晶体管是怎样制造出来的,又有多少不为人知的秘密呢?
发布时间:2017-10-27
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晶体管是怎样制造出来的,又有多少不为人知的秘密呢?
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前段时间有人问我,晶体管是什么?它又是怎样制造出来的?这让我一时难以回答。因为要回答的这个问题有些复杂,今天我们就来谈谈什么是晶体管,晶体管又是怎么制造出来的。

晶体管是二极管、三极管、场效应管等元器件的统称。它是一种用来对电路信号进行处理的元件,当然电路光有晶体管不行,还得要其他元件配合才能完成一定的电路功能。下面我就来谈谈晶体管的制造过程:

半导体

所谓半导体,它指的是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质。不过实际上,我们需要的半导体却并不是单纯指的不太导电的半物体。象那种在绝缘体里掺有导电物质的半物质,是不能拿来做晶体管的。用来制造晶体管和集成电路的半导体,主要是指碳族元素。比如:硅和锗。硅和锗是制作半导体的一种最重要的材料。此外,砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌以及一些金属的化合物等都是半导体。不过用途最广的还是硅半导体。今天就以硅半导体为例,来讨论一下晶体管的原理和制造过程。

碳簇元素

碳簇元素在元素周期表中属第四主族元素,该族元素的最外层都有四个电子。根据研究发现,原子最外层电子数最多为8个。并且最外层电子数为8个时,原子达到最稳定状态。元素周期表中的第八主族元素最外层电子数就是8个,所以这第八主族的元素都属于隋性元素。而如果原子的最外层电子数少于4个,那这种原子就比较容易失去电子达到稳定结构。并且电子数越少,就越容易失去最外层电子。而如果某原子的最外层电子数大于5个,则这种原子就容易得到电子达到稳定结构。并且,最外层电子数越多(5-7个),则越容得到电子达到稳定结构。而碳簇元素则是一种最为特殊的元素,它的最外层电子数为4个。它们二个原子之间,采用将八个电子为二个原子共有的结构。这个结构,我们称之为共用电子对。这也是一种相对比较稳定的结构。

硅的冶炼

硅是一种最重要的半导体材料,我们平常用的晶体管及各种集成电路,基本上都是用硅做为主要材料制造的,CPU当然也不例外。硅元素是世界上含量最多的元素之一,它在地壳中的含量为26.30%,仅次于氧(48.60%,也有人认为是48.06%),排列第二名。平常我们看到的水泥、泥土、砂子、石头、石英等都是硅的化合物。

虽然硅的化合物脚底下就是,但用来冶炼单晶硅却并不会用泥土来冶炼。其原因很简单,一方面我们需用的单晶硅量不是很大,我们不需要用遍地都是的泥土来冶炼。另一方面,泥土中所含的其他杂质多,而且用泥土冶炼单晶硅工艺复杂,提纯困难。所以一般工业上都采用石英砂及石英来冶炼单晶硅。我们平常在河边看到的那种白色半透明的石头就是石英,石英的主要成份是二氧化硅。

硅的冶炼分为粗炼与精炼:粗炼方法用的是还原法。主要采用大功率电炉将石英、石油焦和烟煤放在炉内进行冶炼。反应方程式: SiO2 + 2C → Si + 2CO↑,其中碳的来源主要为石油焦和烟煤。具体冶炼方法这里就不介绍了,有兴趣的朋友可以参考与之相关的文章。

硅的精炼:用还原法生产的硅,一般纯度都不高,只能用于一般的工业用硅。为了让硅达到电子级别的高纯度硅,还需进一步提纯。目前用于集成电路的单晶硅主要采用化学方法,如西门子法(三氯氢硅还原法),就是其中的一种主要方法。这种方法是盐酸(HCl)与经过研磨的粗硅在高温下进行反应,生成SiHCI3,然后再对形成的SiHCI3进行化学提纯,最后达到电子级多晶硅。硅的提纯原理并不是很复杂,但由于电子级别的硅对纯度要求极高,目前要求的单晶纯度为99.999999999%~99.99999999999%。因此,硅的整个提纯过程是非常复杂的。

经过化学方法提纯,硅的纯度问题解决了,但这还不是单晶硅,要让硅(多晶硅及无定形硅)变为单晶硅还需要用一些特殊方法。目前采用的方法有直拉法(CZ)、悬浮区熔法(FZ)和外延法。限于篇幅,在这里我就不再介绍了。

单晶硅的成品一般都是圆柱形,圆柱形的单晶硅经过切片后,就是制造集成电路及晶体管的原料了。也正因为单晶硅的形状是圆形,所以也叫晶圆。

晶圆之所以制成圆柱形,是因为单晶硅是用多晶硅或无定向硅在熔融状态下“拉”出来的。而拉出来的单晶硅由于物质本身张力关系,自然就会形成圆柱形,就象让一滴水让它自由落下时,不管它在落下前是什么形状,但在空中经过一段时间后就会变成圆球形。多晶体在拉成单晶硅的过程中也一样,它在拉的过程中自然而然就就会变成圆柱形。虽然将单晶硅拉成方形,利用率可能会更高,但目前还没有什么好方法。其实最重要的原因,我想还是没有这个必要吧,因为,晶圆的边角料还可以用来制造其他的产品。

渗透原理

为了说清二极管和三极管原理,我们先来做一个实验。在一瓶水中滴入一滴墨水,即使我们不再搅动它,经过一段时间的放置,整瓶水也会全部变成墨水的颜色。这是因为在流体中,物质高浓度高的一方总是会向着物质低浓度的一方进行渗透扩散。在水中,墨水的浓度是低浓度,而水的浓度为高浓度,所以水就往墨水中渗透。而在墨水中,水的浓度是低浓度,墨水的浓度为高浓度,所以墨水就往水中渗透。

掺杂

经过切片后的单晶硅并不是接上线就能成为集成电路和三极管的,而是要经过很多个工序才能最终完成。第一道工序就是掺杂,也许你要怀疑我是不是说错了?好不容易将硅提纯到世界上最纯的单质,现在竟要掺入杂质?我没说错,事实确实如此。为了制成二极管、三极管,掺杂是绝对必要的。现在我们就来看下二极管、三极管是怎么做成的。

PN结

上面说过经过切片后的单晶硅需要掺入杂质,但杂质不等同于垃圾,此杂质也非单晶硅提纯前的彼杂质。用于二极管、三极管集成电路的单晶硅,掺入的是高纯度单质磷和高纯度的单质硼。掺杂的方法目前普遍用的是扩散法,掺杂的量也是需要严格控制的,不能多也不能少。否则就会影响元件的性能,甚至成为废品。

在一块单晶硅掺入磷(当然也可掺入砷等其他五价元素)后,就形成了N型半导体。由于磷是五价的,也就是说磷原子的最外层有五个电子。这五个电子跟相邻的硅原子最外层的四个电子形成共价键后,还多一个电子,而这个多出来的电子与磷原子和硅原子的结合力就会弱很多。所以,这个多出来的电子就成为比较容易移动的“自由电子”。这样一来,这块半导体的导电性能就大大地增强了。我们再用相同的方法,在另一块单晶硅中掺入三价的硼原子,掺有硼原子的半导体就是P型半导体。由于P型半导体中的硼原子最外层只有三个电子,这三个电子与相邻的硅原子形成共价键时少一个电子。这样,这个原子就形成了一个空穴,而这个空穴容易从其他原子中得到一个电子。但这样失去电子的原子又形成了空穴,这样,这些空穴也跟自由电子一样变成了一个“自由空穴”。

二极管

将上面P型半导体与N型半导体合在一起,就形成了一个PN结,将这个PN结加上引线(欧姆接触)就形成了一个二极管。

二极管的工作原理

当P型半导体与N型半导体合在一起时(参看图1),由于P型半导体中存在很多空穴,而N型半导体中有很多自由电子。当它们结合在一起时,N型半导体中的电子浓度高。根据渗透原理,N型半导体中的电子就会向P型半导体中扩散。扩散的结果就是原本不带电的N型半导体带上了正电,而原本不带电的P型半导体带上了负电(如图2)。带电的结果,就使得这个PN结之间形成了电场。正是由于这个电场的存在,使得电子的扩撒运动不断减缓(同性相引,异性相斥)。这样扩散运动经过一段时间后就会停止,当然实际上并不是完全停止,而是仍有一极少量的电子继续扩散。这是因为,在P半导体中与N型半导体结合的边缘,由于受到热运动和各种射线(包括各种可见光线)的影响,使得P半导体内部的少量电子,被加速后逃离原位置而进入电场中。进入电场中的电子受到电场的作用使得电子向N型半导体方向移动,我们把这种电子运动称之为漂移运动,而漂移移动的结果又使得扩散运动得以继续进行。当电子的扩散运动与电子的漂移动达到动态平衡时,就处于稳定状态。由于漂移运动是P型半导体中的少数载流子,所以由漂移形成的电流是很小的。什么是少数载流子?所谓的少数载流子就是指如果在这块半导体中主要靠电子运动形成电流的(如N型半导体),那这块半导体中电子就是多数载流体,而空穴就是少数载流子,反之则反。

二极管的单向导电性

用上面方法制成的二极管,具有单向导电性,这种特性使得通过二极管电流只能向一个方向流动。

下面我们来分析二极管的单向导电原理

参见(图2)当P型半导体接上负载后与电源的正极相连,N型半导体与电源的负极相连时。电源负极中的电子在电源的作用下,流向N型半导体并与N型半导中的正离子复合。同样,P型半导体中的电子,在电源的作用下,流向电源正极,与电源内部的正离子复合。这样半导体PN结的内部的电子、离子经过复合后,其内部的空穴、电子浓度又增加了。浓度增加的结果使得扩散运动又继续进行,这时半体导就处于导通状态。

当N型半导体接上负载后接电源的正极,P型半导体接上负载后接电源负极,情况又是怎样的呢?在P型半导体中,电源的电子通过电极与P型半导体的原子型成了共介键。而N型半导体同样也会因失去电子而形成共介键,这样就相当于整个PN结变厚。变厚的PN结对电子的流动具有阻挡作用。在正常电压下,电源的电子是无法通过增厚后的PN结的。因此,可以说这时的PN结是不导通的。不过,由于热运动射线等影响,PN结还是会有一个极小的电流产生。这个电流就是反向电流,一般反向电流很小,正常情况下可以忽略不计。

三极管

三极管的结构实际上就相当于二个背靠背二极管(如图),不过用二个背靠背的二极管

是不能当成三极管使用的。这是因为,三极管内部的结构与二个背靠背的二极管还是有区别的。我们再来看一下三极管是怎样工作的:

要使三极管能够正常工作,就必须正确地连接其电路。上图就是一个三极管放大电路的基本原理图。图中如果EB电压为0时,三极管则处于截止状态。因为,这时C区与B区的PN结处于反偏状态(跟上面二极原理相同)。当EB加上合适电压后,由于E区和B区的PN结处于正向偏置,这时PN结处于导通状态。导通后的PN结E区的电子就会不断地扩散到B区,由于三极管在制造时,把B区造得很薄,这样扩散到B区的电子就很容易扩散到C区边缘,而扩散到C区边缘的电子就会在C极电源的作用下形成电流,这时三极管的EC极就处于导通状态。另外由于BE结及CE结的接触面较大,因此CE区形成的电流也较大。这就是三极管的放大原理。上面说的就是NPN型三极管,除NPN型三极管之外,还有PNP型三极管,它们的原理都是相同的,这里就不再重复了。

场效应管

场效应管也属于晶体管一类,只是场效应管与上面所说的NPN型和PNP型三极管略有不同,NPN型和PNP型三极管属于双极晶体管,而场效应管属单极型晶体管。限于篇幅关系,这里我就不再多说了。

原文链接:https://www.eeboard.com/news/jingtiguan-4/ 

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