關(guān)于芯片的基礎(chǔ)知識(shí)

4/4高中物理教科書(shū)為什么在“面向現(xiàn)代化〞問(wèn)題上后退了從一道高考題看關(guān)于芯片的根底知識(shí)最近令人矚目的中美貿(mào)易大戰(zhàn)以美國(guó)對(duì)中國(guó)企業(yè)“華為〞的制裁為開(kāi)端,美國(guó)以華為與伊朗做生意為借口,斷絕對(duì)華為的芯片出口,致使華為險(xiǎn)遭滅頂之災(zāi),這是為什么呢？因?yàn)樾酒恰㈦娔X等的核心元件,芯片技術(shù)是、電腦等的核心技術(shù)。那么,什么是芯片呢？這要從半導(dǎo)體談起。關(guān)于半導(dǎo)體及二極管,三極管和集成電路的知識(shí),高中?物理?教科書(shū)曾經(jīng)有所介紹,那是1980年代初期,“文革〞后剛恢復(fù)高考不久,鄧小平提出“教育要面向世界,面向未來(lái),面向現(xiàn)代化〞,由教育部統(tǒng)編的教材有關(guān)于半導(dǎo)體、二極管、三極管和集成電路的介紹,當(dāng)年的高考物理試題也有所涉及。可惜的是,從1990年代開(kāi)始教材的“改革〞,把這局部?jī)?nèi)容“改革〞掉了。從一道高考物理題談起：我在研究從1978年恢復(fù)被文革中斷的高考到今年40年來(lái)高考物理試題的開(kāi)展和變化的時(shí)候,翻閱?中國(guó)高考真題全編〔1978-2019〕?這本書(shū),看到1981年全國(guó)高考物理試卷第三大題第〔3〕小題：(3)用萬(wàn)用電表電阻擋判斷一只PNP型晶體三極管的基極時(shí),電表指針的偏轉(zhuǎn)情況如下列圖所示.哪只管腳是基極?我是這樣解析的：把PNP三極管看做兩個(gè)二極管,如下列圖：它有三個(gè)管腳a,b,c,根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?a、b之間和c、b之間應(yīng)該是小電阻。根據(jù)萬(wàn)用電表之歐姆表原理,應(yīng)該電流從紅表筆進(jìn),黑表筆i出,也就是黑表筆接的是萬(wàn)用表內(nèi)電池的正極。再看題圖之小電阻的是最后兩個(gè)圖,在這兩個(gè)圖中,接紅表筆的都是3,所以3是基極。翻開(kāi)答案一看,果然是3.說(shuō)明我還沒(méi)有忘記。我敢說(shuō),這道題雖然不難,當(dāng)今的高中生、高考生沒(méi)有一個(gè)會(huì)的,為什么？因?yàn)楫?dāng)前的課程標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)都對(duì)此知識(shí)沒(méi)有談及。這道題需要哪些物理根底知識(shí)呢？一、什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體〔semiconductor〕,指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體〔conductor〕與絕緣體〔insulator〕之間的材料。半導(dǎo)體在收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制,范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)開(kāi)展的角度來(lái)看,半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。今日大局部的電子產(chǎn)品,如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)連。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等,而硅更是各種半導(dǎo)體材料中,在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。二、半導(dǎo)體的分類(lèi)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料很多,按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類(lèi)。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物〔砷化鎵、磷化鎵等〕、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物〔硫化鎘、硫化鋅等〕、氧化物〔錳、鉻、鐵、銅的氧化物〕,以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體〔鎵鋁砷、鎵砷磷等〕。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外,還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體的分類(lèi),按照其制造技術(shù)可以分為：集成電路器件,分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類(lèi),一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類(lèi)。此外還有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類(lèi),雖然不常用,但還是按照IC、LSI、VLSI〔超大LSI〕及其規(guī)模進(jìn)行分類(lèi)的方法。此外,還有按照其所處理的信號(hào),可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類(lèi)的方法。三、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子的形成：在常溫下,少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量,掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子?？昭ǎ簝r(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子而留下一個(gè)空位置稱空穴。電子電流：在外加電場(chǎng)的作用下,自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng),形成電子電流?？昭娏鳎鹤杂呻娮影匆欢ǖ姆较蛞来翁钛a(bǔ)空穴〔即空穴也產(chǎn)生定向移動(dòng)〕,形成空穴電流。本征半導(dǎo)體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同,它們運(yùn)動(dòng)方向相反。載流子：運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。導(dǎo)體電的特點(diǎn)：導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子,即自由電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體導(dǎo)電的特點(diǎn)：本征半導(dǎo)體有兩種載流子,即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。四、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：在純潔的硅晶體中摻入三價(jià)元素〔如硼〕,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中,空穴的濃度大于自由電子的濃度,稱為多數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱多子。少數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中,自由電子為少數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱少子。受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子,稱受主原子。P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電,摻入的雜質(zhì)越多,多子〔空穴〕的濃度就越高,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。N型半導(dǎo)體：在純潔的硅晶體中摻入五價(jià)元素〔如磷〕,使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半導(dǎo)體。多子：N型半導(dǎo)體中,多子為自由電子。少子：N型半導(dǎo)體中,少子為空穴。施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子,稱施主原子。N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多,多子〔自由電子〕的濃度就越高,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。結(jié)論：多子的濃度主要決定于雜質(zhì)濃度。少子的濃度主要決定于溫度。五、PN結(jié)—半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的形成：將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上,PN結(jié)的形成過(guò)程在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)的形成過(guò)程：如下圖,在無(wú)外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下,參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目,從而到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡,形成PN結(jié)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng),這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。空間電荷區(qū)：由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使得PN結(jié)交界面產(chǎn)生一片復(fù)合區(qū)域,可以說(shuō)這里沒(méi)有多子,也沒(méi)有少子。因?yàn)閯倓倲U(kuò)散過(guò)來(lái)就會(huì)立刻與異性復(fù)合,此運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)生著。P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū),N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū),它們根本上是固定的,稱為空間電荷區(qū)。電場(chǎng)形成：空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)?？臻g電荷加寬,內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng),其方向由N區(qū)指向P區(qū),阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)力作用下,載流子的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)。電位差：空間電荷區(qū)具有一定的寬度,形成電位差Uho,電流為零。耗盡層：絕大局部空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴的數(shù)目都非常少,在分析PN結(jié)時(shí)常忽略載流子的作用,而只考慮離子區(qū)的電荷,稱耗盡層。PN結(jié)的特點(diǎn)：具有單向?qū)щ娦?。根?jù)二極管的伏安特性,二極管可以用來(lái)整流、檢波等,在半導(dǎo)體收音機(jī)等中有廣泛的應(yīng)用。六、半導(dǎo)體三極管三極管,全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管,也稱雙極型晶體管、晶體三極管,是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào),也用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。晶體三極管,是半導(dǎo)體根本元器件之一,具有電流放大作用,是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié),兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三局部,中間局部是基區(qū),兩側(cè)局部是發(fā)射區(qū)和集電區(qū),排列方式有PNP和NPN兩種。理論原理晶體三極管〔以下簡(jiǎn)稱三極管〕按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管,〔其中,N是負(fù)極的意思〔代表英文中Negative〕,N型半導(dǎo)體在高純度硅中參加磷取代一些硅原子,在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電,而P是正極的意思〔Positive〕是參加硼取代硅,產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電〕。兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對(duì)于NPN管,它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成,發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e〔Emitter〕、基極b(Base)和集電極c(Collector)。如上圖所示當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí),發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài),而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí),集電結(jié)處于反偏狀態(tài),集電極電源Ec要高于基極電源Eb。在制造三極管時(shí),有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的,同時(shí)基區(qū)做得很薄,而且,要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量,這樣,一旦接通電源后,由于發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子〔電子〕及基區(qū)的多數(shù)載流子〔空穴〕很容易地越過(guò)發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過(guò)發(fā)射結(jié)的電流根本上是電子流,這股電子流稱為發(fā)射極電流子。由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏,注入基區(qū)的電子大局部越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic,只剩下很少〔1-10%〕的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合,被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給,從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic這就是說(shuō),在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib,就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系,即：β1=Ic/Ib式中：β1--稱為直流放大倍數(shù),集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β=△Ic/△Ib式中β--稱為交流電流放大倍數(shù),由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大,所以有時(shí)為了方便起見(jiàn),對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分,β值約為幾十至一百多。α1=Ic/Ie(Ic與Ie是直流通路中的電流大小)式中：α1也稱為直流放大倍數(shù),一般在共基極組態(tài)放大電路中使用,描述了射極電流與集電極電流的關(guān)系。α=△Ic/△Ie表達(dá)式中的α為交流共基極電流放大倍數(shù)。同理α與α1在小信號(hào)輸入時(shí)相差也不大。對(duì)于兩個(gè)描述電流關(guān)系的放大倍數(shù)有以下關(guān)系三極管的電流放大作用實(shí)際上是利用基極電流的微小變化去控制集電極電流的巨大變化。

[2]三極管是一種電流放大器件,但在實(shí)際使用中常常通過(guò)電阻將三極管的電流放大作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。放大原?、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子電源Ub經(jīng)過(guò)電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上,發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子〕不斷地越過(guò)發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū),形成發(fā)射極電流Ie。同時(shí)基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散,但由于多數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)載流子濃度,可以不考慮這個(gè)電流,因此可以認(rèn)為發(fā)射結(jié)主要是電子流。2、基區(qū)中電子的擴(kuò)散與復(fù)合電子進(jìn)入基區(qū)后,先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集,漸漸形成電子濃度差,在濃度差的作用下,促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散,被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)形成集電極電流Ic。也有很小一局部電子〔因?yàn)榛鶇^(qū)很薄〕與基區(qū)的空穴復(fù)合,擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。3、集電區(qū)收集電子由于集電結(jié)外加反向電壓很大,這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散,同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子〔空穴〕也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng),流向基區(qū)形成反向飽和電流,用Icbo來(lái)表示,其數(shù)值很小,但對(duì)溫度卻異常敏感。半導(dǎo)體與集成電路的關(guān)系半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。我們知道,電路之所以具有某種功能,主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部有電流的各種變化,而之所以形成電流,主要是因?yàn)橛须娮釉诮饘倬€路和電子元件之間流動(dòng)〔運(yùn)動(dòng)/遷移〕。所以,電子在材料中運(yùn)動(dòng)的難易程度,決定了其導(dǎo)電性能。常見(jiàn)的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發(fā)生運(yùn)動(dòng),因此其導(dǎo)電性能好；絕緣體由于其材料本身特性,電子很難獲得導(dǎo)電所需能量,其內(nèi)部很少電子可以遷移,因此幾乎不導(dǎo)電。而半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性那么介于這兩者之間,并且可以通過(guò)摻入雜質(zhì)來(lái)改變其導(dǎo)電性能,人為控制它導(dǎo)電或者不導(dǎo)電以及導(dǎo)電的容易程度。這一點(diǎn)稱之為半導(dǎo)體的可摻雜特性。前面說(shuō)過(guò),集成電路的根底是晶體管,創(chuàng)造了晶體管才有可能創(chuàng)造出集成電路,而晶體管的根底那么是半導(dǎo)體,因此半導(dǎo)體也是集成電路的根底。半導(dǎo)體之于集成電路,如同土地之于城市。很明顯,山地、丘陵多者不適合建造城市,沙化土壤、石灰?guī)r多的地方也不適合建造城市?！敖ㄔ歙暢鞘行枰x一塊好地,“集成〞電路也需要一塊適宜的根底材料——就是半導(dǎo)體。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵〔化合物〕,其中應(yīng)用最廣的、商用化最成功的當(dāng)推“硅〞。那么半導(dǎo)體,特別是硅,為什么適合制造集成電路呢？有多方面的原因。硅是地殼中最豐富的元素,僅次于氧。自然界中的巖石、砂礫等存在大量硅酸鹽或二氧化硅,這是原料本錢(qián)方面的原因。硅的可摻雜特性容易控制,容易制造出符合要求的晶體管,這是電路原理方面的原因。硅經(jīng)過(guò)氧化所形成的二氧化硅性能穩(wěn)定,能夠作為半導(dǎo)體器件中所需的優(yōu)良的絕緣膜使用,這是器件結(jié)構(gòu)方面的原因。最關(guān)鍵的一點(diǎn)還是在于集成電路的平面工藝,硅更容易實(shí)施氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此后續(xù)主要介紹的也是基于硅的集成電路知識(shí),對(duì)硅晶體管和集成電路工藝有了解后,會(huì)更容易理解這個(gè)問(wèn)題。除了可摻雜性之外,半導(dǎo)體還具有熱敏性、光敏性、負(fù)電阻率溫度、可整流等幾個(gè)特性,因此半導(dǎo)體材料除了用于制造大規(guī)模集成電路之外,還可以用于功率器件、光電器件、壓力傳感器、熱電制冷等用途；利用微電子的超微細(xì)加工技術(shù),還可以制成MEMS〔微機(jī)械電子系統(tǒng)〕,應(yīng)用在電子、醫(yī)療領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以來(lái)的物理教科書(shū)與80年代初的物理教科書(shū)相比除了刪除了關(guān)于半導(dǎo)體、二極管、三極管、集成電路的知識(shí)〔可稱為與現(xiàn)代化接軌的知識(shí)〕以外,