導(dǎo)語--在本系列的第一篇文章我們從自下而上的角度簡單介紹了半導(dǎo)體材料的物理原理，而后在第二篇文章里我們自上而下拆解出了半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)器件即二極管和晶體管。那么二極管、晶體管這些基礎(chǔ)器件又是如何與半導(dǎo)體的物理原理聯(lián)系起來呢？本篇文章，我們將簡要介紹這兩個部分是如何會師的，即半導(dǎo)體基礎(chǔ)器件是如何與半導(dǎo)體物理原理聯(lián)系起來的。

第一篇文章我們從能帶的角度一般地理解了半導(dǎo)體為什么被稱為“半導(dǎo)”的固體，從半導(dǎo)體晶體的實(shí)際結(jié)構(gòu)我們也能直觀的理解。這里以半導(dǎo)體晶體最基礎(chǔ)的材料硅為例，我們知道硅在元素周期表里是IV族元素，硅原子最外層軌道有四個電子。硅晶體則是很多個硅原子排列在一起形成的，我們在化學(xué)中知道，原子通過共價鍵的連接構(gòu)成分子，一個原子周圍八個電子是穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，在硅晶體中，其形態(tài)也是遵循這一規(guī)律，如下圖所示硅晶體里，兩個電子結(jié)合形成更為穩(wěn)定的共價鍵，當(dāng)然共價鍵并非牢不可破，在絕對零度以上，總會有少數(shù)電子擺脫束縛在晶格里游蕩，這也形成了半導(dǎo)體的“半導(dǎo)”特性：

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純凈的半導(dǎo)體被稱為本征半導(dǎo)體，實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體更重要的一面是可以通過摻雜改變性質(zhì)。如果硅晶體中摻入III族元素硼，由于硼最外層只有三個電子，所以在共價鍵中會有一個缺失，即形成空穴，如下圖所示：

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同樣由于熱力學(xué)運(yùn)動，絕對零度以上某些共價鍵的電子掙脫束縛填補(bǔ)這些空穴，這就造成了好像這些空穴在移動。因此在這種摻雜下的半導(dǎo)體宏觀上內(nèi)部會有很多可導(dǎo)電的空穴，由于空穴表現(xiàn)為正電荷，英文稱之為“Positive Holes”，這種半導(dǎo)體也被稱為P型半導(dǎo)體。如下圖所示：

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類似地，如果在硅晶體中摻入V族元素磷，共價鍵上就會多出一個電子，這個電子可以在半導(dǎo)體內(nèi)自由移動，形成導(dǎo)電的電子。因此在這種摻雜下的半導(dǎo)體宏觀上內(nèi)部會有很多可導(dǎo)電的電子，即英文中的“Negative Electrons”，這種半導(dǎo)體也被稱為N型半導(dǎo)體。如下圖所示：

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值得注意的是，宏觀上無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是電中性的，P型、N型只是表示兩者提供可導(dǎo)電能力的載流子的電荷性質(zhì)。

那么如果P型和N型半導(dǎo)體放在一塊會變成什么樣呢？我們采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成產(chǎn)生神奇的變化。首先由于P型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴濃度更高、N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度更高，這種濃度差就自然而然為擴(kuò)散提供了動力。即空穴和電子在邊界處互相進(jìn)入對方的領(lǐng)地，形成P型半導(dǎo)體邊界處電子濃度更高，而N型半導(dǎo)體邊界處空穴濃度更高，這就形成了邊界處的內(nèi)建電場。

由于內(nèi)建電場對電子的作用力方向與擴(kuò)散方向相反，即自由電子被往回拉。有點(diǎn)像是，自由電子拖拽著一個彈簧，沖的越多越遠(yuǎn)，被拽回來的力量就越大。直到，擴(kuò)散作用的推力與內(nèi)建電場的拉力大小相當(dāng)，達(dá)到動態(tài)平衡。此時，內(nèi)建電場區(qū)域增至最大值且保持不變，這就形成了耗盡區(qū)，這一空間電荷區(qū)被稱為PN結(jié)（PN junction）。如下圖：

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從PN結(jié)的形成原理就可以看出它具有單向?qū)щ娦?，要想讓其?dǎo)通形成電流，必須消除其空間電荷區(qū)的內(nèi)部電場的阻力。因此若P區(qū)外接電源的正極，N區(qū)接負(fù)極，就可以抵消其內(nèi)部自建電場，從而形成正向電流。而反向電壓會使內(nèi)建電場的阻力更大，PN結(jié)不能導(dǎo)通，僅有極微弱的反向電流（由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動形成，因少子數(shù)量有限，電流飽和，但如果電壓足夠大會破壞內(nèi)部的共價鍵，使原來被束縛的電子和空穴被釋放出來導(dǎo)致PN結(jié)被擊穿）。PN的單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，正是半導(dǎo)體基礎(chǔ)器件二極管、晶體管的物理基礎(chǔ)。

事實(shí)上二極管就是一個PN結(jié)，具有單向?qū)?、反向飽和或擊穿。而晶體管可以分為雙極型三極管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。三者實(shí)際都可以簡單視為開關(guān)，只不過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了運(yùn)行的原理不同。

BJT實(shí)際上是背靠背的兩個PN結(jié)組成，分為NPN、PNP兩種，其結(jié)構(gòu)如下圖。我們以NPN為例簡述其工作原理，如果不在基極上外加電壓，那么這種PN結(jié)背靠背的結(jié)構(gòu)形象無論在兩側(cè)加什么樣的電壓都不會有電流導(dǎo)通。但如果在基極加一個正向電壓，而在集電極和發(fā)射極之間電勢差為正的情況下，基極的正向電壓就相當(dāng)于集電結(jié)的反偏變?yōu)榱苏?，自然就會?dǎo)通。因此通過基極就可以控制電路導(dǎo)通開關(guān)。

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在同是背靠背PNP的框架下，JFET采用了不同的結(jié)構(gòu)，如下圖所示。以N溝道JFET為例，當(dāng)柵極不加電壓柵壓為零即零偏時，溝道最寬，導(dǎo)通電流最大。但如果在柵極上加電壓使得兩側(cè)的PN結(jié)都工作在反偏狀態(tài)，反偏越強(qiáng)，溝道越窄，導(dǎo)通電流越小。因此通過柵極的電壓可以控制電路導(dǎo)通開關(guān)，源極、漏極猶如水管，柵極則是控制其開關(guān)的水龍頭。

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MOSFET也是通過柵極電壓控制電路導(dǎo)通與否，但采用的結(jié)構(gòu)卻更巧妙，如下圖所示。無論是NMOS（P型襯底的兩肩腐蝕出N型的電極）還是PMOS（N型襯底的兩肩腐蝕出P型的電極），也都是通過柵極（Gate）控制的。以NMOS為例，如果柵極不加電壓顯然源極和漏極是不導(dǎo)通的，如果柵極加上正向電壓，則在源和漏之間會形成一個薄薄的電子反轉(zhuǎn)層，也稱之為N溝道，這時源和漏之間就通過這個N溝道的連接實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通。

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以上，我們簡單介紹了二極管、晶體管的基本原理，實(shí)際上我們可以更簡而化之將它們視作一個個開關(guān)，正是這一個個的開關(guān)控制著電流的導(dǎo)通、關(guān)斷，合在一起就構(gòu)成了復(fù)雜的半導(dǎo)體芯片系統(tǒng)。電的流動實(shí)際就是信息的流動，簡單意味著力量，正是這簡單的開關(guān)控制構(gòu)建了整個半導(dǎo)體的大廈。

至此，我們實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體原理的由上而下的全部打通，原理的部分我們也簡單介紹到這里，接下來我們將對整個半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)行梳理，以便對我們的投資起到更現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)。