本文主要讲解芯片形成的过程。沙子是怎么变成芯片的？在开始介绍电的一系列基本概念和各种繁琐的公式之前，我想先解决一下我们大多数人一直以来的疑惑。但是，这个问题还是很难一言以蔽之，至少得用十几节来完成这本书所包含的所有知识。所以在本节中，我将重点回答最有趣和最重要的部分：沙子是如何变成晶体管的？

　　PN结是一种广泛存在于半导体器件中的结构。它实际上不是一个非常精确的结构。PN 结实际上是指在 P 型半导体和 N 型半导体的接触部分附近发生的耗尽的现象。

　　这里有很多术语，如果我从各种百科全书中提取一点点，组合起来的东西几乎是这样的。一开始，为什么二极管具有单向导电性，而三极管为什么可以放大电流？为什么 JFET 可以限制电流的问题一直困扰着我。

　　各大高校教材的问题是从来没有讲过详细的原理，即使讲了也看不懂，导致问题越来越多，公式、理论也很难记住。直到很久以前，我才终于明白他们的原则。为了便于大家理解后面的系列理论，第一部分会非常详细，为后续的学习打下坚实的基础。

　　让我们来谈谈什么是半导体。半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。我们知道导体和绝缘体的区别在于导体中有大量的自由电子，而绝缘体中几乎没有自由电子。那么，纯硅晶能导电吗？

　　上图中，蓝色实心球体为硅原子，蓝色空心球体为电子。硅原子是正四价的，所以一个原子周围有四个电子（8-4=4）。每个硅原子与周围的硅原子共享四个电子，形成八个电子的稳定结构。在这种情况下，纯硅晶体中几乎没有自由电子——电子被共价键牢固地束缚在一起，所以纯硅晶体是绝缘体。

　　那么我们如何增强硅晶体的导电性呢？第一种方法是增加自由电子。加上自由电子后，由于电子带负电，所以我们把带有自由电子的硅晶体称为N型半导体，其中“N”是“负”的缩写。添加自由电子的操作专业称为掺杂。聪明的学生可以从这个学期开始思考如何将自由电子添加到晶体中。

　　我们需要用比硅的价数更高的原子替换硅原子，这样这个原子周围就会有 9 个电子。这个额外的电子将成为自由电子并增强晶体的导电性。掺杂该步骤通常通过使用离子束在真空中轰击硅晶体来完成。离子将撞击一部分硅原子，并将所需的原子注入到离子实施中。

　　什么原子的价数比硅高？磷作为杂质，含量非常低，可以将这些磷原子近似为晶体的一部分。在正常情况下，磷的额外电子留在供体原子附近。但是，一旦我们在半导体材料的两侧施加电压，由于八个电子的稳定性高于九个电子，Si和P原子都会“丢弃”电子，变成自由电子，从负极电池。跑到电池的正极。定向运动的自由电子产生电能。

　　既然我们知道“N”代表“负”，那么自然而然，“P”就代表“正”。在解释什么是P型半导体之前，我要问几个问题：

　　答案是第五元素硼。硼具有多种优良特性。首先，它是第三族的主要元素，所以它的最外层有三个电子，比硅少一个，所以掺杂在硅晶体中时，整个缺乏自由电子。其次，硼是第三主族中唯一与硅相似的非金属元素，与硅有很强的相似性。最后，硼是稳定的、重量轻的，并且很容易植入到硅晶体中。

　　硼是一种黑色粉末状固体，所以我在这里用黑球代替了它。它旁边有一个虚线球。这是一个电子空穴，这意味着该位置缺少一个电子。所以我们可以想到这个洞。正充电。

　　我们称电子和空穴电荷载流子。它们带有自己的电荷，可以充当电流发生器。孔的概念可能太抽象了，但我们可以这样理解：把孔想象成一杯水中的气泡，杯子的重力势低，所以我们把它想象成电池的负极，杯底为正极。

　　然后我们将水分子视为电子。气泡上方的水分子会去到杯底，然后在原来的水分子所在的位置产生一个新的气泡，从而造成气泡向上移动的错觉。在电路中，电子也受到电压的影响来填充这个空穴。然后原始电子的位置被空穴代替。似乎空穴从正极移动到负极。

　　现在我们终于可以谈谈 PN 结了。前面我们说过，PN结是一种存在于P型半导体和N型半导体之间的现象。

　　在P型半导体和N型半导体的接触面附近，N型半导体的电子被填充到P型半导体的空穴中，导致PN结中没有载流子。空穴对电子的吸引力仍然很大。在P型半导体的部分，空穴被电子填充，但P型半导体中所含的杂质是硼，硼外只有三个电子。

　　当空穴被填满时，硼周围有四个电子，又多了一个电子，所以整体带负电。同理，在N型半导体的部分，电子跑到P型半导体的空穴中，荧光粉周围少了一个电子，所以整体带正电。在该区域，电子填充所有空穴[1]，导致没有自由移动的载流子携带电荷，因此电流不能很好地通过该区域。P型半导体和N型半导体单独时可以导电，但放在一起时则具有单向导电性，此时就形成了二极管。

　　我们将二极管的 P 形半导体部分称为阳极，将 N 形半导体部分称为阴极。这很容易理解。复习之前的知识：空从正极流向负极，电子从负极流向正极。P型半导体的空心和N型半导体的电子在正向电压的帮助下被挤压向PN结，使载流子在PN结的两侧重新获得并具有导电能力. 对于硅二极管，只要正向电压超过0.7V，PN结的宽度就会收缩得足够短，以允许电流通过二极管。

　　那么，如果我们对二极管施加反向电压会怎样？您可能会考虑电子和空穴的运动方向。想一想PN结的宽度会不会发生变化。这种变化对电流有什么影响？

　　同样，空穴流向负极，电子流向正极，载流子远离PN结，不存在载流子的区域变大，PN结变宽，导致无电流流动，并施加反向电压。电流越大，通过二极管的电流越小。因此，二极管具有单向导电性，只能允许电流从阳极流向阴极。[2]

　　上图是电流-电压图，显示了在不同电压下可以通过二极管的电流。图中红线代表硅二极管，蓝线代表锗二极管。铌和硅一样，也是一种很好的半导体材料。二极管有一个称为阈值电压的值。高于此值，二极管开始导通。对于硅二极管，该值为 0.7V。对于锗二极管，该值为 0.2V [3]。还有一个值叫做击穿电压。这个值我们讲整改的时候会提到。

　　做完这些准备工作，我们终于可以聊聊晶体管了。CPU中有数十亿个晶体管，但是这数十亿个晶体管的结构完全相同，只是连接方式发生了变化。CPU使用的晶体管可以有自己的名字：MOSFET。

　　1926年，当国民政府发起的北伐如火如荼之际，在大洋彼岸的美国，物理学家朱利叶斯·埃德加·利连费尔德曾申请对下世纪电子学的发展产生重要影响。 . 专利 - 控制电流的方法和装置是该专利首次提出场效应晶体管的工作原理。此后到1960年，虽然两代场效应半导体器件——JFET和MOSFET相继问世，但中国对此毫无贡献。直到今天，中国半导体产业仍落后于世界水平。

　　MOSFET的全名是可怕的。它的英文名称叫Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。中文名称为金属氧化物半导体场效应晶体管。我希望您也能体会到 MOSFET 的魅力——低到可以忽略不计的功耗、极其简单的结构和加工技术以及引人入胜的工作原理。

　　我们注意到 MOSFET 是一个场效应晶体管。什么是场效应？早年我们都学过磁场，知道异性会吸引异性。对于电子产品，也会产生电场。同电场和磁场一样，是同性排斥，异性吸引电子。电子会排斥电子，但电子会吸引空穴，反之亦然。这个说法很简单，只是给学生一个概念。在下面的部分中我将详细介绍电场。

　　我们都知道晶体管的作用是用小电流控制大电流。所以晶体管一般有三个引脚。两个负责电流输入输出，一个负责控制开合。关键是如何打开和关闭它。我们必须使输入阻抗尽可能大。

　　什么是输入阻抗？输入阻抗是从控制引脚到输出引脚的电阻值。如果输入阻抗低，控制引脚上的电流很容易从输出引脚流出。每个控件都会有一点点打开和关闭。电流从输出引脚流出，这是一种浪费。如果输入阻抗大，那么控制脚上的电流就不容易从输出脚流出，因为电阻起到了阻断电流的作用。理想状态是输入阻抗无穷大，这样控制电流根本不消耗能量，CPU的功耗可以降到几乎为零。

　　MOSFET 使用一种非常神奇的方式来控制电流。它的输入引脚和输出引脚由两个独立的N型半导体相连。两个N型半导体填充有P型半导体。在中间的 P 型半导体上方，有一层薄薄的二氧化硅。(Oxide)绝缘层，上面是金属板，金属板连接控制引脚。

　　在 MOSFET 中，我们将输入引脚称为源极 G，将输出引脚称为漏极 D，将控制引脚称为栅极 G，将底部体 P 型半导体称为衬底 B[4]。当栅极没有施加电压时，我们可以看到在源极-衬底-漏极级之间有两个 PN 结。这两个 PN 结将电流从中流过的源极和漏极级隔离开来。没有方向可以流通。

　　但是，如果我们像栅极一样施加正电压，那么栅极金属板上的正电荷会吸引P型半导体和N型半导体带负电荷的电子。然后，绝缘层附近的区域被载流子（电子）填充。已知含有电子的半导体材料为N型半导体。虽然衬底本质上是P型半导体，但由于衬底有非常高的电子浓度，我们可以把那个区域的P型半导体看作是含有自由电子的N型半导体。我们称这个区域为海峡。由于源漏级之间的半导体现在性质相同，都是N型半导体，电流可以在两个引脚之间自由流动。

　　事实上，这里源漏级使用的半导体还不是普通的N型半导体。这里使用了重掺杂磷光体的 N+ 半导体。它们含有大量的自由电子，可以使更多的电子能够被门控。极点相吸，增加了通道的宽度，使电流更容易通过。我们可以发现栅极和漏极是绝缘的，这意味着它的输入电阻非常高。可以说，如果不是MOSFET的发明，世界上产生的电都买不起几台电脑。MOSFET 的出现，让数以百万计的晶体管处理器走进千家万户。其简单的结构也让普通人拥有强大的计算能力。

　　正如我们的世界由原子组成一样，电子世界由 MOSFET 组成。再复杂的东西，其本质都是简单而美好的。希望本节对同学们有所启发，启发大家继续探索电子电路的魅力。

　　硅砂也称为二氧化硅，正如您从名称中毫无疑问地猜到的那样，它是一种硅和氧的化合物。为了获得硅，通过将其与碳混合并在电弧炉中将其加热至超过 2,000 摄氏度的温度来去除氧。

　　净化首先用还原剂碳加热沙子，以产生一氧化碳和硅。该工艺的产品称为冶金级硅 (MG-Si)，纯度可能高达 99%。完成额外的处理，直到获得超纯电子级硅 (EG-Si)。

　　使用硅是因为它可以用作绝缘体（不允许电流流动）或半导体（允许少量电流流动）。这对于制作芯片很重要。

　　晶圆被标记为许多相同的正方形或矩形区域，每个区域将组成一个硅芯片（有时称为微芯片）。然后通过掺杂表面的不同区域将它们变成 n 型或 p 型硅，在每个芯片上创建数千、数百万或数十亿个组件。

　　硅砂，也称为石英砂、白砂或工业砂，由两种主要元素组成：二氧化硅和氧气。具体来说，硅砂由二氧化硅 (SiO2) 组成。SiO2 最常见的形式是石英——一种化学惰性且相对坚硬的矿物。

　　在半导体存储芯片中，二进制数据的每一位都存储在一个称为存储单元的微型电路中，该电路由一到几个晶体管组成。... 数据通过称为内存地址的二进制数访问芯片地址引脚，该地址指定要访问芯片中的哪个字。

　　每个计算机芯片都是由硅和金属构成的。计算机芯片也称为集成电路。每个芯片包含构成处理器的许多晶体管。... 在一个中央处理单元中，几个芯片被放置在一起，它们上有不同数量的内存存储空间。

　　硅用于电子设备，因为它是一种具有非常特殊性能的元素。它最重要的特性之一是它是一种半导体。...难怪硅已成为存储芯片、计算机处理器、晶体管和所有其他电子产品的基础。

　　机加工在现代工程和制造实践中仍然是一个非常重要的过程，学生需要了解大量可用的方法和技术来满足各种精度和表面光洁度要求。

　　仅仅在 50 年前，计算机还是一种庞大而昂贵的东西，只有少数科学家见过。世界上最聪明的工程师在寻求使这些机器体积小且价格合理的过程中受阻，直到最终解决方案来自两个聪明的年轻美国人。杰克·基尔比 (Jack Kilby) 和罗伯特·诺伊斯 (Robert Noyce) 偶然发现了使硅微芯片成为可能的惊人发现。