沙子是如何变成芯片的？

本文主要讲解了切屑形成的过程。沙子是如何变成芯片的？在开始介绍电的一系列基本概念和各种繁琐的公式之前，我想解决我们大多数人一直以来的疑问。但是，这个问题仍然很难用几句话来回答，我们至少要用十几节来完成这里所包含的所有知识。因此，在本节中，我将重点回答最有趣和最重要的部分：沙子如何成为晶体管？

一、从砂到切屑--切屑形成过程

PN结是一种广泛存在于半导体器件中的结构。它实际上不是一个非常准确的结构。PN结实际上是一种现象，是指在P型半导体和N型半导体的接触部分附近发生的耗尽。

这里有很多术语，如果我从各种百科全书中到处拉一点，组合起来的东西几乎是这样的。一开始，为什么二极管具有单向电导率，为什么三极管可以放大电流？为什么JFET可以限制电流的问题一个接一个地困扰着我。

各大高校教材的问题在于，从来不讲详细的原理，即使说了也听不懂，导致问题越来越多，公式、理论也很难记住。直到不久前，我才终于明白了他们的原理。为了方便大家理解以下系列理论，第一部分将非常详细，为后续学习打下坚实的基础。

二、什么是半导体

让我们谈谈什么是半导体。半导体是在导体和绝缘体的导电性能之间具有导电性能的材料。我们知道导体和绝缘体的区别在于导体中有大量的自由电子，而绝缘体中几乎没有自由电子。那么，纯硅晶体能导电吗？

纯硅晶体

在上图中，蓝色固体球体是硅原子，蓝色空心球体是电子。硅原子是正四价的，所以一个原子周围有四个电子（8-4=4）。每个硅原子与周围的硅原子共享四个电子，形成八个电子的稳定结构。在这种情况下，纯硅晶体中几乎没有自由电子

• 电子被共价键牢固地结合，因此纯硅晶体是绝缘体。

那么我们如何提高硅晶体的导电性呢？第一种方法是增加自由电子。加入自由电子后，由于电子带负电，我们将带有自由电子的硅晶体称为N形半导体，其中“N”是“负”的缩写。添加自由电子的操作在专业上称为掺杂。聪明的学生可以从这个术语开始，思考自由电子是如何添加到晶体中的。

我们需要用价比硅高的原子代替硅原子，这样这个原子周围就会有9个电子。这个额外的电子将成为自由电子并增强晶体的导电性。掺杂此步骤通常通过使用离子束在真空中轰击硅晶体来完成。离子将撞击一部分硅原子，并将所需的原子注入离子实施中。

负极半导体

什么原子的价比硅高？磷作为一种杂质，含量非常低，可以近似这些磷原子作为晶体的一部分。在正常情况下，磷的额外电子停留在供体原子附近。但是，一旦我们在半导体材料的两侧施加电压，由于八个电子的稳定性高于九个电子，Si和P原子都会“丢弃”电子，它将从电池的负极变成自由电子。运行到电池的正极。定向移动的自由电子产生电能。

自由电子的定向运动

既然我们知道“N”代表“负”，那么自然而然地，“P”代表“正”。在解释什么是P型半导体之前，我必须问几个问题：

（1）如何使硅晶体减少电子？

（2）我们使用的杂质应该更活泼还是更稳定？

（3）杂质的性质是更接近还是远离硅？

（4）什么样的杂质更容易添加？

答案是第五元素硼。硼具有几种优良的特性。首先，它是第三组的主要元素，因此它的最外层有三个电子，比硅少一个，所以当掺杂硅晶体时，整体缺乏自由电子。其次，硼是第三大族中唯一与硅相似的非金属元素，并且与硅具有很强的相似性。最后，硼稳定，重量轻，易于植入硅晶体中。

将硼注入硅晶体

硼是一种黑色粉末固体，所以我在这里用一个黑色的球代替了它。旁边有一个虚线球。这是一个电子空穴，这意味着在这个位置缺少一个电子。所以我们可以想到这个洞。带正电。

我们称电子和空穴为电荷载流子。它们携带自己的电荷，可以充当电流发生器。孔的概念可能太抽象了，但我们可以这样理解：把孔想象成一杯水中的气泡，杯子的引力势很低，所以我们把它想象成电池的负极，杯子的底部就是正极。

然后我们把水分子想象成电子。气泡上方的水分子会进入杯子底部，然后在原始水分子所在的位置产生一个新的气泡，从而构成气泡向上移动的错觉。在电路中，电子也受到电压的影响以填充该空穴。然后原始电子的位置被空穴取代。似乎空穴从正极移动到负极。

电荷载体

III. PN结和二极管

现在我们终于可以谈谈PN结了。正如我们之前所说，PN结是存在于P型半导体和N型半导体之间的现象。

PN 结

从现在开始，P型半导体的颜色将由空洞橙色表示，N型半导体的颜色将由电子蓝表示。

在P型半导体和N型半导体的接触面附近，N型半导体的电子被填充到P型半导体的空穴中，导致PN结中没有载流子。空穴对电子的吸引力仍然很大。在P型半导体的部分，空穴被电子填充，但P型半导体中所含的杂质是硼，硼外只有三个电子。

当空穴被填充时，硼周围有四个电子，多一个电子，所以整个都带负电。同理，在N型半导体的部分，电子跑进P型半导体的空穴中，荧光粉周围少了一个电子，所以整体带正电。在这个区域，电子填充所有空穴［1］，导致没有自由移动的载流子携带电荷，因此电流不能很好地通过该区域。P型半导体和N型半导体单独存在时可以导电，但是当它们放在一起时，它们具有单向导电性，此时它们形成二极管。

二极管

我们将二极管的P形半导体部分称为阳极，将N形半导体部分称为阴极。这很容易理解。回顾以前的知识：空流从正极流向负极，电子从负极流向正极。P形半导体的空心和N形半导体的电子在正向电压的帮助下向PN结挤压，使PN结两侧的载流子重新获得并具有导电能力。对于硅二极管，只要正向电压超过0.7V，PN结的宽度就会缩小到足够短，以允许电流通过二极管。

我已将上述电池更换为电路符号。相应地，二极管也有自己的电路符号，更长：

二极管电路符号

那么，如果我们对二极管施加反向电压呢？你可以考虑电子和空穴的运动方向。考虑一下PN结的宽度是否会改变。此更改将对当前产生什么影响？

向二极管施加反向电压

同样，空穴会流到负极，电子会流到正极，载流子会远离PN结，不存在载流子的区域会变大，所以PN结会变宽，导致没有电流流动，并施加反向电压。电流越大，通过二极管的电流越小。因此，二极管具有单向电导率，只能允许电流从阳极流向阴极。［2］

电流-电压图

上图是电流-电压图，显示了在不同电压下可以通过二极管的电流。图中的红线代表硅二极管，蓝线代表锗二极管。铌和硅一样，也是一种很好的半导体材料。二极管有一个称为阈值电压的值。高于此值，二极管开始导通。对于硅二极管，该值为0.7V。对于锗二极管，该值为

0.2V ［3］。还有一个值称为击穿电压。当我们谈论整改时，会提到这个值。

做完这些准备工作，我们终于可以谈谈晶体管了。CPU中有数十亿个晶体管，但这数十亿个晶体管具有完全相同的结构，只是连接发生了变化。CPU使用的晶体管可以有自己的名称：MOSFET。

IV. 金属氧化物半导体场效应晶体管

1926年，当广东国民政府发起的北伐军阀北伐如火如荼时，在大洋彼岸的美国，物理学家朱利叶斯·埃德加·利林菲尔德（Julius Edgar

Lilienfeld）申请了对下个世纪电子学发展产生重要影响。专利 -

控制电流的方法和装置是该专利首次提出场效应晶体管的工作原理。从那时到1960年，虽然两代场效应半导体器件——JFET和MOSFET相继问世，但中国对此没有任何贡献。直到今天，中国的半导体产业仍然落后于世界水平。

一种控制电流的方法和装置

MOSFET的全名很可怕。它的英文名称称为金属氧化物半导体场效应晶体管。中文名称为金属氧化物半导体场效应晶体管。我希望您也能体会到MOSFET的魅力

• 低到可以忽略不计的功耗，极其简单的结构和处理技术以及引人入胜的工作原理。

我们注意到MOSFET是一种场效应晶体管。什么是场效应？我们都在早期就学会了磁场，我们知道异性会吸引异性。对于电子产品，也会产生电场。就像电场和磁场一样，它是同性的排斥力，异性吸引电子。电子会排斥电子，但电子会吸引空穴，反之亦然。这句话很简单，只是给学生一个概念。在以下各节中，我将详细介绍电场。

电场

我们都知道晶体管的作用是用小电流控制大电流。所以晶体管一般有三个引脚。两个负责电流输入和输出，一个负责控制打开和关闭。关键是如何打开和关闭它。我们必须使输入阻抗尽可能大。

什么是输入阻抗？输入阻抗是从控制引脚到输出引脚的电阻值。如果输入阻抗较低，控制引脚上的电流将很容易流出输出引脚。每个控件都会有一点打开和关闭。电流从输出引脚流出，这是一种浪费。如果输入阻抗很大，则控制引脚上的电流不容易流出输出引脚，因为电阻器起到阻断电流的作用。理想的状态是输入阻抗是无限的，这样控制电流根本不消耗能量，CPU的功耗可以降低到几乎为零。

MOSFET使用一种非常神奇的方式来控制电流。其输入引脚和输出引脚由两个独立的N形半导体连接。两个N形半导体填充有P形半导体。在中间的P形半导体上方，有一层薄薄的二氧化硅。（氧化物）绝缘层，上面是金属板，金属板连接控制引脚。

所以它被称为金属/氧化物/半导体/场效应/晶体管。

场效应管结构

在MOSFET中，我们将输入引脚称为源极G，输出引脚称为漏极D，控制引脚称为栅极G，底部的大块P形半导体称为衬底B［4］。当栅极没有电压时，我们可以看到源极-基板-漏极级之间有两个PN结。这两个PN结隔离电流流出的源极和漏极级。没有方向可以流通。

N+半导体通道

但是，如果我们像栅极一样施加正电压，那么栅极金属板上的正电荷将吸引P型半导体和N型半导体带负电的电子。然后，绝缘层附近的区域充满载流子（电子）。众所周知，含有电子的半导体材料是N型半导体。虽然衬底本质上是P型半导体，但由于衬底具有非常高的电子浓度，我们可以将该区域的P型半导体视为包含自由电子的N型半导体。我们称这个区域为海峡。由于源极和漏极级之间的半导体现在具有相同的性质，并且都是N型半导体，因此电流可以在两个引脚之间自由流动。

五、N+型半导体

事实上，这里用于源极和漏极阶段的半导体还不是普通的N型半导体。这里，使用大量掺杂荧光粉的N

+半导体。它们含有大量的自由电子，可以使更多的电子能够被门控。极点吸引，增加通道的宽度，使其更容易通过电流。我们可以发现栅极和漏极是绝缘的，这意味着它的输入电阻非常高。可以说，如果不是MOSFET的发明，世界上产生的电力是买不起几台电脑的。MOSFET的出现使数百万晶体管处理器能够进入数百万家庭。其简单的结构也让普通人拥有强大的计算能力。

正如我们的世界是由原子组成的，电子世界也是由MOSFET组成的。无论什么复杂，其本质都是简单而美丽的。希望这一部分能启发同学们，启发大家继续探索电子电路的魅力。