前段時間有人問我，晶體管是什么,？它又是怎樣制造出來的,？這讓我一時難以回答,。因為要回答的這個問題有些復雜,，今天我們就來談談什么是晶體管,，晶體管又是怎么制造出來的,。
晶體管是二極管,、三極管,、場效應管等元器件的統(tǒng)稱。它是一種用來對電路信號進行處理的元件,，當然電路光有晶體管不行,，還得要其他元件配合才能完成一定的電路功能,。下面我就來談談晶體管的制造過程:
半導體
所謂半導體，它指的是一種導電性能介于導體與絕緣體之間的一種物質,。不過實際上,，我們需要的半導體卻并不是單純指的不太導電的半物體。象那種在絕緣體里摻有導電物質的半物質,，是不能拿來做晶體管的,。用來制造晶體管和集成電路的半導體，主要是指碳族元素,。比如：硅和鍺,。硅和鍺是制作半導體的一種最重要的材料。此外,，砷化鎵,、磷化鎵、硫化鎘,、硫化鋅以及一些金屬的化合物等都是半導體,。不過用途最廣的還是硅半導體。今天就以硅半導體為例,，來討論一下晶體管的原理和制造過程,。
碳簇元素
碳簇元素在元素周期表中屬第四主族元素，該族元素的最外層都有四個電子,。根據研究發(fā)現(xiàn),，原子最外層電子數(shù)最多為8個。并且最外層電子數(shù)為8個時,，原子達到最穩(wěn)定狀態(tài)。元素周期表中的第八主族元素最外層電子數(shù)就是8個,，所以這第八主族的元素都屬于隋性元素,。而如果原子的最外層電子數(shù)少于4個，那這種原子就比較容易失去電子達到穩(wěn)定結構,。并且電子數(shù)越少,，就越容易失去最外層電子。而如果某原子的最外層電子數(shù)大于5個,，則這種原子就容易得到電子達到穩(wěn)定結構,。并且，最外層電子數(shù)越多（5-7個）,，則越容得到電子達到穩(wěn)定結構,。而碳簇元素則是一種最為特殊的元素，它的最外層電子數(shù)為4個,。它們二個原子之間,，采用將八個電子為二個原子共有的結構,。這個結構，我們稱之為共用電子對,。這也是一種相對比較穩(wěn)定的結構,。
硅的冶煉
硅是一種最重要的半導體材料，我們平常用的晶體管及各種集成電路,，基本上都是用硅做為主要材料制造的,，CPU當然也不例外。硅元素是世界上含量最多的元素之一,，它在地殼中的含量為26.30％,，僅次于氧（48.60％，也有人認為是48.06％）,，排列第二名,。平常我們看到的水泥、泥土,、砂子,、石頭、石英等都是硅的化合物,。
雖然硅的化合物腳底下就是,，但用來冶煉單晶硅卻并不會用泥土來冶煉。其原因很簡單,，一方面我們需用的單晶硅量不是很大,，我們不需要用遍地都是的泥土來冶煉。另一方面,，泥土中所含的其他雜質多,，而且用泥土冶煉單晶硅工藝復雜，提純困難,。所以一般工業(yè)上都采用石英砂及石英來冶煉單晶硅,。我們平常在河邊看到的那種白色半透明的石頭就是石英，石英的主要成份是二氧化硅,。
硅的冶煉分為粗煉與精煉：粗煉方法用的是還原法,。主要采用大功率電爐將石英、石油焦和煙煤放在爐內進行冶煉,。反應方程式： SiO2 + 2C → Si + 2CO↑,，其中碳的來源主要為石油焦和煙煤。具體冶煉方法這里就不介紹了,，有興趣的朋友可以參考與之相關的文章,。
硅的精煉：用還原法生產的硅，一般純度都不高,，只能用于一般的工業(yè)用硅,。為了讓硅達到電子級別的高純度硅,，還需進一步提純。目前用于集成電路的單晶硅主要采用化學方法,，如西門子法（三氯氫硅還原法）,，就是其中的一種主要方法。這種方法是鹽酸（HCl）與經過研磨的粗硅在高溫下進行反應,，生成SiHCI3,，然后再對形成的SiHCI3進行化學提純，最后達到電子級多晶硅,。硅的提純原理并不是很復雜,，但由于電子級別的硅對純度要求極高，目前要求的單晶純度為99.999999999％～99.99999999999％,。因此,，硅的整個提純過程是非常復雜的。
經過化學方法提純,，硅的純度問題解決了,，但這還不是單晶硅，要讓硅（多晶硅及無定形硅）變?yōu)閱尉Ч柽€需要用一些特殊方法,。目前采用的方法有直拉法（CZ）,、懸浮區(qū)熔法（FZ）和外延法。限于篇幅,，在這里我就不再介紹了,。
單晶硅的成品一般都是圓柱形，圓柱形的單晶硅經過切片后,，就是制造集成電路及晶體管的原料了,。也正因為單晶硅的形狀是圓形，所以也叫晶圓,。
晶圓之所以制成圓柱形,，是因為單晶硅是用多晶硅或無定向硅在熔融狀態(tài)下“拉”出來的。而拉出來的單晶硅由于物質本身張力關系,，自然就會形成圓柱形，就象讓一滴水讓它自由落下時,，不管它在落下前是什么形狀,，但在空中經過一段時間后就會變成圓球形。多晶體在拉成單晶硅的過程中也一樣,，它在拉的過程中自然而然就就會變成圓柱形,。雖然將單晶硅拉成方形，利用率可能會更高,，但目前還沒有什么好方法,。其實最重要的原因,，我想還是沒有這個必要吧，因為,，晶圓的邊角料還可以用來制造其他的產品,。
滲透原理
為了說清二極管和三極管原理，我們先來做一個實驗,。在一瓶水中滴入一滴墨水,，即使我們不再攪動它，經過一段時間的放置,，整瓶水也會全部變成墨水的顏色,。這是因為在流體中，物質高濃度高的一方總是會向著物質低濃度的一方進行滲透擴散,。在水中,，墨水的濃度是低濃度，而水的濃度為高濃度,，所以水就往墨水中滲透,。而在墨水中，水的濃度是低濃度,，墨水的濃度為高濃度,，所以墨水就往水中滲透。
摻雜
經過切片后的單晶硅并不是接上線就能成為集成電路和三極管的,，而是要經過很多個工序才能最終完成,。第一道工序就是摻雜，也許你要懷疑我是不是說錯了,？好不容易將硅提純到世界上最純的單質,，現(xiàn)在竟要摻入雜質？我沒說錯,，事實確實如此,。為了制成二極管、三極管,，摻雜是絕對必要的?，F(xiàn)在我們就來看下二極管、三極管是怎么做成的,。
PN結
上面說過經過切片后的單晶硅需要摻入雜質,，但雜質不等同于垃圾，此雜質也非單晶硅提純前的彼雜質,。用于二極管,、三極管集成電路的單晶硅，摻入的是高純度單質磷和高純度的單質硼。摻雜的方法目前普遍用的是擴散法,，摻雜的量也是需要嚴格控制的,，不能多也不能少。否則就會影響元件的性能,，甚至成為廢品,。
在一塊單晶硅摻入磷（當然也可摻入砷等其他五價元素）后，就形成了N型半導體,。由于磷是五價的,，也就是說磷原子的最外層有五個電子。這五個電子跟相鄰的硅原子最外層的四個電子形成共價鍵后,，還多一個電子,，而這個多出來的電子與磷原子和硅原子的結合力就會弱很多。所以,，這個多出來的電子就成為比較容易移動的“自由電子”,。這樣一來，這塊半導體的導電性能就大大地增強了,。我們再用相同的方法,，在另一塊單晶硅中摻入三價的硼原子，摻有硼原子的半導體就是P型半導體,。由于P型半導體中的硼原子最外層只有三個電子,，這三個電子與相鄰的硅原子形成共價鍵時少一個電子。這樣,，這個原子就形成了一個空穴,，而這個空穴容易從其他原子中得到一個電子。但這樣失去電子的原子又形成了空穴,，這樣,，這些空穴也跟自由電子一樣變成了一個“自由空穴”。
二極管
將上面P型半導體與N型半導體合在一起,，就形成了一個PN結,，將這個PN結加上引線（歐姆接觸）就形成了一個二極管。
二極管的工作原理
當P型半導體與N型半導體合在一起時（參看圖1）,，由于P型半導體中存在很多空穴,，而N型半導體中有很多自由電子。當它們結合在一起時,，N型半導體中的電子濃度高,。根據滲透原理，N型半導體中的電子就會向P型半導體中擴散,。擴散的結果就是原本不帶電的N型半導體帶上了正電,，而原本不帶電的P型半導體帶上了負電（如圖2）。帶電的結果,，就使得這個PN結之間形成了電場,。正是由于這個電場的存在，使得電子的擴撒運動不斷減緩（同性相引,，異性相斥）,。這樣擴散運動經過一段時間后就會停止，當然實際上并不是完全停止,，而是仍有一極少量的電子繼續(xù)擴散,。這是因為，在P半導體中與N型半導體結合的邊緣,，由于受到熱運動和各種射線（包括各種可見光線）的影響,，使得P半導體內部的少量電子，被加速后逃離原位置而進入電場中,。進入電場中的電子受到電場的作用使得電子向N型半導體方向移動,，我們把這種電子運動稱之為漂移運動，而漂移移動的結果又使得擴散運動得以繼續(xù)進行,。當電子的擴散運動與電子的漂移動達到動態(tài)平衡時,，就處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于漂移運動是P型半導體中的少數(shù)載流子,，所以由漂移形成的電流是很小的,。什么是少數(shù)載流子？所謂的少數(shù)載流子就是指如果在這塊半導體中主要靠電子運動形成電流的（如N型半導體）,，那這塊半導體中電子就是多數(shù)載流體,，而空穴就是少數(shù)載流子，反之則反,。
二極管的單向導電性
用上面方法制成的二極管,，具有單向導電性，這種特性使得通過二極管電流只能向一個方向流動,。
下面我們來分析二極管的單向導電原理
參見（圖2）當P型半導體接上負載后與電源的正極相連,，N型半導體與電源的負極相連時。電源負極中的電子在電源的作用下,，流向N型半導體并與N型半導中的正離子復合,。同樣，P型半導體中的電子,，在電源的作用下,，流向電源正極，與電源內部的正離子復合,。這樣半導體PN結的內部的電子,、離子經過復合后，其內部的空穴、電子濃度又增加了,。濃度增加的結果使得擴散運動又繼續(xù)進行,，這時半體導就處于導通狀態(tài)。
當N型半導體接上負載后接電源的正極,，P型半導體接上負載后接電源負極,，情況又是怎樣的呢？在P型半導體中,，電源的電子通過電極與P型半導體的原子型成了共介鍵,。而N型半導體同樣也會因失去電子而形成共介鍵，這樣就相當于整個PN結變厚,。變厚的PN結對電子的流動具有阻擋作用,。在正常電壓下，電源的電子是無法通過增厚后的PN結的,。因此,，可以說這時的PN結是不導通的。不過,，由于熱運動射線等影響,，PN結還是會有一個極小的電流產生。這個電流就是反向電流,，一般反向電流很小,，正常情況下可以忽略不計。
三極管
三極管的結構實際上就相當于二個背靠背二極管（如圖）,，不過用二個背靠背的二極管
是不能當成三極管使用的,。這是因為，三極管內部的結構與二個背靠背的二極管還是有區(qū)別的,。我們再來看一下三極管是怎樣工作的：
要使三極管能夠正常工作,，就必須正確地連接其電路。上圖就是一個三極管放大電路的基本原理圖,。圖中如果EB電壓為0時,，三極管則處于截止狀態(tài)。因為,，這時C區(qū)與B區(qū)的PN結處于反偏狀態(tài)（跟上面二極原理相同）,。當EB加上合適電壓后，由于E區(qū)和B區(qū)的PN結處于正向偏置,，這時PN結處于導通狀態(tài),。導通后的PN結E區(qū)的電子就會不斷地擴散到B區(qū)，由于三極管在制造時,，把B區(qū)造得很薄,，這樣擴散到B區(qū)的電子就很容易擴散到C區(qū)邊緣,，而擴散到C區(qū)邊緣的電子就會在C極電源的作用下形成電流，這時三極管的EC極就處于導通狀態(tài),。另外由于BE結及CE結的接觸面較大,，因此CE區(qū)形成的電流也較大。這就是三極管的放大原理,。上面說的就是NPN型三極管，除NPN型三極管之外,，還有PNP型三極管,，它們的原理都是相同的，這里就不再重復了,。
場效應管
場效應管也屬于晶體管一類,，只是場效應管與上面所說的NPN型和PNP型三極管略有不同，NPN型和PNP型三極管屬于雙極晶體管,，而場效應管屬單極型晶體管,。限于篇幅關系，這里我就不再多說了,。