從砂子到芯片 - 芯片形成過(guò)程

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概括

本文主要講解芯片形成的過(guò)程。沙子是怎么變成芯片的？在開始介紹電的一系列基本概念和各種繁瑣的公式之前，我想先解決一下我們大多數(shù)人一直以來(lái)的疑惑。但是，這個(gè)問(wèn)題還是很難一言以蔽之，至少得用十幾節(jié)來(lái)完成這本書所包含的所有知識(shí)。所以在本節(jié)中，我將重點(diǎn)回答最有趣和最重要的部分：沙子是如何變成晶體管的？

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目錄

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Ⅰ 從砂到芯片--芯片形成過(guò)程

PN結(jié)是一種廣泛存在于半導(dǎo)體器件中的結(jié)構(gòu)。它實(shí)際上不是一個(gè)非常精確的結(jié)構(gòu)。PN 結(jié)實(shí)際上是指在 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體的接觸部分附近發(fā)生的耗盡的現(xiàn)象。

這里有很多術(shù)語(yǔ)，如果我從各種百科全書中提取一點(diǎn)點(diǎn)，組合起來(lái)的東西幾乎是這樣的。一開始，為什么二極管具有單向?qū)щ娦?，而三極管為什么可以放大電流？為什么 JFET 可以限制電流的問(wèn)題一直困擾著我。

各大高校教材的問(wèn)題是從來(lái)沒(méi)有講過(guò)詳細(xì)的原理，即使講了也看不懂，導(dǎo)致問(wèn)題越來(lái)越多，公式、理論也很難記住。直到很久以前，我才終于明白他們的原則。為了便于大家理解后面的系列理論，第一部分會(huì)非常詳細(xì)，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Ⅱ 什么是半導(dǎo)體

讓我們來(lái)談?wù)勈裁词前雽?dǎo)體。半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。我們知道導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別在于導(dǎo)體中有大量的自由電子，而絕緣體中幾乎沒(méi)有自由電子。那么，純硅晶能導(dǎo)電嗎？

純硅晶

上圖中，藍(lán)色實(shí)心球體為硅原子，藍(lán)色空心球體為電子。硅原子是正四價(jià)的，所以一個(gè)原子周圍有四個(gè)電子（8-4=4）。每個(gè)硅原子與周圍的硅原子共享四個(gè)電子，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在這種情況下，純硅晶體中幾乎沒(méi)有自由電子——電子被共價(jià)鍵牢固地束縛在一起，所以純硅晶體是絕緣體。

那么我們?nèi)绾卧鰪?qiáng)硅晶體的導(dǎo)電性呢？第一種方法是增加自由電子。加上自由電子后，由于電子帶負(fù)電，所以我們把帶有自由電子的硅晶體稱為N型半導(dǎo)體，其中“N”是“負(fù)”的縮寫。添加自由電子的操作專業(yè)稱為摻雜。聰明的學(xué)生可以從這個(gè)學(xué)期開始思考如何將自由電子添加到晶體中。

我們需要用比硅的價(jià)數(shù)更高的原子替換硅原子，這樣這個(gè)原子周圍就會(huì)有 9 個(gè)電子。這個(gè)額外的電子將成為自由電子并增強(qiáng)晶體的導(dǎo)電性。摻雜該步驟通常通過(guò)使用離子束在真空中轟擊硅晶體來(lái)完成。離子將撞擊一部分硅原子，并將所需的原子注入到離子實(shí)施中。

負(fù)半導(dǎo)體

什么原子的價(jià)數(shù)比硅高？磷作為雜質(zhì)，含量非常低，可以將這些磷原子近似為晶體的一部分。在正常情況下，磷的額外電子留在供體原子附近。但是，一旦我們?cè)诎雽?dǎo)體材料的兩側(cè)施加電壓，由于八個(gè)電子的穩(wěn)定性高于九個(gè)電子，Si和P原子都會(huì)“丟棄”電子，變成自由電子，從負(fù)極電池。跑到電池的正極。定向運(yùn)動(dòng)的自由電子產(chǎn)生電能。

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)

既然我們知道“N”代表“負(fù)”，那么自然而然，“P”就代表“正”。在解釋什么是P型半導(dǎo)體之前，我要問(wèn)幾個(gè)問(wèn)題：

• （1）如何使硅晶還原電子？

• （2）我們使用的雜質(zhì)應(yīng)該更活潑還是更穩(wěn)定？

• （3）雜質(zhì)的性質(zhì)是離硅近還是遠(yuǎn)？

• （4）什么樣的雜質(zhì)比較容易添加？

答案是第五元素硼。硼具有多種優(yōu)良特性。首先，它是第三族的主要元素，所以它的最外層有三個(gè)電子，比硅少一個(gè)，所以摻雜在硅晶體中時(shí)，整個(gè)缺乏自由電子。其次，硼是第三主族中唯一與硅相似的非金屬元素，與硅有很強(qiáng)的相似性。最后，硼是穩(wěn)定的、重量輕的，并且很容易植入到硅晶體中。

將硼注入硅晶體

硼是一種黑色粉末狀固體，所以我在這里用黑球代替了它。它旁邊有一個(gè)虛線球。這是一個(gè)電子空穴，這意味著該位置缺少一個(gè)電子。所以我們可以想到這個(gè)洞。正充電。

我們稱電子和空穴電荷載流子。它們帶有自己的電荷，可以充當(dāng)電流發(fā)生器?？椎母拍羁赡芴橄罅耍覀兛梢赃@樣理解：把孔想象成一杯水中的氣泡，杯子的重力勢(shì)低，所以我們把它想象成電池的負(fù)極，杯底為正極。

然后我們將水分子視為電子。氣泡上方的水分子會(huì)去到杯底，然后在原來(lái)的水分子所在的位置產(chǎn)生一個(gè)新的氣泡，從而造成氣泡向上移動(dòng)的錯(cuò)覺(jué)。在電路中，電子也受到電壓的影響來(lái)填充這個(gè)空穴。然后原始電子的位置被空穴代替。似乎空穴從正極移動(dòng)到負(fù)極。

電荷載體

Ⅲ PN結(jié)和二極管

現(xiàn)在我們終于可以談?wù)?PN 結(jié)了。前面我們說(shuō)過(guò)，PN結(jié)是一種存在于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間的現(xiàn)象。

PN結(jié)

從現(xiàn)在開始，P型半導(dǎo)體的顏色將由空穴橙色代表，N型半導(dǎo)體的顏色將由電子藍(lán)代表。

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的接觸面附近，N型半導(dǎo)體的電子被填充到P型半導(dǎo)體的空穴中，導(dǎo)致PN結(jié)中沒(méi)有載流子?？昭▽?duì)電子的吸引力仍然很大。在P型半導(dǎo)體的部分，空穴被電子填充，但P型半導(dǎo)體中所含的雜質(zhì)是硼，硼外只有三個(gè)電子。

當(dāng)空穴被填滿時(shí)，硼周圍有四個(gè)電子，又多了一個(gè)電子，所以整體帶負(fù)電。同理，在N型半導(dǎo)體的部分，電子跑到P型半導(dǎo)體的空穴中，熒光粉周圍少了一個(gè)電子，所以整體帶正電。在該區(qū)域，電子填充所有空穴[1]，導(dǎo)致沒(méi)有自由移動(dòng)的載流子攜帶電荷，因此電流不能很好地通過(guò)該區(qū)域。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體單獨(dú)時(shí)可以導(dǎo)電，但放在一起時(shí)則具有單向?qū)щ娦裕藭r(shí)就形成了二極管。

二極管

我們將二極管的 P 形半導(dǎo)體部分稱為陽(yáng)極，將 N 形半導(dǎo)體部分稱為陰極。這很容易理解。復(fù)習(xí)之前的知識(shí)：空從正極流向負(fù)極，電子從負(fù)極流向正極。P型半導(dǎo)體的空心和N型半導(dǎo)體的電子在正向電壓的幫助下被擠壓向PN結(jié)，使載流子在PN結(jié)的兩側(cè)重新獲得并具有導(dǎo)電能力. 對(duì)于硅二極管，只要正向電壓超過(guò)0.7V，PN結(jié)的寬度就會(huì)收縮得足夠短，以允許電流通過(guò)二極管。

我已經(jīng)用電路符號(hào)替換了上面的電池。相應(yīng)地，二極管也有自己的電路符號(hào)，更長(zhǎng)一些：

二極管電路符號(hào)

那么，如果我們對(duì)二極管施加反向電壓會(huì)怎樣？您可能會(huì)考慮電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向。想一想PN結(jié)的寬度會(huì)不會(huì)發(fā)生變化。這種變化對(duì)電流有什么影響？

向二極管施加反向電壓

同樣，空穴流向負(fù)極，電子流向正極，載流子遠(yuǎn)離PN結(jié)，不存在載流子的區(qū)域變大，PN結(jié)變寬，導(dǎo)致無(wú)電流流動(dòng)，并施加反向電壓。電流越大，通過(guò)二極管的電流越小。因此，二極管具有單向?qū)щ娦?，只能允許電流從陽(yáng)極流向陰極。[2]

電流電壓圖

上圖是電流-電壓圖，顯示了在不同電壓下可以通過(guò)二極管的電流。圖中紅線代表硅二極管，藍(lán)線代表鍺二極管。鈮和硅一樣，也是一種很好的半導(dǎo)體材料。二極管有一個(gè)稱為閾值電壓的值。高于此值，二極管開始導(dǎo)通。對(duì)于硅二極管，該值為 0.7V。對(duì)于鍺二極管，該值為 0.2V [3]。還有一個(gè)值叫做擊穿電壓。這個(gè)值我們講整改的時(shí)候會(huì)提到。

做完這些準(zhǔn)備工作，我們終于可以聊聊晶體管了。CPU中有數(shù)十億個(gè)晶體管，但是這數(shù)十億個(gè)晶體管的結(jié)構(gòu)完全相同，只是連接方式發(fā)生了變化。CPU使用的晶體管可以有自己的名字：MOSFET。

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Ⅳ 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

1926年，當(dāng)國(guó)民政府發(fā)起的北伐如火如荼之際，在大洋彼岸的美國(guó)，物理學(xué)家朱利葉斯·埃德加·利連費(fèi)爾德曾申請(qǐng)對(duì)下世紀(jì)電子學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。 . 專利 - 控制電流的方法和裝置是該專利首次提出場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理。此后到1960年，雖然兩代場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體器件——JFET和MOSFET相繼問(wèn)世，但中國(guó)對(duì)此毫無(wú)貢獻(xiàn)。直到今天，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍落后于世界水平。

控制電流的方法和裝置

MOSFET的全名是可怕的。它的英文名稱叫Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。中文名稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。我希望您也能體會(huì)到 MOSFET 的魅力——低到可以忽略不計(jì)的功耗、極其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)以及引人入勝的工作原理。

我們注意到 MOSFET 是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。什么是場(chǎng)效應(yīng)？早年我們都學(xué)過(guò)磁場(chǎng)，知道異性會(huì)吸引異性。對(duì)于電子產(chǎn)品，也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。同電場(chǎng)和磁場(chǎng)一樣，是同性排斥，異性吸引電子。電子會(huì)排斥電子，但電子會(huì)吸引空穴，反之亦然。這個(gè)說(shuō)法很簡(jiǎn)單，只是給學(xué)生一個(gè)概念。在下面的部分中我將詳細(xì)介紹電場(chǎng)。

電場(chǎng)

我們都知道晶體管的作用是用小電流控制大電流。所以晶體管一般有三個(gè)引腳。兩個(gè)負(fù)責(zé)電流輸入輸出，一個(gè)負(fù)責(zé)控制開合。關(guān)鍵是如何打開和關(guān)閉它。我們必須使輸入阻抗盡可能大。

什么是輸入阻抗？輸入阻抗是從控制引腳到輸出引腳的電阻值。如果輸入阻抗低，控制引腳上的電流很容易從輸出引腳流出。每個(gè)控件都會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)打開和關(guān)閉。電流從輸出引腳流出，這是一種浪費(fèi)。如果輸入阻抗大，那么控制腳上的電流就不容易從輸出腳流出，因?yàn)殡娮杵鸬搅俗钄嚯娏鞯淖饔?。理想狀態(tài)是輸入阻抗無(wú)窮大，這樣控制電流根本不消耗能量，CPU的功耗可以降到幾乎為零。

MOSFET 使用一種非常神奇的方式來(lái)控制電流。它的輸入引腳和輸出引腳由兩個(gè)獨(dú)立的N型半導(dǎo)體相連。兩個(gè)N型半導(dǎo)體填充有P型半導(dǎo)體。在中間的 P 型半導(dǎo)體上方，有一層薄薄的二氧化硅。(Oxide)絕緣層，上面是金屬板，金屬板連接控制引腳。

所以稱為金屬/氧化物/半導(dǎo)體/場(chǎng)效應(yīng)/晶體管。

MOSFET結(jié)構(gòu)

在 MOSFET 中，我們將輸入引腳稱為源極 G，將輸出引腳稱為漏極 D，將控制引腳稱為柵極 G，將底部體 P 型半導(dǎo)體稱為襯底 B[4]。當(dāng)柵極沒(méi)有施加電壓時(shí)，我們可以看到在源極-襯底-漏極級(jí)之間有兩個(gè) PN 結(jié)。這兩個(gè) PN 結(jié)將電流從中流過(guò)的源極和漏極級(jí)隔離開來(lái)。沒(méi)有方向可以流通。

N+半導(dǎo)體通道

但是，如果我們像柵極一樣施加正電壓，那么柵極金屬板上的正電荷會(huì)吸引P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體帶負(fù)電荷的電子。然后，絕緣層附近的區(qū)域被載流子（電子）填充。已知含有電子的半導(dǎo)體材料為N型半導(dǎo)體。雖然襯底本質(zhì)上是P型半導(dǎo)體，但由于襯底有非常高的電子濃度，我們可以把那個(gè)區(qū)域的P型半導(dǎo)體看作是含有自由電子的N型半導(dǎo)體。我們稱這個(gè)區(qū)域?yàn)楹{。由于源漏級(jí)之間的半導(dǎo)體現(xiàn)在性質(zhì)相同，都是N型半導(dǎo)體，電流可以在兩個(gè)引腳之間自由流動(dòng)。

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Ⅴ N+型半導(dǎo)體

事實(shí)上，這里源漏級(jí)使用的半導(dǎo)體還不是普通的N型半導(dǎo)體。這里使用了重?fù)诫s磷光體的 N+ 半導(dǎo)體。它們含有大量的自由電子，可以使更多的電子能夠被門控。極點(diǎn)相吸，增加了通道的寬度，使電流更容易通過(guò)。我們可以發(fā)現(xiàn)柵極和漏極是絕緣的，這意味著它的輸入電阻非常高?？梢哉f(shuō)，如果不是MOSFET的發(fā)明，世界上產(chǎn)生的電都買不起幾臺(tái)電腦。MOSFET 的出現(xiàn)，讓數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管處理器走進(jìn)千家萬(wàn)戶。其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也讓普通人擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力。

正如我們的世界由原子組成一樣，電子世界由 MOSFET 組成。再?gòu)?fù)雜的東西，其本質(zhì)都是簡(jiǎn)單而美好的。希望本節(jié)對(duì)同學(xué)們有所啟發(fā)，啟發(fā)大家繼續(xù)探索電子電路的魅力。

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Ⅵ 常見問(wèn)題

1、沙子是怎么變成硅的？

硅砂也稱為二氧化硅，正如您從名稱中毫無(wú)疑問(wèn)地猜到的那樣，它是一種硅和氧的化合物。為了獲得硅，通過(guò)將其與碳混合并在電弧爐中將其加熱至超過(guò) 2,000 攝氏度的溫度來(lái)去除氧。

2. 你能從沙子中得到硅嗎？

凈化首先用還原劑碳加熱沙子，以產(chǎn)生一氧化碳和硅。該工藝的產(chǎn)品稱為冶金級(jí)硅 (MG-Si)，純度可能高達(dá) 99%。完成額外的處理，直到獲得超純電子級(jí)硅 (EG-Si)。

3、芯片為什么要用硅？

使用硅是因?yàn)樗梢杂米鹘^緣體（不允許電流流動(dòng)）或半導(dǎo)體（允許少量電流流動(dòng)）。這對(duì)于制作芯片很重要。

4. 硅芯片是如何工作的？

晶圓被標(biāo)記為許多相同的正方形或矩形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)⒔M成一個(gè)硅芯片（有時(shí)稱為微芯片）。然后通過(guò)摻雜表面的不同區(qū)域?qū)⑺鼈冏兂?n 型或 p 型硅，在每個(gè)芯片上創(chuàng)建數(shù)千、數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億個(gè)組件。

5. 硅是由什么沙子制成的？

硅砂，也稱為石英砂、白砂或工業(yè)砂，由兩種主要元素組成：二氧化硅和氧氣。具體來(lái)說(shuō)，硅砂由二氧化硅 (SiO2) 組成。SiO2 最常見的形式是石英——一種化學(xué)惰性且相對(duì)堅(jiān)硬的礦物。

6. 硅片數(shù)據(jù)是如何存儲(chǔ)的？

在半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)的每一位都存儲(chǔ)在一個(gè)稱為存儲(chǔ)單元的微型電路中，該電路由一到幾個(gè)晶體管組成。... 數(shù)據(jù)通過(guò)稱為內(nèi)存地址的二進(jìn)制數(shù)訪問(wèn)芯片地址引腳，該地址指定要訪問(wèn)芯片中的哪個(gè)字。

7. 硅芯片內(nèi)部是什么？

每個(gè)計(jì)算機(jī)芯片都是由硅和金屬構(gòu)成的。計(jì)算機(jī)芯片也稱為集成電路。每個(gè)芯片包含構(gòu)成處理器的許多晶體管。... 在一個(gè)中央處理單元中，幾個(gè)芯片被放置在一起，它們上有不同數(shù)量的內(nèi)存存儲(chǔ)空間。

8. 玩砂和硅砂有什么區(qū)別？

硅砂是白色的，玩砂是棕褐色的。硅砂比玩砂更輕、更細(xì)。

9. 內(nèi)存芯片是否使用硅？

硅用于電子設(shè)備，因?yàn)樗且环N具有非常特殊性能的元素。它最重要的特性之一是它是一種半導(dǎo)體。...難怪硅已成為存儲(chǔ)芯片、計(jì)算機(jī)處理器、晶體管和所有其他電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

10. 硅芯片的例子是什么？

硅芯片是設(shè)備的大腦；通過(guò)其內(nèi)置組件指導(dǎo)其所有功能。示例包括平板電腦、智能手機(jī)和筆記本電腦。

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