本文主要講解了切屑形成的過(guò)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(lái)的疑問(wèn)。但是，這個(gè)問(wèn)題仍然很難用幾句話來(lái)回答，我們至少要用十幾節(jié)來(lái)完成這里所包含的所有知識(shí)。因此，在本節(jié)中，我將重點(diǎn)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(guò)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(shí)際上不是一個(gè)非常準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。PN結(jié)實(shí)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(yǔ)，如果我從各種百科全書中到處拉一點(diǎn)，組合起來(lái)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(wèn)題一個(gè)接一個(gè)地困擾著我。

各大高校教材的問(wèn)題在于，從來(lái)不講詳細(xì)的原理，即使說(shuō)了也聽不懂，導(dǎo)致問(wèn)題越來(lái)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(jiān)實(shí)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(méi)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(jià)的，所以一個(gè)原子周圍有四個(gè)電子（8-4=4）。每個(gè)硅原子與周圍的硅原子共享四個(gè)電子，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在這種情況下，純硅晶體中幾乎沒(méi)有自由電子

• 電子被共價(jià)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(gè)術(shù)語(yǔ)開始，思考自由電子是如何添加到晶體中的。

我們需要用價(jià)比硅高的原子代替硅原子，這樣這個(gè)原子周圍就會(huì)有9個(gè)電子。這個(gè)額外的電子將成為自由電子并增強(qiáng)晶體的導(dǎo)電性。摻雜此步驟通常通過(guò)使用離子束在真空中轟擊硅晶體來(lái)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(shí)施中。

負(fù)極半導(dǎo)體

什么原子的價(jià)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?cè)诎雽?dǎo)體材料的兩側(cè)施加電壓，由于八個(gè)電子的穩(wěn)定性高于九個(gè)電子，Si和P原子都會(huì)“丟棄”電子，它將從電池的負(fù)極變成自由電子。運(yùn)行到電池的正極。定向移動(dòng)的自由電子產(chǎn)生電能。

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)

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(wèn)幾個(gè)問(wèn)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(gè)電子，比硅少一個(gè)，所以當(dāng)摻雜硅晶體時(shí)，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(qiáng)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(gè)黑色的球代替了它。旁邊有一個(gè)虛線球。這是一個(gè)電子空穴，這意味著在這個(gè)位置缺少一個(gè)電子。所以我們可以想到這個(gè)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?，但我們可以這樣理解：把孔想象成一杯水中的氣泡，杯子的引力勢(shì)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(huì)進(jìn)入杯子底部，然后在原始水分子所在的位置產(chǎn)生一個(gè)新的氣泡，從而構(gòu)成氣泡向上移動(dòng)的錯(cuò)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(dòng)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(shuō)，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(méi)有載流子?？昭▽?duì)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(gè)電子。

當(dāng)空穴被填充時(shí)，硼周圍有四個(gè)電子，多一個(gè)電子，所以整個(gè)都帶負(fù)電。同理，在N型半導(dǎo)體的部分，電子跑進(jìn)P型半導(dǎo)體的空穴中，熒光粉周圍少了一個(gè)電子，所以整體帶正電。在這個(gè)區(qū)域，電子填充所有空穴［1］，導(dǎo)致沒(méi)有自由移動(dòng)的載流子攜帶電荷，因此電流不能很好地通過(guò)該區(qū)域。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)可以導(dǎo)電，但是當(dāng)它們放在一起時(shí)，它們具有單向?qū)щ娦?，此時(shí)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(yáng)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(shí)：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(duì)于硅二極管，只要正向電壓超過(guò)0.7V，PN結(jié)的寬度就會(huì)縮小到足夠短，以允許電流通過(guò)二極管。

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

二極管電路符號(hào)

那么，如果我們對(duì)二極管施加反向電壓呢？你可以考慮電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向。考慮一下PN結(jié)的寬度是否會(huì)改變。此更改將對(duì)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(huì)流到負(fù)極，電子會(huì)流到正極，載流子會(huì)遠(yuǎn)離PN結(jié)，不存在載流子的區(qū)域會(huì)變大，所以PN結(jié)會(huì)變寬，導(dǎo)致沒(méi)有電流流動(dòng)，并施加反向電壓。電流越大，通過(guò)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(yáng)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(guò)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(gè)稱為閾值電壓的值。高于此值，二極管開始導(dǎo)通。對(duì)于硅二極管，該值為0.7V。對(duì)于鍺二極管，該值為

0.2V ［3］。還有一個(gè)值稱為擊穿電壓。當(dāng)我們談?wù)撜臅r(shí)，會(huì)提到這個(gè)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(gè)晶體管，但這數(shù)十億個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管

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

Lilienfeld）申請(qǐng)了對(duì)下個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理。從那時(shí)到1960年，雖然兩代場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體器件——JFET和MOSFET相繼問(wèn)世，但中國(guó)對(duì)此沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。直到今天，中國(guó)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(chǎng)效應(yīng)晶體管。中文名稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。我希望您也能體會(huì)到MOSFET的魅力

• 低到可以忽略不計(jì)的功耗，極其簡(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管。什么是場(chǎng)效應(yīng)？我們都在早期就學(xué)會(huì)了磁場(chǎng)，我們知道異性會(huì)吸引異性。對(duì)于電子產(chǎn)品，也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。就像電場(chǎng)和磁場(chǎng)一樣，它是同性的排斥力，異性吸引電子。電子會(huì)排斥電子，但電子會(huì)吸引空穴，反之亦然。這句話很簡(jiǎn)單，只是給學(xué)生一個(gè)概念。在以下各節(jié)中，我將詳細(xì)介紹電場(chǎng)。

電場(chǎng)

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(gè)引腳。兩個(gè)負(fù)責(zé)電流輸入和輸出，一個(gè)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(gè)控件都會(huì)有一點(diǎn)打開和關(guān)閉。電流從輸出引腳流出，這是一種浪費(fèi)。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?yàn)?a target="_blank">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(wú)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(lái)控制電流。其輸入引腳和輸出引腳由兩個(gè)獨(dú)立的N形半導(dǎo)體連接。兩個(gè)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(chǎng)效應(yīng)/晶體管。

場(chǎng)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(méi)有電壓時(shí)，我們可以看到源極-基板-漏極級(jí)之間有兩個(gè)PN結(jié)。這兩個(gè)PN結(jié)隔離電流流出的源極和漏極級(jí)。沒(méi)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(gè)區(qū)域?yàn)楹{。由于源極和漏極級(jí)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(gè)引腳之間自由流動(dòng)。

五、N+型半導(dǎo)體

事實(shí)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(diǎn)吸引，增加通道的寬度，使其更容易通過(guò)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(shuō)，如果不是MOSFET的發(fā)明，世界上產(chǎn)生的電力是買不起幾臺(tái)電腦的。MOSFET的出現(xiàn)使數(shù)百萬(wàn)晶體管處理器能夠進(jìn)入數(shù)百萬(wàn)家庭。其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也讓普通人擁有強(qiáng)大的計(jì)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(wú)論什么復(fù)雜，其本質(zhì)都是簡(jiǎn)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。