半导体科普二 PN结和MOS晶体管

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前言

要想了解CPU和其他半导体器件的功能是如何实现的，就必须了解两个基本结构，PN结和MOS晶体管。几乎所有的半导体器件都是由这两个基本结构衍生而成的。万变不离其宗，接下来我会讲讲这两种结构。

PN结（二极管）的形成

首先，我们已经知道分子是由带正电荷的原子核，和绕着原子核旋转的带等量负电荷的电子组成的，这种只能绕着原子核旋转的电子叫做束缚电子，而另外还有一种脱离了原子核的束缚，那不勒斯四部曲可以在材料中自由移动的电子，叫做自由电子。

金、银、铜、铝都是优异的导体，这是因为他们都拥有大量的自由电子，在没有加电场的时候，自由电子在导体中无规律地自由移动，没有电流形成，而当加上电场后，自由电子由于全面战争中世纪2带负电荷，会沿着电场定向移动形成电流。

那我们自然可以想到，有没有一种物体，其中有带正电荷的粒子，也可以沿着电场移动，从而导电？原子核带正电荷，然而原子核是不能比拉诺瓦移动的（说法不严谨，意思明白就行），那么有没有其他带正电荷的粒子来导电呢？

有的，半导体就即可以用自由电子（带负电荷）导电，也可以用空穴（带正电荷）导电。

目前应用最广泛，工艺最成熟的半导体材料就是硅（Si），大家电脑和手机中CPU都是用硅做的，以硅举例，经过取材和反复提炼之后的高纯硅是几乎绝缘的，人们也没法直接拿一块高纯硅来用，这需要后续的掺杂，才能使其具有导电性，再加上其他许多后续的半导体工艺，才能真正做成各类器件芯片，投入实用。

掺杂的意思就是，往一块半导体里掺其他元素，即使只掺万分之一，甚至更少数量的其他元素，这个半导体的导电性能，就会发生几万倍甚至更大幅度的变化。并且，根据掺杂元素国际收支平衡的种类和浓度的不同，它的导电性能和其他特性还会发生有趣的变化。掺入Ⅲ族元素的硅是P（positive，正）型半导体，主要以空穴导电；掺入Ⅴ族元素的硅是N（negative，负）型半导体，主要以电子导电。（这个具体的形成过程比较简单，略，想要进一步了解私聊我，或者翻阅教科书）

顺便说一下，空穴不是一个实体什么牌子的牛奶好的粒子，空穴其实是个抽象的模型，可以想象成一个带正电荷的粒子，形象地说，我们可以将自由电子想象成载着负电荷到处溜达的“小车”，将空穴想象成载着正电荷到处溜达的另一种“小车”，这两种小车，自由电子和空穴，合称为载流子，这个翻译很形象。

好了，接下来，为了便于理解，我们将电子和空穴拟人化。

电子（一个单位负电荷）和空穴（一个单位正电荷），是一对“欢喜冤家”，只要一相互碰面，立马一见钟情，结婚组成了一个稳定的小家，变成了束缚电子啦（电子空穴对复合），对外呈电中性，再也不载着电荷到处浪啦（注意：这不同于正物质和反物质的湮灭，在半导体中的其他地方，还是会有痛心的离婚发生，束缚电子分成了电子和空穴（电子跃迁），分道扬镳，继续到处浪）。

高纯的半导体，自由电子和空穴非常少，几潜江小龙虾乎绝缘。只有在经过特定的元素掺杂（和后续的激活）后，才拥有许多自由电子和空穴，实现正电荷导电和负电荷导电。而导电性能的微观上的量化，就是这些到处溜达的载流子的多少，这很好理解，半导体的导电性和列车的运载能力相似。从北京到上海的车次（载流子）越多，单位时间能运过去的人（电荷）就临城实验中学越多。

前面已经说过P型半导体中的空穴远多于自由电子，主要以空穴导电。N型半导体中的自由电子远多于空穴，主要以电子导电。

而科学家们呢，脑洞大，好奇心重，不是冤家不聚头呀，来来来，既然P型半导体中有很多很多空穴，N型半导体中有许多许多电子，那咱们让无数的冤家都聚个头试试，来个超大规模的相亲大会，看看到邱妙津底会发生什么？嗯，说干就干，然后，科学家们，就让P型半导体和N型半导体紧密接触了，发生了啥？emmm，这个相亲大会可以说很成功啦，09mnnidr可以说是成功率100%的相亲大会啦，只要一碰头，立马就成了无数对！

而后边排队的电子和空穴，也都前赴后继地去相亲，碰头就立马洞房成家，成了如胶似漆的小夫妻（束缚电子），再也不载着电荷到处浪了！（N型区的电子和P型区的空穴相互向对方扩散，复合）

P型半导体可以看成一个国家，N型半导体可以看成另外一个国家，双方的统治者一看，卧槽？！这都去追求自己的小确幸了，没人载着电荷到处浪，我们还叫P（N）型半导体吗？不成不成，立马发布多项措施，在两国之间空出一段隔离带，砌高墙，课重税，提高出国相亲定居难度！同时，大力发布优惠政策，吸引对方的载流子来本国结婚定居。（电离施主和电离受主形成势垒区电场，势垒区也叫耗尽区，加强少数载流子漂移运动，抑制多数载流子扩散运动）。

另外，还有少数艺高人胆大的电子和空穴被对方的优惠条件吸引，但是不走寻常关卡，而是挖隧道，砸墙等无所不用其极，偷渡过去（隧穿效应），成双成对结婚定居，也有少数秀恩爱死的早的，被遣返回国家啦（热激发）。

就这样慢慢发展，出国相亲的人少了，而来本国结婚定居的人多了，慢慢地两边都达到了动态平衡，统治者看到本国的载流子达到奇石价格了稳定的水平，就心满意足啦（漂移运动慢慢增强，扩散运动慢慢减少，最终达到动态平衡，整个PN结呈现电中性）。

以上就是PN结。另外，其实以上回答远说不上严谨，只是在力求有趣，希望更多的人对这各领域感兴趣，如果想学到一点东西，可以去参考别人的更严谨的回答，www.zhihu/question/60053574，最好直接看专业书籍。

其实吧，就这么安安静静，一片岁月安好的气氛也很好呀，情侣有情侣的幸福，单身有单身的乐趣，然而呢，科学家们很快就产生了新的好奇心啦，咦，我们再来玩个新的试试？

然后呢，科学家们就给P型半导体加了正电压，给N型半导体加了负电压（PN结正偏）。这个呢，P型中本来就很多空穴，加了正电压，就是源源网络营销是什么不断提供更多了空平背德牧穴，给N型加负电压，就是给N型半导体源源不断地提供电子。其实就是两边本来就很多单身狗了，反而提供了更多的单身狗，单身狗可是精力旺盛，特不安分的。人大力量大，空穴和电子越多，大家就越来越多地砸墙，就这样把两边的隔离的墙都变矮了！（电离施主和受主复合，势垒电压变低），并且大家，往前推这个墙！本来中间隔离带有30km，大家合力把墙往前推，推到只有300m了（势垒区变窄）！这样就大大减少了空穴和电子，相见相识相恋的难度。大家就再也抑制不住心中的想法，纷纷爬过铁丝网，往对方奔去（扩散作用大于漂移作用，空穴和电子向对方扩散），成双成对啦。就这样源源不断成对儿，只要电压存在，这个过程会一直存在（PN结正偏导电）

然后呢，科学家们，又迸发了新的好奇心，嗨，你们老是这么撒糖，齁哇，太齁了！来来来，咱们换个玩法，给N型半导体加正电压，给P型半导体加负电压（PN结反偏），看看如何？

这个其实就是，科学家让国家包分配！这时候，很多守在墙那儿的单身狗们，都成家了，而高墙，也越来越高，且不断后撤，最后双方，老死不相往来啦（电离施主和电离受主构成的正负电荷区不断加宽，耗尽区电势升高，PN结反偏断电）。

PN结的正偏导电，反偏断电，说的就是PN结（二极管）的单向导电性。

MOS晶体管

MOS晶体管全名叫做MOSFET（Metal oxide semiconductor field effect transistor），翻译为中文就是，金属氧化物半导体场效应晶体管这个名字听起来比较绕，比较奇怪，为什么要这么起名字呢？

如下图所示MOS管的结构图和等效图，最上边的栅极（Gate）一般都是由金属（Metal）做的，中间的绝缘层白沙和天下一般是由氧化层SiO2（Oxid游戏厂商e）做的，最下边是半导体材料（semiconductor）。至于FET，场效应，就是电场控制电子的意思。

图1 MOS晶体管的结构图（左）和等效图（右）

首先看左边的结构图，图中下半部分是P型半导体（如图中的P-body），其中含有大量的空穴，而左上角和右上角带颜色的N+，是重掺杂的N型半导体，含有更大量的自由电子。接下来继续拟人化描述。

其中，两块带颜色的N+区是一个国家。左边的N+区是一块飞地，而右边的N+区，是本土大陆，飞地的自由电子常年在外，想从飞地（也就是左边的N+区）通过P-body国家，回到本土大陆（也就是右边的N+区）。

然而白色的P忧思难忘-body是一个敌对势力国家，在自由电子的必经之路，布下了重兵（大量的空穴）把守。来一个自由电子就扣留一个，不允许任何一个自由电子通过。所以，N+的自由灭蚊灯效果电子们望眼欲穿，思家心切，非常愁苦。

然后天无绝人之路，N+区还有一个盟友国家，也就是就是左图上边的画线阴影部分——栅极（Gate），他们两个盟国就商量了一个办法，可以让自由电子电子通过白色敌对国，从而偷渡回国，如下：

当①处加了正电压后，栅极国家立马就像打了鸡血一样，垂直向下加上电场！这个电场形成了密集的火力网，让白色敌对国的重兵！也就是空穴立马退避三舍，空穴们暂时被火力压得不敢冒头的时候。这就形成了一个自由电子可以暂时通过的通道（也就是右边图的沟道），然后立马就在③→②之间加上正电压，相当于给自由电子指路，让自由电子赶紧趁着这个时间加速通过有序撤离！啊哈！成功回到本土大陆！干杯 ！而之后①处将电压撤掉之后，空穴立马又重新占领了高地，此时，自由电子又不能通过，只能期盼，等下次栅极的①处加电压了。

好了，现在我们回头简单来说，也就是①处加正电压时，②和③之间，可以通电。而当①处不通电压时，③和②之间就没法通电。这就是场效应晶体管的名字的来源。因为这是用栅极的电场控制电流的导通和关断的，对，MOS晶体管可以理解为一个开关！只不过不是人去控制，而是用另外一个电压去控制电路的开关，而且，频率可以做到非常高，可以达到每秒几千次（目前主流和最高数据不知道，几千Hz是非常保守的数据）

工作电压和阈值电压大小比较时，MOS管工作渡边直美状态

另外，以上的MOS晶体管叫做增强型MOS晶体管，MOS晶体管不只有这一种，还有许多许多种，比如①不加电压，②和③之间通电，加上电压之后反而不通电了的，这叫做耗尽型晶体管。另外，P型衬底的叫做P型MOS管，N型衬底的叫做N型MOS管，这方面想要详细了解，翻阅教科书。（此处修改，PMOS是导电沟道为P沟道的MOS，即N-body加电压后沟道反型，沟道区域的多数载流子由电子变成空穴，这个沟道叫做P-Channel，如下右图所示。NMOS也是同样的道理）

结语：

以上我讲了他们基本的功能实现，可能大家想不出来这有啥用，不急，之后接着往下看就会明白，一生万物，这才是很神奇的地方。

然后呢，其实以上两大器件，也是两类基本的半导体器件构件（PN结和金半接触），除此之外，还有异质结、金属绝缘体半导体接触、超晶格、量子阱等器件构件，自从上世纪中叶以来，无数杰出的看好的股票学者们就根据半导体的这些构件（也还有其他一些），以及他们的其他各种好玩的特性，不断寻找、摸索和试错，不断地发现新大陆，毫不夸张地说，我们现在的电子信息时代的这个广袤的版图，即是由这些杰出的发现，一点一点拼接出来的，每次想到在短短半个世纪以内，半导体领域发生的翻天覆地的变化，就万分惊叹于先辈们的无穷智慧和不懈努力。

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