前段時間有人問我，晶體管是什么？它又是怎樣制造出來的？這讓我一時難以回答。因為要回答的這個問題有些復(fù)雜，今天我們就來談?wù)勈裁词蔷w管，晶體管又是怎么制造出來的。
晶體管是二極管、三極管、場效應(yīng)管等元器件的統(tǒng)稱。它是一種用來對電路信號進行處理的元件，當然電路光有晶體管不行，還得要其他元件配合才能完成一定的電路功能。下面我就來談?wù)劸w管的制造過程:
半導(dǎo)體
所謂半導(dǎo)體，它指的是一種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一種物質(zhì)。不過實際上，我們需要的半導(dǎo)體卻并不是單純指的不太導(dǎo)電的半物體。象那種在絕緣體里摻有導(dǎo)電物質(zhì)的半物質(zhì)，是不能拿來做晶體管的。用來制造晶體管和集成電路的半導(dǎo)體，主要是指碳族元素。比如：硅和鍺。硅和鍺是制作半導(dǎo)體的一種最重要的材料。此外，砷化鎵、磷化鎵、硫化鎘、硫化鋅以及一些金屬的化合物等都是半導(dǎo)體。不過用途最廣的還是硅半導(dǎo)體。今天就以硅半導(dǎo)體為例，來討論一下晶體管的原理和制造過程。
碳簇元素
碳簇元素在元素周期表中屬第四主族元素，該族元素的最外層都有四個電子。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，原子最外層電子數(shù)最多為8個。并且最外層電子數(shù)為8個時，原子達到最穩(wěn)定狀態(tài)。元素周期表中的第八主族元素最外層電子數(shù)就是8個，所以這第八主族的元素都屬于隋性元素。而如果原子的最外層電子數(shù)少于4個，那這種原子就比較容易失去電子達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。并且電子數(shù)越少，就越容易失去最外層電子。而如果某原子的最外層電子數(shù)大于5個，則這種原子就容易得到電子達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。并且，最外層電子數(shù)越多（5-7個），則越容得到電子達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而碳簇元素則是一種最為特殊的元素，它的最外層電子數(shù)為4個。它們二個原子之間，采用將八個電子為二個原子共有的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)，我們稱之為共用電子對。這也是一種相對比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
硅的冶煉
硅是一種最重要的半導(dǎo)體材料，我們平常用的晶體管及各種集成電路，基本上都是用硅做為主要材料制造的，CPU當然也不例外。硅元素是世界上含量最多的元素之一，它在地殼中的含量為26.30％，僅次于氧（48.60％，也有人認為是48.06％），排列第二名。平常我們看到的水泥、泥土、砂子、石頭、石英等都是硅的化合物。
雖然硅的化合物腳底下就是，但用來冶煉單晶硅卻并不會用泥土來冶煉。其原因很簡單，一方面我們需用的單晶硅量不是很大，我們不需要用遍地都是的泥土來冶煉。另一方面，泥土中所含的其他雜質(zhì)多，而且用泥土冶煉單晶硅工藝復(fù)雜，提純困難。所以一般工業(yè)上都采用石英砂及石英來冶煉單晶硅。我們平常在河邊看到的那種白色半透明的石頭就是石英，石英的主要成份是二氧化硅。
硅的冶煉分為粗煉與精煉：粗煉方法用的是還原法。主要采用大功率電爐將石英、石油焦和煙煤放在爐內(nèi)進行冶煉。反應(yīng)方程式： SiO2 + 2C → Si + 2CO↑，其中碳的來源主要為石油焦和煙煤。具體冶煉方法這里就不介紹了，有興趣的朋友可以參考與之相關(guān)的文章。
硅的精煉：用還原法生產(chǎn)的硅，一般純度都不高，只能用于一般的工業(yè)用硅。為了讓硅達到電子級別的高純度硅，還需進一步提純。目前用于集成電路的單晶硅主要采用化學(xué)方法，如西門子法（三氯氫硅還原法），就是其中的一種主要方法。這種方法是鹽酸（HCl）與經(jīng)過研磨的粗硅在高溫下進行反應(yīng)，生成SiHCI3，然后再對形成的SiHCI3進行化學(xué)提純，最后達到電子級多晶硅。硅的提純原理并不是很復(fù)雜，但由于電子級別的硅對純度要求極高，目前要求的單晶純度為99.999999999％～99.99999999999％。因此，硅的整個提純過程是非常復(fù)雜的。
經(jīng)過化學(xué)方法提純，硅的純度問題解決了，但這還不是單晶硅，要讓硅（多晶硅及無定形硅）變?yōu)閱尉Ч柽€需要用一些特殊方法。目前采用的方法有直拉法（CZ）、懸浮區(qū)熔法（FZ）和外延法。限于篇幅，在這里我就不再介紹了。
單晶硅的成品一般都是圓柱形，圓柱形的單晶硅經(jīng)過切片后，就是制造集成電路及晶體管的原料了。也正因為單晶硅的形狀是圓形，所以也叫晶圓。
晶圓之所以制成圓柱形，是因為單晶硅是用多晶硅或無定向硅在熔融狀態(tài)下“拉”出來的。而拉出來的單晶硅由于物質(zhì)本身張力關(guān)系，自然就會形成圓柱形，就象讓一滴水讓它自由落下時，不管它在落下前是什么形狀，但在空中經(jīng)過一段時間后就會變成圓球形。多晶體在拉成單晶硅的過程中也一樣，它在拉的過程中自然而然就就會變成圓柱形。雖然將單晶硅拉成方形，利用率可能會更高，但目前還沒有什么好方法。其實最重要的原因，我想還是沒有這個必要吧，因為，晶圓的邊角料還可以用來制造其他的產(chǎn)品。
滲透原理
為了說清二極管和三極管原理，我們先來做一個實驗。在一瓶水中滴入一滴墨水，即使我們不再攪動它，經(jīng)過一段時間的放置，整瓶水也會全部變成墨水的顏色。這是因為在流體中，物質(zhì)高濃度高的一方總是會向著物質(zhì)低濃度的一方進行滲透擴散。在水中，墨水的濃度是低濃度，而水的濃度為高濃度，所以水就往墨水中滲透。而在墨水中，水的濃度是低濃度，墨水的濃度為高濃度，所以墨水就往水中滲透。
摻雜
經(jīng)過切片后的單晶硅并不是接上線就能成為集成電路和三極管的，而是要經(jīng)過很多個工序才能最終完成。第一道工序就是摻雜，也許你要懷疑我是不是說錯了？好不容易將硅提純到世界上最純的單質(zhì)，現(xiàn)在竟要摻入雜質(zhì)？我沒說錯，事實確實如此。為了制成二極管、三極管，摻雜是絕對必要的。現(xiàn)在我們就來看下二極管、三極管是怎么做成的。
PN結(jié)
上面說過經(jīng)過切片后的單晶硅需要摻入雜質(zhì)，但雜質(zhì)不等同于垃圾，此雜質(zhì)也非單晶硅提純前的彼雜質(zhì)。用于二極管、三極管集成電路的單晶硅，摻入的是高純度單質(zhì)磷和高純度的單質(zhì)硼。摻雜的方法目前普遍用的是擴散法，摻雜的量也是需要嚴格控制的，不能多也不能少。否則就會影響元件的性能，甚至成為廢品。
在一塊單晶硅摻入磷（當然也可摻入砷等其他五價元素）后，就形成了N型半導(dǎo)體。由于磷是五價的，也就是說磷原子的最外層有五個電子。這五個電子跟相鄰的硅原子最外層的四個電子形成共價鍵后，還多一個電子，而這個多出來的電子與磷原子和硅原子的結(jié)合力就會弱很多。所以，這個多出來的電子就成為比較容易移動的“自由電子”。這樣一來，這塊半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能就大大地增強了。我們再用相同的方法，在另一塊單晶硅中摻入三價的硼原子，摻有硼原子的半導(dǎo)體就是P型半導(dǎo)體。由于P型半導(dǎo)體中的硼原子最外層只有三個電子，這三個電子與相鄰的硅原子形成共價鍵時少一個電子。這樣，這個原子就形成了一個空穴，而這個空穴容易從其他原子中得到一個電子。但這樣失去電子的原子又形成了空穴，這樣，這些空穴也跟自由電子一樣變成了一個“自由空穴”。
二極管
將上面P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體合在一起，就形成了一個PN結(jié)，將這個PN結(jié)加上引線（歐姆接觸）就形成了一個二極管。
二極管的工作原理
當P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體合在一起時（參看圖1），由于P型半導(dǎo)體中存在很多空穴，而N型半導(dǎo)體中有很多自由電子。當它們結(jié)合在一起時，N型半導(dǎo)體中的電子濃度高。根據(jù)滲透原理，N型半導(dǎo)體中的電子就會向P型半導(dǎo)體中擴散。擴散的結(jié)果就是原本不帶電的N型半導(dǎo)體帶上了正電，而原本不帶電的P型半導(dǎo)體帶上了負電（如圖2）。帶電的結(jié)果，就使得這個PN結(jié)之間形成了電場。正是由于這個電場的存在，使得電子的擴撒運動不斷減緩（同性相引，異性相斥）。這樣擴散運動經(jīng)過一段時間后就會停止，當然實際上并不是完全停止，而是仍有一極少量的電子繼續(xù)擴散。這是因為，在P半導(dǎo)體中與N型半導(dǎo)體結(jié)合的邊緣，由于受到熱運動和各種射線（包括各種可見光線）的影響，使得P半導(dǎo)體內(nèi)部的少量電子，被加速后逃離原位置而進入電場中。進入電場中的電子受到電場的作用使得電子向N型半導(dǎo)體方向移動，我們把這種電子運動稱之為漂移運動，而漂移移動的結(jié)果又使得擴散運動得以繼續(xù)進行。當電子的擴散運動與電子的漂移動達到動態(tài)平衡時，就處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于漂移運動是P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子，所以由漂移形成的電流是很小的。什么是少數(shù)載流子？所謂的少數(shù)載流子就是指如果在這塊半導(dǎo)體中主要靠電子運動形成電流的（如N型半導(dǎo)體），那這塊半導(dǎo)體中電子就是多數(shù)載流體，而空穴就是少數(shù)載流子，反之則反。
二極管的單向?qū)щ娦?/p>
用上面方法制成的二極管，具有單向?qū)щ娦裕@種特性使得通過二極管電流只能向一個方向流動。
下面我們來分析二極管的單向?qū)щ娫?/strong>
參見（圖2）當P型半導(dǎo)體接上負載后與電源的正極相連，N型半導(dǎo)體與電源的負極相連時。電源負極中的電子在電源的作用下，流向N型半導(dǎo)體并與N型半導(dǎo)中的正離子復(fù)合。同樣，P型半導(dǎo)體中的電子，在電源的作用下，流向電源正極，與電源內(nèi)部的正離子復(fù)合。這樣半導(dǎo)體PN結(jié)的內(nèi)部的電子、離子經(jīng)過復(fù)合后，其內(nèi)部的空穴、電子濃度又增加了。濃度增加的結(jié)果使得擴散運動又繼續(xù)進行，這時半體導(dǎo)就處于導(dǎo)通狀態(tài)。
當N型半導(dǎo)體接上負載后接電源的正極，P型半導(dǎo)體接上負載后接電源負極，情況又是怎樣的呢？在P型半導(dǎo)體中，電源的電子通過電極與P型半導(dǎo)體的原子型成了共介鍵。而N型半導(dǎo)體同樣也會因失去電子而形成共介鍵，這樣就相當于整個PN結(jié)變厚。變厚的PN結(jié)對電子的流動具有阻擋作用。在正常電壓下，電源的電子是無法通過增厚后的PN結(jié)的。因此，可以說這時的PN結(jié)是不導(dǎo)通的。不過，由于熱運動射線等影響，PN結(jié)還是會有一個極小的電流產(chǎn)生。這個電流就是反向電流，一般反向電流很小，正常情況下可以忽略不計。
三極管
三極管的結(jié)構(gòu)實際上就相當于二個背靠背二極管（如圖），不過用二個背靠背的二極管
是不能當成三極管使用的。這是因為，三極管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與二個背靠背的二極管還是有區(qū)別的。我們再來看一下三極管是怎樣工作的：
要使三極管能夠正常工作，就必須正確地連接其電路。上圖就是一個三極管放大電路的基本原理圖。圖中如果EB電壓為0時，三極管則處于截止狀態(tài)。因為，這時C區(qū)與B區(qū)的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)（跟上面二極原理相同）。當EB加上合適電壓后，由于E區(qū)和B區(qū)的PN結(jié)處于正向偏置，這時PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后的PN結(jié)E區(qū)的電子就會不斷地擴散到B區(qū)，由于三極管在制造時，把B區(qū)造得很薄，這樣擴散到B區(qū)的電子就很容易擴散到C區(qū)邊緣，而擴散到C區(qū)邊緣的電子就會在C極電源的作用下形成電流，這時三極管的EC極就處于導(dǎo)通狀態(tài)。另外由于BE結(jié)及CE結(jié)的接觸面較大，因此CE區(qū)形成的電流也較大。這就是三極管的放大原理。上面說的就是NPN型三極管，除NPN型三極管之外，還有PNP型三極管，它們的原理都是相同的，這里就不再重復(fù)了。
場效應(yīng)管
場效應(yīng)管也屬于晶體管一類，只是場效應(yīng)管與上面所說的NPN型和PNP型三極管略有不同，NPN型和PNP型三極管屬于雙極晶體管，而場效應(yīng)管屬單極型晶體管。限于篇幅關(guān)系，這里我就不再多說了。