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半导体怎么干活的

芯片就是大规模集成电路,芯片的基础就是集成电路。集成电路的基础是晶体管,做出了晶体管才有可能组合集成电路。而晶体管的基础则是半导体,因此半导体也是集成电路的基础,是芯片的基底。

这就像建城要找风水宝地。城址要背山面水,背靠大山,可以抵御冬季寒风,种植的植物可以顺利采光,生长茂盛,利于养育人民。面对大河可以取水方便。建城要选河流的二级台地,防止洪涝灾害。地基要稳固,防止山崩地陷。有这些条件,就可以称得上风水宝地。

半导体之于集成电路,如同土地之于城市。地形起伏者不适合建造城市,沙化土壤、石灰岩多的地方属于地基不稳。“建造”集成电路也需要选一块好地,需要一块合适的基础材料。半导体于是登上了舞台。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓(化合物)。其中应用最广的、商用化最成功的当推“硅”基半导体。碳基材料组成了生命基础,硅基材料怎么就不能组装另外一种生命呢?!

硅是地壳中最丰富的元素,仅次于氧。自然界中的岩石、砂砾等存在大量硅酸盐或二氧化硅,所以选择硅作为基材首先有成本方面的优势。硅的可掺杂特性容易控制,容易制造出符合要求的晶体管,这是电路原理方面的原因。硅经过氧化所形成的二氧化硅性能稳定,能够作为半导体器件中所需的优良的绝缘膜使用,这是器件结构方面的原因。

最关键的一点还是在于集成电路的平面工艺,硅更容易实施氧化、光刻、扩散等工艺,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此后续主要介绍的也是基于硅的集成电路知识,对硅晶体管和集成电路工艺有了解后,会更容易理解这个问题。

除了可掺杂性之外,半导体还具有热敏性、光敏性、负电阻率温度、可整流等几个特性。因此半导体材料除了用于制造大规模集成电路之外,还可以用于功率器件、光电器件、压力传感器、热电制冷等用途。利用微电子的超微细加工技术,还可以制成微机械电子系统,应用在电子、医疗领域。

显然,像导体这种材料理论上很简单,所以导线到了今天仍然是铜线,技术上没有任何进展。绝缘体的命运也差不多。而半导体这种多种组合的材料可以做出各种特性的产品。所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业。如芯片、雷达。由于二战时雷达技术的发展,半导体才在发现百年后才投入大规模应用。

基于上述原因,硅作为半导体的基础材料成为了一块风水宝地。那么硅基半导体是怎么工作的?

硅的最外层有4个电子,假设某个固体由100个硅原子组成,那么它的满轨道就挤满了400个电子。

而硼这类三价元素最外层只有3个电子。这时如果用10个硼原子取代其中10个硅原子,这块固体的满轨道就产生了10个空位,为电子的移动提供了条件。这就相当于在一辆卡车上站满了30个胖子,胖子们都动弹不得。这时用一些瘦子换下了同样多的胖子,也就腾出了一些空间,使人可以在里面移动换位。这相当于P型半导体。

同理,如果用10个磷原子取代10个硅原子。由于磷这类五价元素外层有5个电子,因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满胖子的卡车外面又挂了10个人,这些外挂的人非常容易掉下卡车,这就是N型半导体。

现在把PN这两种半导体面对面放一起会发生什么呢?显而易见,外挂的人会马上爬上另外一辆车。也就是N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了,一直到电场平衡为止。这就是大名鼎鼎的“PN结”。(如下图)

这时候再加个正向的电压,N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上,电子的移动就是电流,这时的PN结就是导电的。

如果加个反向的电压呢?从P型半导体那里再抽电子到N型半导体,而N型早已挂满了额外的电子,多出来的电子不断增强电场,直至抵消外加的电压,电子就不再继续移动,此时PN结就是不导电的。

最后直白地小结一下:PN结具有单向导电性。正向电压可以使PN结源源不断地产生电流,逆向电压使PN结不导电。

· 2019-06-06 15:57  本新闻来源自:皓首穷茶,版权归原创方所有

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