關(guān)于芯片的基礎(chǔ)知識

4/4高中物理教科書為什么在“面向現(xiàn)代化〞問題上后退了從一道高考題看關(guān)于芯片的根底知識最近令人矚目的中美貿(mào)易大戰(zhàn)以美國對中國企業(yè)“華為〞的制裁為開端,美國以華為與伊朗做生意為借口,斷絕對華為的芯片出口,致使華為險遭滅頂之災(zāi),這是為什么呢？因為芯片是、電腦等的核心元件,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,高中?物理?教科書曾經(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,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年代開始教材的“改革〞,把這局部內(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年來高考物理試題的開展和變化的時候,翻閱?中國高考真題全編〔1978-2019〕?這本書,看到1981年全國高考物理試卷第三大題第〔3〕小題：(3)用萬用電表電阻擋判斷一只PNP型晶體三極管的基極時,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三極管看做兩個二極管,如下列圖：它有三個管腳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)萬用電表之歐姆表原理,應(yīng)該電流從紅表筆進,黑表筆i出,也就是黑表筆接的是萬用表內(nèi)電池的正極。再看題圖之小電阻的是最后兩個圖,在這兩個圖中,接紅表筆的都是3,所以3是基極。翻開答案一看,果然是3.說明我還沒有忘記。我敢說,這道題雖然不難,當(dāng)今的高中生、高考生沒有一個會的,為什么？因為當(dāng)前的課程標(biāo)準(zhǔn)教科書都對此知識沒有談及。這道題需要哪些物理根底知識呢？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、電視機以及測溫上有著廣泛的應(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。無論從科技或是經(jīng)濟開展的角度來看,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,如計算機、移動或是數(shù)字錄音機當(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。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、有機半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體的分類,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、儲存器等大類,一般來說這些還會被分成小類。此外還有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計方法等進行分類,雖然不常用,但還是按照IC、LSI、VLSI〔超大LSI〕及其規(guī)模進行分類的方法。此外,還有按照其所處理的信號,可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進行分類的方法。三、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理自由電子的形成：在常溫下,少數(shù)的價電子由于熱運動獲得足夠的能量,掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子?？昭ǎ簝r電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。電子電流：在外加電場的作用下,自由電子產(chǎn)生定向移動,形成電子電流?？昭娏鳎鹤杂呻娮影匆欢ǖ姆较蛞来翁钛a空穴〔即空穴也產(chǎn)生定向移動〕,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,它們運動方向相反。載流子：運載電荷的粒子稱為載流子。導(dǎo)體電的特點：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：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。N型半導(dǎo)體：在純潔的硅晶體中摻入五價元素〔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。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)的形成過程在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)的形成過程：如下圖,在無外電場和其它激發(fā)作用下,參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目,從而到達動態(tài)平衡,形成PN結(jié)。擴散運動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動,這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動?？臻g電荷區(qū)：由于擴散運動使得PN結(jié)交界面產(chǎn)生一片復(fù)合區(qū)域,可以說這里沒有多子,也沒有少子。因為剛剛擴散過來就會立刻與異性復(fù)合,此運動不斷發(fā)生著。P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負離子區(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)。電場形成：空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場?？臻g電荷加寬,內(nèi)電場增強,其方向由N區(qū)指向P區(qū),阻止擴散運動的進行。漂移運動：在電場力作用下,載流子的運動稱漂移運動。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：具有單向?qū)щ娦?。根?jù)二極管的伏安特性,二極管可以用來整流、檢波等,在半導(dǎo)體收音機等中有廣泛的應(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放大成幅度值較大的電信號,也用作無觸點開關(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)體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié),兩個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點電位高于e點電位零點幾伏時,發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài),而C點電位高于b點電位幾伏時,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,有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的,同時基區(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〕很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過發(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)的電子大局部越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電極電流Ic,只剩下很少〔1-10%〕的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合,被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給,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,在基極補充一個很小的Ib,就可以在集電極上得到一個較大的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β1和β的數(shù)值相差不大,所以有時為了方便起見,對兩者不作嚴(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在小信號輸入時相差也不大。對于兩個描述電流關(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,但在實際使用中常常通過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〕不斷地越過發(fā)射結(jié)進入基區(qū),形成發(fā)射極電流Ie。同時基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴散,但由于多數(shù)載流子濃度遠低于發(fā)射區(qū)載流子濃度,可以不考慮這個電流,因此可以認為發(fā)射結(jié)主要是電子流。2、基區(qū)中電子的擴散與復(fù)合電子進入基區(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)擴散,被集電結(jié)電場拉入集電區(qū)形成集電極電流Ic。也有很小一局部電子〔因為基區(qū)很薄〕與基區(qū)的空穴復(fù)合,擴散的電子流與復(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,這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散,同時將擴散到集電結(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〕也會產(chǎn)生漂移運動,流向基區(qū)形成反向飽和電流,用Icbo來表示,其數(shù)值很小,但對溫度卻異常敏感。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,主要是因為其內(nèi)部有電流的各種變化,而之所以形成電流,主要是因為有電子在金屬線路和電子元件之間流動〔運動/遷移〕。所以,電子在材料中運動的難易程度,決定了其導(dǎo)電性能。常見的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發(fā)生運動,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,并且可以通過摻入雜質(zhì)來改變其導(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。這一點稱之為半導(dǎo)體的可摻雜特性。前面說過,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)鍵的一點還是在于集成電路的平面工藝,硅更容易實施氧化、光刻、擴散等工藝,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,對硅晶體管和集成電路工藝有了解后,會更容易理解這個問題。除了可摻雜性之外,半導(dǎo)體還具有熱敏性、光敏性、負電阻率溫度、可整流等幾個特性,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加工技術(shù),還可以制成MEMS〔微機械電子系統(tǒng)〕,應(yīng)用在電子、醫(yī)療領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以來的物理教科書與80年代初的物理教科書相比除了刪除了關(guān)于半導(dǎo)體、二極管、三極管、集成電路的知識〔可稱為與現(xiàn)代化接軌的知識〕以外,