還記得初中物理課上學(xué)到關(guān)于導(dǎo)體、絕緣體的知識(shí)么？

善于導(dǎo)電的物體稱(chēng)為導(dǎo)體，例如金屬、人體、大地、石墨、酸堿鹽的水溶液等；

不善于導(dǎo)電的物體稱(chēng)為絕緣體，例如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等；

那么半導(dǎo)體是什么？難道是一個(gè)什么物體，一半導(dǎo)電，一半絕緣？

我們先來(lái)看看導(dǎo)體導(dǎo)電的原理。

自然界中的一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成，原子包含原子核和圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子，這些電子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。

有些原子最外層電子非常活躍，如果給這類(lèi)原子組成的物質(zhì)施加一個(gè)電場(chǎng)，那么電場(chǎng)的正極就會(huì)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(dòng)，就產(chǎn)生了電流。

這就是導(dǎo)體導(dǎo)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?chē)娮颖辉雍死卫问`住，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，一般情況下無(wú)法被電場(chǎng)吸引走形成自由電子，沒(méi)有自由電子便無(wú)法導(dǎo)電。

半導(dǎo)體

知道了導(dǎo)體導(dǎo)電的原理，我們很容易想到，組成半導(dǎo)體的原子，其周?chē)娮討?yīng)該沒(méi)有導(dǎo)體那么活潑，也不如絕緣體那么穩(wěn)定。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，硅原子最外層有4個(gè)電子，它的電子既不像導(dǎo)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(dǎo)體與絕緣體之間。

硅原子組合在一起時(shí)，兩個(gè)相鄰原子周?chē)碾娮訒?huì)組成一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如下圖，每個(gè)硅原子周?chē)加?個(gè)電子：

這種純凈的硅有個(gè)學(xué)名，叫「本征半導(dǎo)體」。

純凈的硅幾乎不導(dǎo)電，如果想讓純凈的硅導(dǎo)電，可以把溫度升高，溫度升高時(shí)，硅原子周?chē)碾娮又饾u變得活躍，可以?huà)昝撛雍说氖`形成自由電子。

不過(guò)只靠溫度來(lái)控制半導(dǎo)體導(dǎo)電/不導(dǎo)電很麻煩也不準(zhǔn)確，人們想要精確的掌控硅的導(dǎo)電性，于是發(fā)明了一個(gè)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(gè)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(gè)電子和其他硅原子無(wú)法形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于缺少了一個(gè)電子，就空出了一個(gè)空位，學(xué)名叫做「空穴」。

我們給摻入硼原子后的硅起個(gè)名，叫「P型半導(dǎo)體」。

如果給P型半導(dǎo)體外面加上一個(gè)電場(chǎng)，由于電場(chǎng)作用，一些硅原子周?chē)碾娮訒?huì)移動(dòng)到空穴中，它就可以導(dǎo)電了。

磷原子最外層有5個(gè)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(gè)電子和其他硅原子形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多出的1個(gè)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(gè)學(xué)名，叫「N型半導(dǎo)體」。

如果給N型半導(dǎo)體外面加上一個(gè)電場(chǎng)，由于電場(chǎng)作用，自由電子會(huì)移動(dòng)，它就可以導(dǎo)電了。

二極管

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

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

P側(cè)接觸區(qū)增加了電子所以帶負(fù)電，N側(cè)減少了電子所以帶正電，這樣這個(gè)薄薄的接觸面就成了一個(gè)帶電的電場(chǎng)，學(xué)名叫做「內(nèi)建電場(chǎng)」，電場(chǎng)的方向從N區(qū)指向P區(qū)：

內(nèi)建電場(chǎng)與濃度差產(chǎn)生相反的效果，會(huì)推動(dòng)電子從P區(qū)移動(dòng)到N區(qū)。

最終，在濃度差和內(nèi)建電場(chǎng)共同的作用下，電子在接觸區(qū)內(nèi)來(lái)來(lái)回回，這個(gè)接觸區(qū)達(dá)到了一定的動(dòng)態(tài)平衡。

這個(gè)接觸區(qū)有個(gè)學(xué)名，叫做「PN結(jié)」。

這個(gè)摻入兩種不同原子的硅片導(dǎo)電嗎？

我們給硅片加上一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)相反的外部電場(chǎng)（正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)），外部電壓會(huì)削弱內(nèi)部電壓，內(nèi)部電壓越來(lái)越小最后近乎沒(méi)有，并且N區(qū)自由電子在外部電場(chǎng)作用下逐漸增多。

內(nèi)建電場(chǎng)減小，濃度差增大，電子會(huì)源源不斷從N區(qū)流向P區(qū)，這時(shí)的PN結(jié)導(dǎo)通，就像一個(gè)導(dǎo)體。

如果給這個(gè)硅片加上反向外部電場(chǎng)（正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)），外部電壓與內(nèi)建電場(chǎng)同向，會(huì)加強(qiáng)內(nèi)部電壓，內(nèi)部電壓變得很大，同時(shí)N區(qū)自由電子在外部電場(chǎng)作用下減少。

內(nèi)建電場(chǎng)增大，濃度差減少，內(nèi)部電壓會(huì)阻礙電子流向P區(qū)，這時(shí)的PN結(jié)不導(dǎo)電，就像一個(gè)絕緣體。

上面描述的關(guān)于PN結(jié)的特性叫做「單向?qū)щ娦浴埂?/p>

這段描述比較繞，我也是看了很多資料，自己在紙上畫(huà)來(lái)畫(huà)去才理解，如果你覺(jué)得暈，只要記住，純凈的硅經(jīng)過(guò)摻雜后，就擁有了這樣的特性：接正向電場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)通；接反向電場(chǎng)時(shí)，截止。

把做好的PN結(jié)外面加上一個(gè)殼，再引出2個(gè)導(dǎo)線(xiàn)，一個(gè)新鮮的「二極管」就誕生啦！

二極管的電路符號(hào)是這樣的：

最常見(jiàn)的二極管是發(fā)光二極管，它是有極性的。

如果你仔細(xì)觀察就能發(fā)現(xiàn)，一個(gè)引腳長(zhǎng)，一個(gè)短，只有接對(duì)方向才會(huì)亮，接錯(cuò)不會(huì)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(shí)，形成了2個(gè)PN結(jié)就是一個(gè)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(shí)無(wú)論給這個(gè)三極管外部接正向電場(chǎng)或反向電場(chǎng)，由于2個(gè)反向的PN結(jié)的存在，它都不能導(dǎo)電。

怎么能讓它導(dǎo)電呢？整個(gè)三極管再接一個(gè)外部電場(chǎng)E2。

如上圖，下半段的PN結(jié)在E2的作用下處于導(dǎo)通狀態(tài)，電子從下面的N區(qū)流入P區(qū)，再流入電場(chǎng)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(shí)電場(chǎng)E1由于E2的導(dǎo)通也導(dǎo)通了。

三極管像不像一個(gè)開(kāi)關(guān)？，E2接通時(shí)，小燈泡就被點(diǎn)亮，E2斷開(kāi)，小燈泡熄滅。

三極管實(shí)物圖：

三極管的電路符號(hào)：

MOS管

最后一個(gè)管子叫MOS管，學(xué)名叫「場(chǎng)效應(yīng)晶體管」，全名是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）。

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

整個(gè)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(chǎng)EDS，由于兩個(gè)PN結(jié)反向，無(wú)法導(dǎo)通。

我們?cè)贕極和B極之間加上電場(chǎng)EGB，神奇的現(xiàn)象發(fā)生了，由于電場(chǎng)的作用，G極下方吸引了很多電子，當(dāng)電子的濃度夠高時(shí)，在兩個(gè)N型半導(dǎo)體間形成了一條導(dǎo)通溝道，會(huì)將兩個(gè)N型半導(dǎo)體導(dǎo)通，從而使電場(chǎng)EDS導(dǎo)通。

MOS管也是一個(gè)開(kāi)關(guān)，EGB接通時(shí)，小燈泡就被點(diǎn)亮，EGB斷開(kāi)，小燈泡熄滅。

MOS管的實(shí)物和三極管很像，就不貼了，通常使用時(shí)，會(huì)把S極和B極接在一起，MOS管的電路符號(hào)：

?P-MOS，G極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平斷開(kāi)，可用于控制與電源之間的通斷?N-MOS，G極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平斷開(kāi)，可用于控制與地之間的通斷

場(chǎng)效應(yīng)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(shù)量統(tǒng)計(jì)，你們感受一下：

?1978年，英特爾8086，制作工藝3200nm，晶體管3萬(wàn)個(gè)?2000年奔騰4，180nm，晶體管4200萬(wàn)?2010年酷睿i7，32nm，晶體管11.7億?2020年，iPhone12蘋(píng)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(shù)量大概在數(shù)十萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)之間。

上面提到的這個(gè)xx納米工藝，你一定經(jīng)常在手機(jī)發(fā)布會(huì)聽(tīng)到，這個(gè)納米長(zhǎng)度指的其實(shí)是MOS管D極和S級(jí)之間導(dǎo)通溝道的長(zhǎng)度。

導(dǎo)通溝道的長(zhǎng)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(shù)量，這樣CPU的性能越強(qiáng)。

end

硅、硼、磷等化學(xué)元素構(gòu)成了電子計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，硅是一切半導(dǎo)體器件的主要元素。

硅可以從沙子中經(jīng)過(guò)復(fù)雜的工藝提純出來(lái)，說(shuō)電子計(jì)算機(jī)的世界就是沙子的世界并不為過(guò)。

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(jìn)而造出手機(jī)、各種智能設(shè)備，還有游戲、音樂(lè)、電影。

說(shuō)了這么多，好像知道這些對(duì)我們的日常工作也沒(méi)多大幫助，畢竟這個(gè)世界上制造芯片的人就那么一點(diǎn)點(diǎn)，不過(guò)你能看到這里還是很有耐心的。

我一直覺(jué)得，學(xué)習(xí)了底層知識(shí)，再解決上層問(wèn)題時(shí)思路會(huì)變得更加開(kāi)闊。所以這個(gè)「一沙一世界」系列會(huì)繼續(xù)講最底層的原理。

原文標(biāo)題：半導(dǎo)體與MOS管

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