一文看懂3D晶體管

　　隨著半導體制程工藝的發(fā)展，硅晶體管的局限逐漸被顯現(xiàn)出來，為了摩爾定律繼續(xù)生效，業(yè)界推出了3D晶體管的的定義，而談到3D晶體管，就不能不談Intel的Tri-Gate晶體管和臺積電的FinFET制程。我們來深入了解一下吧。

　　讓硅半導體導電

　　硅半導體的特性就是它不導電，讀者們一定要問如果它不導電那我們的芯片難不成是米糕做的?答對了，就是米糕!

　　水電工前輩們知道硅結晶呈現(xiàn)了很穩(wěn)定的四價鍵結構，所以晶體之中沒有什么自由電子活動空間，如果沒有外力填充電子進去或者填充電洞進去是沒什么機會導電的。所以就在硅結晶中加入了少量的五價或三價原子雜質進去，大概都不超過萬分之一，讓硅結晶像米糕一樣亂一些，這樣一來就可以導電了!

　　其中加入三價雜質的硅結晶會產(chǎn)生出一些可以容納正電荷的空間，我們稱之為電洞，加入五價的則會產(chǎn)生多余的電子出來可以自由漂移。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，電子飄移的速度會比電洞快很多，這是因為電洞并不是真的正電荷在移動，而是靠負電荷在推擠移動時產(chǎn)生的相對移動現(xiàn)象。

　　P、N組成二極體

　　好不容易讓硅導電之后，水電工們把填入三價雜質的P型半導體和加入五價雜質的N型半導體連起來發(fā)現(xiàn)，它又不導電了!呃，不對，當電流換一個方向由P流至N時它其實是會導電的，這就是大家熟知的二極體。

　　二極體能單向導電，主要還是因為電流從P型半導體流往N型半導體時，可以輕易地跨過介面電場(因為電場方向和電流方向相同)，而反向時則會和這個由材料差異引起的介面能階差互相對沖以致無法流過去。不過當電壓大于能階差的時候還是會打穿的，基納二極體就是利用這個效應工作的整壓二極體。

　　▲P型半導體的結構示意

　　▲N型半導體的結構示意

　　三極晶體管的由來

　　三極晶體管的設計目的，就是希望利用二極體的特性，建構一個可以由人為方式控制導通/不導通的控制器。所以任何一種三極晶體管都是由一個控制極，一個輸入極，一個輸出極組成。當我們希望它導通時就在控制極輸入某個電壓，形成通道，然后電流就能由輸入極流到輸出極去，這個輸出極可能又會連到另一個晶體管，變成控制訊號，這樣一連串的連結就構成了可以用布林代數(shù)(一種二元運算的偏序集合)控制結果的數(shù)字控制器。

　　▲順向偏壓

　　▲逆向偏壓

　　當然各位熟知常用在音響線路上的放大器也是一種三極體的應用，當通道在半形成狀態(tài)時晶體管就會開始輸出了，而此時控制極的電壓稍稍拉高，輸出就會約略線性加大，反之亦然。所以我們可以只檢測到很小的訊號送到控制極，卻在輸出端復制出一個長相很類似輸入訊號、但是力量卻大了百倍不只的訊號，這就是放大器。

　　▲三極晶體管的基本構想

　　▲理想的三極控制器輸入與輸出關系

　　介面電場

　　當2種物質被人類結合在一起時，由于兩者之間原子和電子分布情況不同，會在介接面產(chǎn)生一個電場，這個電場就叫介面電場，而電場的大小就叫介面能階差。不只半導體有這個介面電場，就連良導體也會有這種現(xiàn)象，只是良導體的介面電場很小，不過對于高頻訊號而言仍然會造成障礙，好比超過10GHz電波用的天線材料或導線及接頭等都是要特別制作的。

　　重要課題：通道的形成

　　按照不同的晶體管結構，就會有不同的通道形成方式，我們來看看早期最有力、速度最快的BJT晶體管和現(xiàn)在最常用的MOSFET晶體管有什么不同。