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半导体与MOS管是一个什么物体?

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2021-04-08 10:38:43

还记得初中物理课上学到关于导体、绝缘体的知识么?

善于导电的物体称为导体,例如金属、人体、大地、石墨、酸碱盐的水溶液等;

不善于导电的物体称为绝缘体,例如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等;

那么半导体是什么?难道是一个什么物体,一半导电,一半绝缘?

我们先来看看导体导电的原理。

自然界中的一切物质都是由原子构成,原子包含原子核和围绕原子核运动的电子,这些电子无时无刻不在围绕着原子核运动。

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有些原子最外层电子非常活跃,如果给这类原子组成的物质施加一个电场,那么电场的正极就会把原子外层那些活跃的电子吸引走成为自由电子,电子被吸引,移动,就产生了电流

这就是导体导电的原因:有自由电子形成电流。

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同样的,组成绝缘体的原子,其周围电子被原子核牢牢束缚住,结构比较稳定,一般情况下无法被电场吸引走形成自由电子,没有自由电子便无法导电。

半导体

知道了导体导电的原理,我们很容易想到,组成半导体的原子,其周围电子应该没有导体那么活泼,也不如绝缘体那么稳定。

科学家发现,硅原子最外层有4个电子,它的电子既不像导体中那样活跃,也不像绝缘体那样被紧紧束缚住,其活跃度介于导体与绝缘体之间。

硅原子组合在一起时,两个相邻原子周围的电子会组成一种稳定结构,如下图,每个硅原子周围都有8个电子:

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这种纯净的硅有个学名,叫「本征半导体」。

纯净的硅几乎不导电,如果想让纯净的硅导电,可以把温度升高,温度升高时,硅原子周围的电子逐渐变得活跃,可以挣脱原子核的束缚形成自由电子。

不过只靠温度来控制半导体导电/不导电很麻烦也不准确,人们想要精确的掌控硅的导电性,于是发明了一个办法:「掺杂」。

就是把其他元素添加到纯净的硅中。

硼原子最外层有3个电子,把少量的硼原子添加到纯净的硅片中,硼原子可以替换其中的一些硅原子。

硼原子的3个电子和其他硅原子无法形成稳定结构。由于缺少了一个电子,就空出了一个空位,学名叫做「空穴」。

我们给掺入硼原子后的硅起个名,叫「P型半导体」。

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如果给P型半导体外面加上一个电场,由于电场作用,一些硅原子周围的电子会移动到空穴中,它就可以导电了。

磷原子最外层有5个电子,把少量磷原子添加到纯净的硅中,磷原子可以替换其中的一些硅原子。

磷原子的4个电子和其他硅原子形成稳定的结构,多出的1个电子就成了活跃的自由电子。我们给掺入硼原子后的硅起个学名,叫「N型半导体」。

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如果给N型半导体外面加上一个电场,由于电场作用,自由电子会移动,它就可以导电了。

二极管

将一个纯净的硅片一半掺入硼原子,另一半掺入磷原子会产生什么样的现象?

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如上图,右边N型半导体中有比较多的自由电子,P区几乎没有自由电子,由于浓度差不同,电子会从N区向P区移动,与其中的空穴结合,这样在中间就形成了薄薄的一层接触区。

P侧接触区增加了电子所以带负电,N侧减少了电子所以带正电,这样这个薄薄的接触面就成了一个带电的电场,学名叫做「内建电场」,电场的方向从N区指向P区:

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内建电场与浓度差产生相反的效果,会推动电子从P区移动到N区。

最终,在浓度差和内建电场共同的作用下,电子在接触区内来来回回,这个接触区达到了一定的动态平衡。

这个接触区有个学名,叫做「PN结」。

这个掺入两种不同原子的硅片导电吗?

我们给硅片加上一个与内建电场相反的外部电场(正极接P区,负极接N区),外部电压会削弱内部电压,内部电压越来越小最后近乎没有,并且N区自由电子在外部电场作用下逐渐增多。

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内建电场减小,浓度差增大,电子会源源不断从N区流向P区,这时的PN结导通,就像一个导体。

如果给这个硅片加上反向外部电场(正极接N区,负极接P区),外部电压与内建电场同向,会加强内部电压,内部电压变得很大,同时N区自由电子在外部电场作用下减少。

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内建电场增大,浓度差减少,内部电压会阻碍电子流向P区,这时的PN结不导电,就像一个绝缘体。

上面描述的关于PN结的特性叫做「单向导电性」。

这段描述比较绕,我也是看了很多资料,自己在纸上画来画去才理解,如果你觉得晕,只要记住,纯净的硅经过掺杂后,就拥有了这样的特性:接正向电场时,导通;接反向电场时,截止。

把做好的PN结外面加上一个壳,再引出2个导线,一个新鲜的「二极管」就诞生啦!

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二极管的电路符号是这样的:

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最常见的二极管是发光二极管,它是有极性的。

如果你仔细观察就能发现,一个引脚长,一个短,只有接对方向才会亮,接错不会亮还有可能烧毁。

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三极管

理解了二极管,三极管很快就可以明白。

在纯净的硅片上掺杂时,形成了2个PN结就是一个三极管

三极管有2种,NPN型和PNP型。

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我们拿NPN型举例,它中间P区掺入的硼原子不多,且P区很薄。

这时无论给这个三极管外部接正向电场或反向电场,由于2个反向的PN结的存在,它都不能导电。

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怎么能让它导电呢?整个三极管再接一个外部电场E2。

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如上图,下半段的PN结在E2的作用下处于导通状态,电子从下面的N区流入P区,再流入电场E2。

但由于P区较薄,大量多余的电子流入了上面的N区,这时电场E1由于E2的导通也导通了。

三极管像不像一个开关?,E2接通时,小灯泡就被点亮,E2断开,小灯泡熄灭。

三极管实物图:

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三极管的电路符号:

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MOS管

最后一个管子叫MOS管,学名叫「场效应晶体管」,全名是金属-氧化物-半导体型场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。

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用一块低掺杂的P型硅片当做基础,底部引出一个电极B极,上方利用一定的工艺制作出两个高掺杂的N型区,这会形成2个PN结,在两个N型区分别引出两个电极S极和D极。

整个硅片上方中部制作一层SiO2(二氧化硅)绝缘层,再在SiO2上制作一层金属铝,引出电极G极。

在S极和D极加上电场EDS,由于两个PN结反向,无法导通。

我们在G极和B极之间加上电场EGB,神奇的现象发生了,由于电场的作用,G极下方吸引了很多电子,当电子的浓度够高时,在两个N型半导体间形成了一条导通沟道,会将两个N型半导体导通,从而使电场EDS导通。

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MOS管也是一个开关,EGB接通时,小灯泡就被点亮,EGB断开,小灯泡熄灭。

MOS管的实物和三极管很像,就不贴了,通常使用时,会把S极和B极接在一起,MOS管的电路符号:

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•P-MOS,G极为低电平时导通,高电平断开,可用于控制与电源之间的通断•N-MOS,G极为高电平时导通,低电平断开,可用于控制与地之间的通断

场效应晶体管是制作大规模集成电路最基本的单元。

我找了一些历史上CPU晶体管的数量统计,你们感受一下:

•1978年,英特尔8086,制作工艺3200nm,晶体管3万个•2000年奔腾4,180nm,晶体管4200万•2010年酷睿i7,32nm,晶体管11.7亿•2020年,iPhone12苹果A14芯片,5nm,晶体管118亿

我们常用的stm32,制作工艺在130nm到40nm之间,晶体管数量大概在数十万到数百万之间。

上面提到的这个xx纳米工艺,你一定经常在手机发布会听到,这个纳米长度指的其实是MOS管D极和S级之间导通沟道的长度。

导通沟道的长度越小,制造出的晶体管越小,相同面积芯片就能放下更多的数量,这样CPU的性能越强。


硅、硼、磷等化学元素构成了电子计算机的物质基础,硅是一切半导体器件的主要元素。

硅可以从沙子中经过复杂的工艺提纯出来,说电子计算机的世界就是沙子的世界并不为过。

硅制造的晶体管可以用电控制「通」、「断」两种状态。

我们就是用这两种状态造出芯片,进而造出手机、各种智能设备,还有游戏、音乐、电影。

说了这么多,好像知道这些对我们的日常工作也没多大帮助,毕竟这个世界上制造芯片的人就那么一点点,不过你能看到这里还是很有耐心的。

我一直觉得,学习了底层知识,再解决上层问题时思路会变得更加开阔。所以这个「一沙一世界」系列会继续讲最底层的原理。


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