

上圖是電流-電壓圖，顯示了在不同電壓下可以通過二極管的電流。圖中的紅線代表硅二極管，藍(lán)線代表鍺二極管。鈮和硅一樣，也是一種很好的半導(dǎo)體材料。二極管有一個稱為閾值電壓的值。高于此值，二極管開始導(dǎo)通。對于硅二極管，該值為0.7V。對于鍺二極管，該值為

0.2V ［3］。還有一個值稱為擊穿電壓。當(dāng)我們談?wù)撜臅r，會提到這個值。

做完這些準(zhǔn)備工作，我們終于可以談?wù)劸w管了。CPU中有數(shù)十億個晶體管，但這數(shù)十億個晶體管具有完全相同的結(jié)構(gòu)，只是連接發(fā)生了變化。CPU使用的晶體管可以有自己的名稱：MOSFET。

IV. 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

1926年，當(dāng)廣東國民政府發(fā)起的北伐軍閥北伐如火如荼時，在大洋彼岸的美國，物理學(xué)家朱利葉斯·埃德加·利林菲爾德（Julius Edgar

Lilienfeld）申請了對下個世紀(jì)電子學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。專利 -

控制電流的方法和裝置是該專利首次提出場效應(yīng)晶體管的工作原理。從那時到1960年，雖然兩代場效應(yīng)半導(dǎo)體器件——JFET和MOSFET相繼問世，但中國對此沒有任何貢獻。直到今天，中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍然落后于世界水平。

一種控制電流的方法和裝置

MOSFET的全名很可怕。它的英文名稱稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。中文名稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。我希望您也能體會到MOSFET的魅力

• 低到可以忽略不計的功耗，極其簡單的結(jié)構(gòu)和處理技術(shù)以及引人入勝的工作原理。

我們注意到MOSFET是一種場效應(yīng)晶體管。什么是場效應(yīng)？我們都在早期就學(xué)會了磁場，我們知道異性會吸引異性。對于電子產(chǎn)品，也會產(chǎn)生電場。就像電場和磁場一樣，它是同性的排斥力，異性吸引電子。電子會排斥電子，但電子會吸引空穴，反之亦然。這句話很簡單，只是給學(xué)生一個概念。在以下各節(jié)中，我將詳細(xì)介紹電場。

電場

我們都知道晶體管的作用是用小電流控制大電流。所以晶體管一般有三個引腳。兩個負(fù)責(zé)電流輸入和輸出，一個負(fù)責(zé)控制打開和關(guān)閉。關(guān)鍵是如何打開和關(guān)閉它。我們必須使輸入阻抗盡可能大。

什么是輸入阻抗？輸入阻抗是從控制引腳到輸出引腳的電阻值。如果輸入阻抗較低，控制引腳上的電流將很容易流出輸出引腳。每個控件都會有一點打開和關(guān)閉。電流從輸出引腳流出，這是一種浪費。如果輸入阻抗很大，則控制引腳上的電流不容易流出輸出引腳，因為電阻器起到阻斷電流的作用。理想的狀態(tài)是輸入阻抗是無限的，這樣控制電流根本不消耗能量，CPU的功耗可以降低到幾乎為零。

MOSFET使用一種非常神奇的方式來控制電流。其輸入引腳和輸出引腳由兩個獨立的N形半導(dǎo)體連接。兩個N形半導(dǎo)體填充有P形半導(dǎo)體。在中間的P形半導(dǎo)體上方，有一層薄薄的二氧化硅。（氧化物）絕緣層，上面是金屬板，金屬板連接控制引腳。

所以它被稱為金屬/氧化物/半導(dǎo)體/場效應(yīng)/晶體管。

場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

在MOSFET中，我們將輸入引腳稱為源極G，輸出引腳稱為漏極D，控制引腳稱為柵極G，底部的大塊P形半導(dǎo)體稱為襯底B［4］。當(dāng)柵極沒有電壓時，我們可以看到源極-基板-漏極級之間有兩個PN結(jié)。這兩個PN結(jié)隔離電流流出的源極和漏極級。沒有方向可以流通。

N+半導(dǎo)體通道

但是，如果我們像柵極一樣施加正電壓，那么柵極金屬板上的正電荷將吸引P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體帶負(fù)電的電子。然后，絕緣層附近的區(qū)域充滿載流子（電子）。眾所周知，含有電子的半導(dǎo)體材料是N型半導(dǎo)體。雖然襯底本質(zhì)上是P型半導(dǎo)體，但由于襯底具有非常高的電子濃度，我們可以將該區(qū)域的P型半導(dǎo)體視為包含自由電子的N型半導(dǎo)體。我們稱這個區(qū)域為海峽。由于源極和漏極級之間的半導(dǎo)體現(xiàn)在具有相同的性質(zhì)，并且都是N型半導(dǎo)體，因此電流可以在兩個引腳之間自由流動。

五、N+型半導(dǎo)體

事實上，這里用于源極和漏極階段的半導(dǎo)體還不是普通的N型半導(dǎo)體。這里，使用大量摻雜熒光粉的N

+半導(dǎo)體。它們含有大量的自由電子，可以使更多的電子能夠被門控。極點吸引，增加通道的寬度，使其更容易通過電流。我們可以發(fā)現(xiàn)柵極和漏極是絕緣的，這意味著它的輸入電阻非常高。可以說，如果不是MOSFET的發(fā)明，世界上產(chǎn)生的電力是買不起幾臺電腦的。MOSFET的出現(xiàn)使數(shù)百萬晶體管處理器能夠進入數(shù)百萬家庭。其簡單的結(jié)構(gòu)也讓普通人擁有強大的計算能力。

正如我們的世界是由原子組成的，電子世界也是由MOSFET組成的。無論什么復(fù)雜，其本質(zhì)都是簡單而美麗的。希望這一部分能啟發(fā)同學(xué)們，啟發(fā)大家繼續(xù)探索電子電路的魅力。