半導體初學-矽與電晶體
Hi 各位，今天繼續分享我的半導體學習過程，前一篇是關於半導體產業的軟體核心最上游IP設計，有了軟體，接下來就要來講硬體，而硬體的最上游就是半導體的原料：『矽』
首先我們要了解，為什麼矽是生產半導體的主要原料呢?
其實可以做為生產半導體的元素不是只有矽，但因為矽是地殼上總質量(25.7%)僅次於氧的第二大元素(45.4%)，取得相對容易，另外就是矽具有很容易高純度化、可自由調整電阻率、生成安定的氧化膜(二氧化矽)，因此矽成為半導體產業的主要材料
再來我們會問，為什麼要用半導體，而不用導體來製作電子元件呢?
上圖比較了導體、半導體、絕緣體三者的差異，三者的主要差異在於能隙，完全導電的金屬(導體）的能隙相當小，當外在環境給予能量的時候，電子可以容易地從價電帶跳躍到導電帶，原本的價電帶則會產生『電洞』，吸引旁邊的電子來填補，而絕緣體的能隙較大，當外在環境給予能量的時候，電子還是難以跳躍到導電帶，因此不導電；半導體則介於兩者之間，不像導體絕對導電、絕緣體完全不導電，藉由摻入雜質，就可以調整半導體的導電性
知道半導體的特性之後，接下來我們就可以用半導體來製作IC晶片的關鍵元件之一：電晶體
電晶體：放大訊號與開關功能
電晶體的主要功能有兩個：「放大信號」與「開關」，放大訊號就好比是麥克風、收音機內使用的IC，可以接收微弱的訊號後，在不改變波形的情況下放大訊號，驅動喇叭發聲，這類IC處理的主要是連續性的訊號，被稱為類比IC，除了放大訊號外，類比IC也可以做為調頻、混頻及電源管理IC使用。
而作為開關的方式，是電晶體可以控制電流是否流通，達到訊號切換的功能，正如我們前一篇文章提到的，電腦的語言是0跟1的二進位訊號(0,1只是個代號，跟天空的浮雲一樣)，有興趣的可以參考這一篇世界上只有 10 種人，一種是懂二進位的、一種是不懂二進位的，藉由控制電晶體有時候導電、有時候不導電，就可以輸出0跟1的訊號，這類IC又稱為數位IC
N型半導體與P型半導體，電子與電洞的作用
問題來了，要怎麼控制半導體有時候導電有時候不導電呢?這個原理很有趣，當初電晶體的發明者之一『蕭克利』所運用的原理，就是藉由在半導體矽當中製造『電子區』和『電洞區』，製造電流傳導的功效
『電子區』的意思，就是在原本穩定的矽當中添加磷（P）原子，矽原子的外層有4個電子，而磷原子有5個電子，磷原子其中4個電子會與鄰近的矽原子形成強大的共價鍵結，但第五個價電子則保持自由狀態(自由電子)，這個電子隨時可以脫離並跑到相鄰的矽原子身上，此類半導體帶負電，又被稱為N型半導體，可參考下圖：
『電洞區』的意思則是在在原本穩定的矽當中添加硼（B）原子，硼原子的外層只有3個電子，當硼原子遇上有4個外層電子的矽原子時，他會從旁邊的矽原子中搶奪電子，來彌補它自身的空洞，這個空洞就稱之為『電洞』，而旁邊的矽原子被搶走一個電子之後，會再從鄰居身上搶電子，電流就是藉由電洞的移動來傳導，此類半導體帶正電，又稱為P型半導體，可參考下圖：
電晶體的原理，就是把N型半導體和P型半導體結合，當兩類半導體結合接觸時，帶著自由電子的N型半導體和帶著電洞的P型半導體接觸面會開始彼此中和(電子、電洞擴散)，如下圖：
電子和電洞中和的時候，會產生一個內在電場，這個電場被稱為『電荷空乏區』，個人的理解是可以把它想像成一個真空地帶，該內在電場會阻止N型半導體的電子和P型半導體的電洞繼續彼此中和，如圖b
但此時如果我們在外面接上一個新的電場（就假設我們接上一顆電池），把電池的正極接上P型半導體，電池的負極接上N極半導體，就會形成一個所謂的順向電壓，藉由外在電場（電池）來壓迫內在電場，當外在電場施加的強度超過一個臨界值後，圖b裡面的內在電場被壓縮到0，N型半導體的負電就可以繼續跟P型半導體的電洞中和，繼續產生電流傳導，可參考下圖：
NPN型電晶體
蕭克利所研發出來的電晶體，又被稱為『雙極性電晶體』，可以是兩個N型半導體夾著一個P型半導體，也可以是兩個P型夾著一個N型，以NPN型電晶體舉例，兩個N型半導體一個是『射極』，一個是『汲極』，字面上的意思來說，就是電子會從『射極』往『汲極』的方向跑，但這個電晶體的運作原理是什麼呢？
首先，我們在中間的P型半導體(閘極)接上電池的正極，在N型『射極』那一端接上電池的負極，這就產生了一個『順向偏壓』，電池的外在電場開始壓迫N型(射極)和P型之間的內在電場，當外在電場的強度超過一個臨界值之後內在電場消失，N型半導體的電子就又開始和P型半導體的電洞互相中和
有趣的來了，正如上圖所呈現的，P型半導體因為體積（較薄）、摻雜的濃度與N型半導體（射極）不同，從N型(射極)跑到P型半導體的電子有可能在跟P型半導體的電洞完成中和作用之前，就被交換到另外一邊的N型半導體（汲極）那邊去了，這樣電子的就順利的從N型(射極)跑到N型(汲極)
因此，只要控制外在的電場的強度，就能控制導電或是不導電，而也由於P型半導體可以容納的電子數量較少，跑到N型(汲極)的電子數量較多，也就代表N型(汲極)那一端的電流Ic會大P型(閘極)電流Ib，達到電流放大的功能
水龍頭說明法
N型(射極)：供應自來水的自來水管
P型(閘極)：水龍頭閥門
N型(汲極)：水龍頭
電子：自來水
如果上面的說明看的不是很懂，那我們用一個更簡單的方式闡述，我們可以把N型(射極)想像成供應自來水(電子)的水管，P型(閘極)則是水龍頭閥，我們轉開水龍頭閥(P型閘極)的時候，自來水(電子)就可以從自來水管(N型射極)流通到水龍頭(N型汲極)讓我們使用，這樣說明是不是容易理解多了XD
上面介紹的電晶體只是其中一個種類，但這個種類算是最常見的電晶體，業界的名稱為MOSFET( 金氧半場效電晶體)，而NPN半導體被稱為NMOS、PNP半導體被稱為PMOS，兩個合在一起就是CMOS，這就是後續要拿來做成積體電路的重要零件
這次分享先到這裡，這篇文章很簡略的介紹了半導體材料與電晶體的作用原理，看倌們可以參考，理解基本概念，但實際上的運作還是要自行多找些資料學習囉！
其實這一篇原本是要先寫矽晶圓的產製過程，但寫著寫著就飄到電晶體的作用原理了，之後有空在寫這個主題，各位下次再見。
參考資料：
