晶体管原理(一)

作者:admin  来源:改改快学习  发布时间:2025-11-03  访问量:1163

晶体管也是二十世纪最伟大的发明之一,在1948年6月贝尔实验室对外公布晶体管发明,到1956年主要科学家肖克利、巴丁和布拉顿荣获诺贝尔物理学奖,这也是历史上最快获得诺贝尔奖之一,足见其重要性。

需要明确一点,晶体管是一个广义上的大家族的总称,其中最为重要的分支是BJT(俗称三极管),而MOS管是晶体管中的另一个重要分支,这里我们主要介绍的是MOSFET。他们两者之间有何异同也是后续需要探讨和介绍的内容。

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),此时选取一块本征半导体,在其中的两块区域中掺入磷元素使其变为N型半导体。

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在其他位置掺入硼元素使其变成P型半导体。

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根据PN结的原理可知,在两种半导体的交界位置会生成PN结。

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此时,将两个N型半导体分别接入电源的正负极,右侧的N型半导体如果接入正极,左侧的N型半导体接入负极。

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在外电场的作用下自由电子会向正极流动,右侧半导体的PN结会被加宽,左侧的半导体正向偏置,PN结会变窄,耗尽层变窄,整个结构无法形成回路,电路处于断开状态。

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将外电源反接,同理。

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是否有其他的办法能够让该结构变成可以导通的状态,这里就需要借助另一种元件---电容。准备两块金属板,让他们平行相对摆放,中间再加入一个绝缘层防止其接触。分别将两块金属板接入外电源的正负极。

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此时接电源正极的金属板中的电子会被吸引,该金属板也就呈现带正电。然后被吸引的电子会在电池的作用下流入接负极的金属板,该金属板呈现带负电。

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这样两块带不同带电属性的金属板之间会形成一个电场,如果此时电场中有一个电子,那么带负电的场内电子会被带正电的金属板吸引。根据这一现象,将类似于电容的装置接到上述的结构中,并将上面的金属板接上外电源正极,下面的金属板接上电源负极。

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在正负极之间会形成一个电场,在电场之间会有很多电子会进入到P型半导体内。

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并且在正极的吸引下绝大多数电子会运动到正极附近,这些电子来到上方区域后会首先填充这一部分P型半导体的空穴。电场力继续作用下该区域会聚集更多的电子,此时该区域就变成了一个掺杂硼原子的“N型半导体”。

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也就是说,此时在外电场的作用下将P型半导体中的一部分转变成了N型半导体,原先两边的N型半导体就连接了起来,中间的部分(P型半导体转变的N型半导体)由于具有N型半导体的性质,也将其称之为“N沟道”。

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这样就创造出了一个MOS管出来,左边被称之为源极(Source)也就是电流流入的极,右边被称之为漏极(Drain)也就是电流流出的极,中间的部分用来控制源极和漏极的通断,称之为栅极(Gate)。这样的装置称之为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。

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金属就是栅极的金属板,氧化物就是金属板之间的绝缘层,绝缘层在实际制造过程中一般使用二氧化硅来制作,半导体就是源极、漏极以及下方的P/N半导体,场效应就是该结构中涉及到的各种电场,晶体管则是Transfer(传输)和Resistor(电阻)的合成词Transistor。

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目前市面上的手机,电脑等电子产品中的芯片内的基本组成单元,都是上述介绍的MOSFET。友商在介绍各家产品时经常提及的在某芯片中集成了多少晶体管,也就是指在该芯片中有多上个这样的MOS管。

那么MOS管又是如何制成芯片呢,下一篇文章我们将介绍芯片中常用到的各种门电路,它们像乐高中的一个个小模块一样共同组成了芯片这个强大而又复杂的集成电路。

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