一文看懂3D晶體管

　　隨著半導(dǎo)體制程工藝的發(fā)展，硅晶體管的局限逐漸被顯現(xiàn)出來(lái)，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(tái)積電的FinFET制程。我們來(lái)深入了解一下吧。

　　讓硅半導(dǎo)體導(dǎo)電

　　硅半導(dǎo)體的特性就是它不導(dǎo)電，讀者們一定要問(wèn)如果它不導(dǎo)電那我們的芯片難不成是米糕做的?答對(duì)了，就是米糕!

　　水電工前輩們知道硅結(jié)晶呈現(xiàn)了很穩(wěn)定的四價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，所以晶體之中沒(méi)有什么自由電子活動(dòng)空間，如果沒(méi)有外力填充電子進(jìn)去或者填充電洞進(jìn)去是沒(méi)什么機(jī)會(huì)導(dǎo)電的。所以就在硅結(jié)晶中加入了少量的五價(jià)或三價(jià)原子雜質(zhì)進(jìn)去，大概都不超過(guò)萬(wàn)分之一，讓硅結(jié)晶像米糕一樣亂一些，這樣一來(lái)就可以導(dǎo)電了!

　　其中加入三價(jià)雜質(zhì)的硅結(jié)晶會(huì)產(chǎn)生出一些可以容納正電荷的空間，我們稱(chēng)之為電洞，加入五價(jià)的則會(huì)產(chǎn)生多余的電子出來(lái)可以自由漂移。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，電子飄移的速度會(huì)比電洞快很多，這是因?yàn)殡姸床⒉皇钦娴恼姾稍谝苿?dòng)，而是靠負(fù)電荷在推擠移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)現(xiàn)象。

　　P、N組成二極體

　　好不容易讓硅導(dǎo)電之后，水電工們把填入三價(jià)雜質(zhì)的P型半導(dǎo)體和加入五價(jià)雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體連起來(lái)發(fā)現(xiàn)，它又不導(dǎo)電了!呃，不對(duì)，當(dāng)電流換一個(gè)方向由P流至N時(shí)它其實(shí)是會(huì)導(dǎo)電的，這就是大家熟知的二極體。

　　二極體能單向?qū)щ姡饕€是因?yàn)殡娏鲝腜型半導(dǎo)體流往N型半導(dǎo)體時(shí)，可以輕易地跨過(guò)介面電場(chǎng)(因?yàn)殡妶?chǎng)方向和電流方向相同)，而反向時(shí)則會(huì)和這個(gè)由材料差異引起的介面能階差互相對(duì)沖以致無(wú)法流過(guò)去。不過(guò)當(dāng)電壓大于能階差的時(shí)候還是會(huì)打穿的，基納二極體就是利用這個(gè)效應(yīng)工作的整壓二極體。

　　▲P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意

　　▲N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意

　　三極晶體管的由來(lái)

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

　　▲順向偏壓

　　▲逆向偏壓

　　當(dāng)然各位熟知常用在音響線(xiàn)路上的放大器也是一種三極體的應(yīng)用，當(dāng)通道在半形成狀態(tài)時(shí)晶體管就會(huì)開(kāi)始輸出了，而此時(shí)控制極的電壓稍稍拉高，輸出就會(huì)約略線(xiàn)性加大，反之亦然。所以我們可以只檢測(cè)到很小的訊號(hào)送到控制極，卻在輸出端復(fù)制出一個(gè)長(zhǎng)相很類(lèi)似輸入訊號(hào)、但是力量卻大了百倍不只的訊號(hào)，這就是放大器。

　　▲三極晶體管的基本構(gòu)想

　　▲理想的三極控制器輸入與輸出關(guān)系

　　介面電場(chǎng)

　　當(dāng)2種物質(zhì)被人類(lèi)結(jié)合在一起時(shí)，由于兩者之間原子和電子分布情況不同，會(huì)在介接面產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)就叫介面電場(chǎng)，而電場(chǎng)的大小就叫介面能階差。不只半導(dǎo)體有這個(gè)介面電場(chǎng)，就連良導(dǎo)體也會(huì)有這種現(xiàn)象，只是良導(dǎo)體的介面電場(chǎng)很小，不過(guò)對(duì)于高頻訊號(hào)而言仍然會(huì)造成障礙，好比超過(guò)10GHz電波用的天線(xiàn)材料或?qū)Ь€(xiàn)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(jié)構(gòu)，就會(huì)有不同的通道形成方式，我們來(lái)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。