半導(dǎo)體是如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的？
物質(zhì)能否導(dǎo)電取決于構(gòu)成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)中是否存在自由電子（負(fù)電荷）或者空穴（正電荷），統(tǒng)稱為載流子。導(dǎo)電能力的大小又取決于物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)中載流子的多少，載流子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。我們知道金屬導(dǎo)電，絕緣材料不導(dǎo)電，因此這兩類材料就代表了要在導(dǎo)電和不導(dǎo)電之間做出選擇。簡(jiǎn)單做個(gè)比喻，選擇金屬就是導(dǎo)電，選擇絕緣材料就是不導(dǎo)電，這就是一個(gè)0和1之間做出選擇的情況。但是如果兩種狀態(tài)都需要用到的時(shí)候怎么辦？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是要在我想要它導(dǎo)電的時(shí)候變成“金屬”，不想要它導(dǎo)電的時(shí)候變成“絕緣材料”，0和1都要，是可以選擇和變化的。對(duì)于這種0和1的變換，這里就和我們?cè)诂F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)中的原理對(duì)應(yīng)起來(lái)了，計(jì)算機(jī)本就是一系列的0和1二進(jìn)制運(yùn)算構(gòu)成的系統(tǒng)，底層的邏輯就是導(dǎo)通和不導(dǎo)通的原理。什么樣的材料能夠?qū)崿F(xiàn)“0和1”的兼容？半導(dǎo)體的出現(xiàn)給出了[敏感詞]的答案。
我們熟悉的半導(dǎo)體材料最多的就是Si了，如果是一個(gè)純凈的Si材料，經(jīng)過(guò)一定的工藝制程單晶體可以變成本征半導(dǎo)體。Si晶體中的原子在空間中形成排列整齊的陣列，稱為晶格。相鄰的原子間距小，兩個(gè)相鄰的原子的一對(duì)最外層電子同時(shí)在自己的原子核圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)也在對(duì)方的軌道上出現(xiàn)，出現(xiàn)了共用電子的情況，這樣的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如下圖所示（一個(gè)Si原子有4個(gè)電子）：
正常情況下這種結(jié)構(gòu)中的電子是非常穩(wěn)定的，僅有極少數(shù)的共價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得了足夠的能力從而掙脫束縛成為自由電子，掙脫了束縛之后原來(lái)共價(jià)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中就空出了一個(gè)位置，空出來(lái)的地方叫做空穴（由于電子脫離而帶正電荷），自由飄蕩在外的是自由電子（負(fù)電荷）?？昭ê妥杂呻娮佣际浅蓪?duì)出現(xiàn)的，如果在結(jié)構(gòu)中加上電壓，那么電子將會(huì)產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)從而形成電流。另一方面，價(jià)電子將會(huì)按照一定方向依次填補(bǔ)空穴，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)空穴也就有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（依次跳到下一個(gè)坑里面去填上，再跳出來(lái)再填下一個(gè)，這樣就流水線一樣的動(dòng)起來(lái)了）。這種可以流動(dòng)的粒子統(tǒng)稱為載流子，在導(dǎo)電的導(dǎo)體中只有可以自由移動(dòng)的電子作為載流子，而在本征半導(dǎo)體中則有電子、空穴兩種載流子，如下圖所示。
本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)正常情況下相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)中載流子在沒(méi)有受到熱激發(fā)的情況下為0。當(dāng)半導(dǎo)體受到熱激發(fā)，溫度升高就會(huì)產(chǎn)生自由電子和空穴，隨著溫度升高濃度越來(lái)越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反之則濃度越低，導(dǎo)電能力越弱。為了使得半導(dǎo)體中的載流子濃度提高，提升導(dǎo)電能力可以通過(guò)向結(jié)構(gòu)中注入其他的元素來(lái)破壞其原有的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是擠出電子或者增加空穴。通常會(huì)選擇Ⅲ-Ⅴ族的元素，如三價(jià)的硼B(yǎng)和五價(jià)的磷P。
三價(jià)元素外圍只有3個(gè)電子，摻雜之后與周圍的原子共價(jià)之后還缺少一個(gè)電子填空，因此形成了空穴（正電荷），構(gòu)成了P（Positive的意思）型半導(dǎo)體。五價(jià)元素同樣的道理，外圍有5個(gè)電子，4個(gè)形成了共價(jià)鍵，多出來(lái)一個(gè)自由電子（負(fù)電荷），構(gòu)成了N（Negative的意思）型半導(dǎo)體，如下圖所示。在N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度大于空穴，因此自由電子稱為多子（多數(shù)的載流子），同樣P型半導(dǎo)體中空穴是多子。
PN結(jié)與耗盡層
擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們把P型和N型半導(dǎo)體放在一起的時(shí)候，兩者之間不同載流子的濃度是不同的。P型半導(dǎo)體中空穴多，N型半導(dǎo)體自由電子多，彼此對(duì)于地方都是一個(gè)低濃度的地方。因此P型半導(dǎo)體的空穴會(huì)向N型半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，N型半導(dǎo)體的自由電子會(huì)向P型半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)空穴和電子相遇的時(shí)候就自動(dòng)結(jié)合，因此在交界面附近載流子的濃度下降。在結(jié)合過(guò)程中慢慢形成了電場(chǎng)區(qū)域，由N型指向P型，空穴與自由電子結(jié)合使得正負(fù)離子達(dá)到平衡，構(gòu)成了內(nèi)部靜電場(chǎng)，電壓為Uho。由于內(nèi)部電場(chǎng)力的作用同時(shí)電場(chǎng)力的作用距離有限，因此正電荷被排斥向左邊，自由電子被排斥在右邊，中間形成了一個(gè)只有正負(fù)離子的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有載流子了，直接說(shuō)就是載流子被消耗完了，因此空間電荷區(qū)又被稱為耗盡層。
前面我們提到物質(zhì)導(dǎo)電與否取決于結(jié)構(gòu)中是否有載流子，導(dǎo)電能力大小取決于載流子的多少。在耗盡層中沒(méi)有載流子了，因此這個(gè)區(qū)域就不導(dǎo)電了。當(dāng)此時(shí)我們施加一個(gè)外部電壓，電場(chǎng)力的方向和內(nèi)部電場(chǎng)力的方向相反，抵消了內(nèi)部電場(chǎng)力的作用，引起空穴向左邊運(yùn)動(dòng)，自由電子向右邊移動(dòng)（同性相斥、異性相吸），從而使得耗盡層變窄，電阻降低，這個(gè)時(shí)候就能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)通了，如下圖所示。
相反的，當(dāng)外加一個(gè)反向電壓，和內(nèi)部電場(chǎng)力的方向保持一致，則耗盡層將會(huì)擴(kuò)大，增大到一定程度則會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)幾乎被耗盡層占完，沒(méi)有載流子了，無(wú)法導(dǎo)電，實(shí)現(xiàn)了斷路的作用，如下圖所示：
這樣一來(lái)就實(shí)現(xiàn)了通斷兼容，0和1隨時(shí)切換了，這也是PN結(jié)的單向?qū)ǖ幕驹?，在?shù)字電路里面這是實(shí)現(xiàn)0和1的方式，在功率電路里面是實(shí)現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)換器的基本手段。MOSFET管子的工作基本原理也是這樣的，接下來(lái)我們將介紹MOSFET的基本工作原理。MOS的核心原理就是利用電場(chǎng)的作用，改變耗盡層的大小，使得該區(qū)域時(shí)而導(dǎo)電時(shí)而斷開(kāi)。
FET
在介紹MOSFET之前，我們先來(lái)了解一下FET的工作原理。FET又叫做場(chǎng)效應(yīng)管，有N溝道和P溝道兩種（溝道就是其中載流子流過(guò)的通道），如下圖所示。
FET：Field-Effect Transistor管子被稱為場(chǎng)效應(yīng)管，從名字就可以知道是通過(guò)利用電場(chǎng)力的作用來(lái)改變了內(nèi)部耗盡層的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。下面我們以以N溝道FET管子為例來(lái)說(shuō)明整個(gè)工作的基本過(guò)程。其無(wú)外加電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
我們先來(lái)看FET管子的D和S短路情況下通過(guò)改變G和S極之間的電壓的情況。無(wú)外加電壓的情況如上圖所示，上面我們提到PN結(jié)在外加電場(chǎng)的作用下內(nèi)部的耗盡層寬度會(huì)發(fā)生變化，因此我們可以通過(guò)增加Ugs電壓來(lái)改變FET管子里面的耗盡層的寬度，隨著Ugs的增加，耗盡層的寬度越來(lái)越大，最終形成了閉合，使得N溝道消失，電阻無(wú)限大，此時(shí)的Ugs就被叫做夾斷電壓Ugsoff，如下圖所示：
上面的分析是在D和S之間短路的情況，此時(shí)我們來(lái)看看Ugs在0-UGSoff之間的某一個(gè)數(shù)值的情況下，漏極和源極之間電壓Ugs對(duì)FET管子的影響。當(dāng)D和S之間外加電壓的時(shí)候其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
此時(shí)D和S之間有加載外部電壓，因此由于外部電場(chǎng)的作用引起內(nèi)部的垂直方向上有載流子的運(yùn)動(dòng)，因此有電流。但是由于電壓Uds從漏極向源極壓降，同時(shí)加上外部加載的Ugs引起了耗盡層的拓寬，綜合兩者的影響，在靠近D極的地方耗盡層寬，向源極往下耗盡層逐漸變窄。溝道沒(méi)有被完全耗盡，因此D和S之間的電流仍然能夠通過(guò)，并且隨著Uds的增加電流的大小也增加，兩者呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系，實(shí)際上就是管子的電阻特性，對(duì)應(yīng)特性曲線里面的線性區(qū)域。
當(dāng)Uds進(jìn)一步增大，Ugd=Ugs-Uds，Ugd逐漸減小，也就是管子的上半部分的電壓作用逐漸減小，其方向與Ugs方向相反，因此上半部分的耗盡層逐漸被Uds和Ugs的共同作用影響而變寬，出現(xiàn)了頂部夾斷的情況，如下圖所示：
當(dāng)Uds繼續(xù)增加，耗盡層將向下逐漸變寬，使得整個(gè)夾斷區(qū)域變長(zhǎng)。當(dāng)Ugd<Ugsoff時(shí)候，一方面由D到S的電流隨著Uds的增加而增加，另外一方面溝道被耗盡，載流子變少，移動(dòng)被阻礙，因此電流減小。這兩方面的影響是相互制約的，并且增加的Uds幾乎全部被用來(lái)克服耗盡層的阻礙，因此電流并沒(méi)有隨著Uds的增加而變化，F(xiàn)ET呈現(xiàn)了恒流特性。如下圖所示：
將每一個(gè)情況與對(duì)應(yīng)的曲線圖對(duì)應(yīng)起來(lái)如下圖所示：
MOSFET
MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。名字一定是和它的材料、結(jié)構(gòu)強(qiáng)相關(guān)的。我們結(jié)合MOSFET的管子結(jié)構(gòu)圖來(lái)理解一下，如下圖所示：
電極采用了金屬，在金屬下面有一層氧化層，然后是摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域，將這樣的結(jié)構(gòu)用來(lái)構(gòu)成上面提到的FET，由此便構(gòu)成了MOSFET。MOSFET也有N溝道、P溝道的區(qū)別，根據(jù)Ugs為零時(shí)漏極電流是否為0還可以分為增強(qiáng)型（上面介紹FET的時(shí)候就類似一種增強(qiáng)型）和耗盡型。N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型四種。以N溝道增強(qiáng)型為例，如下圖所示：
MOSFET和上面提到的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的控制機(jī)理有所不同，但是核心的機(jī)理都是控制耗盡層來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。當(dāng)Uds為0的時(shí)候，柵極因?yàn)橛醒趸^緣層的緣故，因此柵極的電流為0。但是柵極上面加載了正電壓，因此會(huì)聚集大量的正電荷，這些正電荷排斥P型半導(dǎo)體里面的空穴（正電荷之間的同性相斥），靠近氧化硅絕緣層，因此會(huì)在中間區(qū)域形成一個(gè)沒(méi)有載流子的區(qū)域，也就是之前提到的耗盡層。如下圖所示：
當(dāng)Ugs增大時(shí)，一方面耗盡層將會(huì)變寬，另一方面，由于加載了正電壓，P型區(qū)域的自由電子將會(huì)被吸引進(jìn)入到耗盡層與絕緣層之間的區(qū)域，形成一個(gè)N區(qū)，將兩極區(qū)域連接起來(lái)。這個(gè)薄型區(qū)域就叫做反型區(qū)（與P型相反，顧名思義反型區(qū)）。連通起來(lái)的S和D之間有了N型溝道，自由電子可以實(shí)現(xiàn)電流的導(dǎo)通，反型層越大溝道的電阻越小，如下圖所示。
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