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，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(dǎo)體導(dǎo)電

　　硅半導(dǎo)體的特性就是它不導(dǎo)電，讀者們一定要問如果它不導(dǎo)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(jié)晶呈現(xiàn)了很穩(wěn)定的四價鍵結(jié)構(gòu)，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(jìn)去或者填充電洞進(jìn)去是沒什么機(jī)會導(dǎo)電的。所以就在硅結(jié)晶中加入了少量的五價或三價原子雜質(zhì)進(jìn)去，大概都不超過萬分之一，讓硅結(jié)晶像米糕一樣亂一些，這樣一來就可以導(dǎo)電了!

　　其中加入三價雜質(zhì)的硅結(jié)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(xì)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?yàn)殡姸床⒉皇钦娴恼姾稍谝苿?，而是靠?fù)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(dǎo)電之后，水電工們把填入三價雜質(zhì)的P型半導(dǎo)體和加入五價雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體連起來發(fā)現(xiàn)，它又不導(dǎo)電了!呃，不對，當(dāng)電流換一個方向由P流至N時它其實(shí)是會導(dǎo)電的，這就是大家熟知的二極體。

　　二極體能單向?qū)щ?，主要還是因?yàn)殡娏鲝腜型半導(dǎo)體流往N型半導(dǎo)體時，可以輕易地跨過介面電場(因?yàn)殡妶龇较蚝碗娏鞣较蛳嗤?，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(dāng)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(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

　　三極晶體管的設(shè)計目的，就是希望利用二極體的特性，建構(gòu)一個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控制極，一個輸入極，一個輸出極組成。當(dāng)我們希望它導(dǎo)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(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(fù)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(gòu)想

　　▲理想的三極控制器輸入與輸出關(guān)系

　　介面電場

　　當(dāng)2種物質(zhì)被人類結(jié)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(dǎo)體有這個介面電場，就連良導(dǎo)體也會有這種現(xiàn)象，只是良導(dǎo)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?qū)Ь€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。