我在網(wǎng)絡(luò)上看到一些業(yè)余愛(ài)好者自己動(dòng)手做(DIY)晶體管，例如Neil Steiner與Jim等人。其中，最引人注意的自制晶體管來(lái)自一位懂半導(dǎo)體組件物理的工匠Jeri Ellsworth。她于2010年在家中打造了一座小型制造廠(或稱(chēng)為fab)，用自制芯片產(chǎn)一些簡(jiǎn)單電路。

有趣的是，在那之后就找不到其他完整記載DIY晶體管的數(shù)據(jù)了。這可能是因?yàn)檫@種類(lèi)型的制造必然會(huì)導(dǎo)致一些危險(xiǎn)化學(xué)品的處理，而且需要幾年的時(shí)間才能完善(Jeri就花了2年的時(shí)間)。再者，由于晶體管是制造電子產(chǎn)品的建構(gòu)模塊，只要用很便宜的價(jià)格就能買(mǎi)到，而且還能用于制造出可直接執(zhí)行功能的更復(fù)雜IC。

不過(guò)，據(jù)說(shuō)，如果能在自家實(shí)驗(yàn)室中從無(wú)到有制造出晶體管，對(duì)于業(yè)余愛(ài)好者可說(shuō)是莫大的成就，我們完全可以想象自行制造出晶體管帶來(lái)的那種個(gè)人成就感。

如今，大多數(shù)的無(wú)晶圓廠公司都將實(shí)際的生產(chǎn)外包到海外，因?yàn)樵谕顿Y100億美元打造先進(jìn)的制造廠后，如果還要雇用多位工程師和技術(shù)人員操作廠房設(shè)備，必須面對(duì)的經(jīng)常性支出成本就太高了。大多數(shù)公司都無(wú)法為這筆龐大的財(cái)務(wù)投資維持所需的銷(xiāo)售量。

由于沒(méi)有其他能以更低成本生產(chǎn)晶體管的選擇，所以這些海外代工廠還寫(xiě)下了4,000億美元的銷(xiāo)售紀(jì)錄，大大地?fù)屏艘黄??；旧希m然巨大的制造設(shè)施確實(shí)導(dǎo)致了成本與技術(shù)障礙，但探索更易于使用的模塊化晶體管制造(特別是原型)，可能更有意義。

例如，Jeri Ellsworth和Neil Steiner分別使用預(yù)制的鍺二極管和硫化鎘光電池制造晶體管。這和只用裸晶建構(gòu)晶體管的方式不同，因?yàn)槎O管和光電池是預(yù)先制造好的。

從零開(kāi)始打造晶體管所需的工具，并非家中實(shí)驗(yàn)室的常見(jiàn)工具。以下列出一些較不常見(jiàn)的工具：

? 氮?dú)夤?/p>

? 窯爐

? 氫氟酸(HF)

? 磷硅酸鹽薄膜

? Prime級(jí)的硅晶圓

? 乙烯基貼紙取代光罩的光阻劑

? 辨識(shí)氧化層厚度的色表

其中一些材料可能比其他材料更有害。任何使用HF的人都必須非常小心，因?yàn)檫@種化學(xué)物質(zhì)可能穿透組織，導(dǎo)致非常嚴(yán)重的灼傷。氮?dú)夤薏⒉灰欢ū匾?，但它有助于控制窯爐的氣壓，使其更易于預(yù)測(cè)在硅晶上生長(zhǎng)氧化層，而且在生長(zhǎng)厚度僅幾百埃(A)的薄層時(shí)，能夠節(jié)省更多時(shí)間。另外，值得注意的是，摻雜純硅是另一個(gè)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，所以在網(wǎng)絡(luò)上購(gòu)買(mǎi)預(yù)摻雜的Prime級(jí)硅晶可能更加可行。其他業(yè)余愛(ài)好者的設(shè)備還包括電源、示波器、鑷子、CPU風(fēng)扇、導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂和焊料等。

如何制造晶體管？

晶體管是透過(guò)光學(xué)微影工藝制造的，基本上，在基板表面進(jìn)行制圖，以形成各種不同的晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這屬于一種金屬氧化物場(chǎng)效晶體管(MOSFET)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖所示。

同樣地，這種大塊的p型基板很容易就能在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)。

在窯爐中生長(zhǎng)初始氧化層需要一些時(shí)間。例如，Jeri說(shuō)，大約需要6個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能生長(zhǎng)出500-600-A厚度的氧化層。測(cè)量其厚度時(shí)并不需要拉出超小型卡鉗和顯微鏡，因?yàn)樗念伾苊黠@就能看出厚度。600-A厚的薄層對(duì)應(yīng)于綠色。

為了實(shí)現(xiàn)特定圖案，透過(guò)使用HF就能蝕刻或移除氧化物。針對(duì)許多蝕刻步驟，一部份的晶圓可以透過(guò)抵抗蝕刻的“屏蔽”材料保護(hù)，免于受到蝕刻劑的影響。乙烯基貼紙光罩可預(yù)切割，以抵抗某些區(qū)域的蝕刻劑。

源區(qū)和漏區(qū)是透過(guò)將磷硅酸鹽薄膜旋轉(zhuǎn)到芯片上而產(chǎn)生的，因而在晶圓上存在薄層液體；這通常是采用CPU風(fēng)扇完成的。

再次將組件放置在1000℃的窯爐中一段時(shí)間，以便將高濃度的磷沉積到基板和氧化層的表面——產(chǎn)生兩個(gè)摻雜的n型區(qū)域，最終形成電子信道流動(dòng)。

最后，乙烯基光罩用于蝕刻掉閘極區(qū)域，并將其放回窯爐中以生長(zhǎng)閘極氧化物層。Jeri指定的厚度為800至1,000A——大約是粉紅至深紅色。

與閘極、源極、漏極和基板的觸點(diǎn)可以用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂制成。這是透過(guò)與另一個(gè)乙烯基光罩和更多的蝕刻而實(shí)現(xiàn)的，以便使接取點(diǎn)向下接觸到源極和漏極，放置能與導(dǎo)線焊接的環(huán)氧樹(shù)脂。

其他不同的網(wǎng)站對(duì)此有更詳細(xì)的介紹。很顯然，在設(shè)計(jì)光罩和規(guī)劃多晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的步驟時(shí)，這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜化將會(huì)以指數(shù)級(jí)增加。任務(wù)的規(guī)模和范圍可能會(huì)變得更龐大而難以處理，因此，制造閘極寬度降至納米級(jí)的電芯片，需要大型制造設(shè)施以及用于布局?jǐn)?shù)百萬(wàn)晶體管的CAD程序。