科普：N型与P型半导体及工作其原理
在前文中，给大家介绍过MOS的工作原理，很多同学私信问我N型及P型半导体到底是什么，是怎么实现其导电特性的，今天就带大家一起来讨论讨论。
在半导体材料领域有两个很唬人的名词“N型半导体 ”及“P型半导体 ”，那为什么要用到半导体呢？它的工作原理到底是怎样的？
所谓半导体 ，顾名思义就是导电性介于导体与绝缘体之间的物质。半导体器件在电路中不可或缺。为什么要用导电性不好不坏的物质呢？如果只看易导电程度的话，那么金属比半导体要好得多。而半导体的有趣之处在于可以根据不同条件决定是否通过电流，金属无法控制电流不通过，而半导体可以利用其特性进行整流或控制。
一、本征半导体&杂质半导体
①本征半导体。 非常纯净的单晶半导体称为本征半导体 。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。
纯纯的Si晶体
硅（Si）原子的原子核周围带有14个电子，最外层轨道带有4个电子，连接方式是原子核相互共用电子对，原子核周围排列8个电子。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但是共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合的那样紧，由于能量激发（如光照、温度变化），一些电子就能挣脱原有的束缚而成为自由电子（导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件）。在单晶硅中，我们发现每个自由电子的出现都会伴随出现一个空穴，也就是说自由电子数量和空穴数量是一样的，这样的半导体我们称为本征半导体。
本征半导体的导电机理： 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，Si成为自由电子（带负电）,同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产价电子生的自由电子便愈多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
②杂质半导体。 在本征半导体中掺入微量杂质后（加入杂质的过程叫掺杂），可使半导体的导电性发生显著变化其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。掺入的杂质主要是三价或五价元素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。（杂质半导体导电机理等见第二部分）
小知识：半导体的三大导电特性。①热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著増强（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）；②光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化（可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等）。③掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变（可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
二、辩一辩“p型半导体和n型半导体”
根据杂质的类型（上文也提了主要是三价或五价元素，这就是P、N型的根源），半导体分为p型半导体和n型半导体。为了用作电子元器件，将p型和n型结做在一块芯片中，半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。让我们以硅半导体为例来辩一辩p型半导体和n型半导体。
↑↑采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
小知识：半导体的载流子半导体载流子即半导体中的电流载体。在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体中，存在两种载流子，电子以及电子流失导致共价键上留下的空位（空穴，又称电洞，在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现象）均被视为载流子。载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动，载流子定向的漂移运动形成了电流。
①n型半导体
硅是第IV族元素，当掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）时，每个P原子使用其5个价电子中的4个与相邻的4个Si原子形成化学键，多余的电子在常温下即可成为自由电子，留下一个不能移动的P正离子这里的P原子叫给体原子。n-型半导体，“N”表示负电的意思，指载流子带负电荷，取自英文Negative的第一个字母。
n-型半导体，将一部分Si原子置换成P（磷）等的原子↑↑。箭头所指这种电子的形态处于“多余的”状态。这叫自由电子。只要外加电压，就会被吸向+极，变为可自由运动（可通过电流）的状态。
N型半导体含自由电子浓度较高，其导电性主要是因为自由电子导电。在N型半导体中自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供，空穴是少数载流子，由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。
n型半导体小总结：n型半导体也称为电子型半导体。n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。n型半导体就是在单晶硅中掺入5族元素杂质，多子为电子。
②p型半导体
掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷，P是positive的首字母），成为能够导电的物质。
P型半导体，将一部分Si原子置换成B（硼）等原子↑↑。箭头所指是没有电子的“空位”状态。这种空位叫做空穴。也就是说空穴中无实体，也叫虚拟粒子。
在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，这类半导体的导电性主要依赖带正电荷的空穴的迁移。类似的，空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。
P型半导体小总结：P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。p型半导体是掺入3族杂质，多子为空穴。无论是P型还是N型，对外都是中性，不显电性。
③没有自由电子的p型半导体如何导电？
p型半导体的导电原理如下图所示，在外加电压作用下，电子被吸向＋极，移动至附近的空穴。于是，电子移动后空出来的地方成为新的空穴，旁边的电子又会移动。通过如此反复，在电子向+极移动的同时，看上去是空穴向-极移动。在此过程中实际运动的是电子，但是可以将空穴视为带+电荷的粒子。
↑↑看上去是空穴移动，实际是电子在跑路
↑↑p型及n型半导体内电子和空穴在半导体内部的运动示意
④pn结的形成原理
半导体中的载流子的有两种运动：扩散运动和漂移运动，扩散运动是指在电中性的半导体中，载流子从浓度高的区域向浓度低区域的运动；漂移运动是指在电场作用下，载流子有规则的定向运动。扩散的结果是空间电荷变宽，内电场越强，漂移越强，而漂移是空间电荷区变薄。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间的电荷区厚度固定不变，空间电荷区称为PN结。此时，它是不导电的，当我们加上电压之后....请看下方的视频解说。
多子扩散，少子漂移
⑤pn结的单向导电性
p型半导体和n型半导体都可以通过电流，但并不像金属那样容易通过电流，因此如果只是为了通过电流，那么不需要使用半导体。半导体的特点在于可根据条件而通过或不通过电流。
由于pn结的单向导电性，可以利用它作为基础制造半导体二极管、三极管等电子元件，例如常用的稳压二极管、光电二极管、发光二极管（LED）等。
小白也能看懂 半导体制程工艺生产的秘密
昨天三星宣布全新的 10nm LPP 工艺已经投产了，而 LPP 工艺相比骁龙835使用的 LPE 工艺，性能提升了10%，功耗下降了15%。但作为一个辣鸡小编，其实我是看不太懂的，都是10nm制程，怎么还能提升性能呢？这些 LPP、LPE 都是指的什么，还有之前看到的 FinFET 这些词又都指的什么？相信和小编有同样疑问的读者不在少数，索性今天我们就来刨根问底一番，看看现在火热的半导体究竟有哪些秘密。
制程的秘密：多少nm很重要吗?
摩尔定律大家肯定都知道：每过18个月，单位面积上的晶体管数量增加一倍嘛！然而多年来半导体制程从65nm到32nm，再到28nm，还有近两年的14nm、16nm和10nm，感觉也没什么规律啊！这里我们就需要认识一下尺寸的计算方式，以及“半代升级”和“整代升级”的概念了。
首先，单位面积内晶体管数量翻倍并不意味着制程就要缩小一半，缩小一半的话单位面积晶体管数量不就翻4倍吗？所以如果要保证两倍的成长，那么整代升级应该乘以0.7。所以从14nm 到10nm，以及后面从10nm 到7nm，都是遵循了摩尔定律的整代升级。
但是在几年以前，我们却经历过一段“半代升级”的风潮，打破了0.7的规律。在 40nm 前后几年，正好是存储器需求飞速发展的时间段，考虑到0.9倍的制程升级就能将闪存容量提升1.24倍，且0.9倍的升级技术简单，半年就能完成，所以不少代工厂开始“半代升级”制程来帮助 NAND 闪存厂商抢占市场。
正常来说制程升级应该是45nm—32nm—22nm—14nm—10nm，也就是经典的Tick Tock。但是台积电当年在 45nm 之后却推出40nm，这也迫使英特尔和三星等厂商打破了规律，在2010年前后启用了 NAND 专属的 35nm 制程（有趣的是华为海思四核也用了35nm 制程）。而鸡贼的台积电后来又跳到 28nm，抢占制程高地，这显然让英特尔和三星很不开心，所以后期三星和英特尔都回到了正常的升级策略，并且从那以后，英特尔就一直对半代升级嗤之以鼻（恼羞成怒）。
而台积电在坚持了 20nm 和 16nm 两代之后，也主动回到了 10nm 的正轨。原因非常简单，因为 NAND 颗粒并不是制程越小性能越好，20nm 之后就会发生严重的电子干扰，所以在 20nm 制程后，各大厂商都转向了3D NAND 技术（如果大家对闪存有兴趣我们今后也可以科普），再往后大家也不在 NAND 的制程上较劲了。
工艺的秘密：这些字母其实很好懂
至于后缀的那些英文其实也不难理解，比如 FinFET 工艺（注意哦，多少纳米叫制程，而后缀指的是工艺），这一工艺最早由英特尔在22nm 制程时提出，而现在英特尔、台积电和三星都用的 FinFET 。
因为制程中 22nm 是指每个晶体管中两个栅极之间的距离，所以 22nm 并不是指晶体管尺寸，一般一个 22nm 制程的晶体管尺寸高达 90nm ，而栅极间距越小电子流动的时间就越短，所以性能就提升了。但是随着栅极距离越来越小，绝缘效果就会下降导致漏电，所以每经过几代制程升级，就需要有一次工艺升级来解决这个问题。FinFET 之前已经有过High-K、HKMG 等工艺了，而 FinFET 之后，我们还会见证 FD-SOI 、GAA的竞争。
至于 FinFET 的原理，它的全称是“鳍式场效晶体管”，简单说来就是讲栅极之间的绝缘层加高，来增强绝缘效果减少漏电现象，是不是觉得挺傻瓜的？但往往是看起来很简单的想法，实现起来却无比困难。
说完了 FinFET，我们还有最后一个后缀，就是昨天报道中的 LPP、LPE 了，其实这些指的都是同一代工艺中的不同种类，比如 LPE（Low Power Early） 指早期低功耗工艺，而 LPP(Low Power Plus)指成熟的低功耗工艺，而适用于移动设备的 LP 系列其实还包含 LPC、LPU 。而且这些后缀并不是10nm 专属，三星 FinFET 工艺都是这样的命名方式，比如14nm FinFET 中，骁龙820是 LPP，而骁龙821则是 LPU。
并且除了 LP 系列之外，当然还有主打高性能的 HP(High Performance)系列， 这其中又分为很多种，这里就不展开讲了。但是这也只是三星芯片的划分方法，像台积电虽然也是 FinFET 工艺，但是却分为了FinFET Plus、FinFET Compact 等几种。
生产的秘密：光刻机被卡脖子啦！
说完了技术，我们最后不如落到生产上聊一聊？毕竟随着工艺的提升，对于生产设备的要求也越来越高了，过去各家在蚀刻晶圆的过程中用的都是深紫外光微影系统，简称 DUV，而随着制程超过10nm，现在 DUV 已经满足不了精度要求，这时极紫外光微影系统（EUV）就上线了。
说到 EUV 是不是觉得很眼熟？没错，不久前三星刚刚以1.5亿欧元每台的价格从 ASML 订购了10台 EUV ，然而 ASML 这么久也一共才生产了23台，很显然，三星是想在 8nm/7nm 时代抢占先机。这已经不是他们第一次这么做了，当初在 OLED 的发展初期，他们就买走了市面上仅有7台蒸镀机中的5台（蒸镀是OLED 生产中的重要步骤），借此延缓了 LG 和京东方的 OLED 生产计划。
总而言之，现在半导体行业在进入10nm 时代之后，无疑将会面临制程、工艺以及生产的三重挑战，未来三星、台积电和 Intel 是会继续三足鼎立，还是会有人旧人掉队、新人加入呢？我们拭目以待！
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