教程推荐｜半导体器件原理（复旦大学版）
以前向大家推荐过揭秘集成电路制造过程的视频，相信看过的朋友会对其制造过程有一个直观的了解。今天向大家推荐一门从事半导体设计或制造所必不可少的基础课：半导体器件原理。
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半导体器件是微电子学的基础课程，在对半导体物理的基本原理有一定了解后，了解和掌握半导体器件的基本理论和物理模型对于微电子学及相关专业人员是非常必要的。本系列课程由复旦大学蒋玉龙老师为我们讲解，蒋玉龙老师系统的介绍了集成电路中的半导体器件的工作原理，着重讲解了半导体器件的物理概念及物理模型，以及基本的公式推导和计算。蒋玉龙老师的讲解诙谐幽默，生动形象，深入浅出，对学习本课程大有裨益。
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半导体系列3-半导体基础器件的基本原理
导语--在本系列的第一篇文章我们从自下而上的角度简单介绍了半导体材料的物理原理，而后在第二篇文章里我们自上而下拆解出了半导体芯片的基础器件即二极管和晶体管。那么二极管、晶体管这些基础器件又是如何与半导体的物理原理联系起来呢？本篇文章，我们将简要介绍这两个部分是如何会师的，即半导体基础器件是如何与半导体物理原理联系起来的。
第一篇文章我们从能带的角度一般地理解了半导体为什么被称为“半导”的固体，从半导体晶体的实际结构我们也能直观的理解。这里以半导体晶体最基础的材料硅为例，我们知道硅在元素周期表里是IV族元素，硅原子最外层轨道有四个电子。硅晶体则是很多个硅原子排列在一起形成的，我们在化学中知道，原子通过共价键的连接构成分子，一个原子周围八个电子是稳定的分子结构，在硅晶体中，其形态也是遵循这一规律，如下图所示硅晶体里，两个电子结合形成更为稳定的共价键，当然共价键并非牢不可破，在绝对零度以上，总会有少数电子摆脱束缚在晶格里游荡，这也形成了半导体的“半导”特性：
纯净的半导体被称为本征半导体，实际应用中，半导体更重要的一面是可以通过掺杂改变性质。如果硅晶体中掺入III族元素硼，由于硼最外层只有三个电子，所以在共价键中会有一个缺失，即形成空穴，如下图所示：
同样由于热力学运动，绝对零度以上某些共价键的电子挣脱束缚填补这些空穴，这就造成了好像这些空穴在移动。因此在这种掺杂下的半导体宏观上内部会有很多可导电的空穴，由于空穴表现为正电荷，英文称之为“Positive Holes”，这种半导体也被称为P型半导体。如下图所示：
类似地，如果在硅晶体中掺入V族元素磷，共价键上就会多出一个电子，这个电子可以在半导体内自由移动，形成导电的电子。因此在这种掺杂下的半导体宏观上内部会有很多可导电的电子，即英文中的“Negative Electrons”，这种半导体也被称为N型半导体。如下图所示：
值得注意的是，宏观上无论是P型半导体还是N型半导体都是电中性的，P型、N型只是表示两者提供可导电能力的载流子的电荷性质。
那么如果P型和N型半导体放在一块会变成什么样呢？我们采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成产生神奇的变化。首先由于P型半导体内的空穴浓度更高、N型半导体内的电子浓度更高，这种浓度差就自然而然为扩散提供了动力。即空穴和电子在边界处互相进入对方的领地，形成P型半导体边界处电子浓度更高，而N型半导体边界处空穴浓度更高，这就形成了边界处的内建电场。
由于内建电场对电子的作用力方向与扩散方向相反，即自由电子被往回拉。有点像是，自由电子拖拽着一个弹簧，冲的越多越远，被拽回来的力量就越大。直到，扩散作用的推力与内建电场的拉力大小相当，达到动态平衡。此时，内建电场区域增至最大值且保持不变，这就形成了耗尽区，这一空间电荷区被称为PN结（PN junction）。如下图：
从PN结的形成原理就可以看出它具有单向导电性，要想让其导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。因此若P区外接电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，从而形成正向电流。而反向电压会使内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和，但如果电压足够大会破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来导致PN结被击穿）。PN的单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，正是半导体基础器件二极管、晶体管的物理基础。
事实上二极管就是一个PN结，具有单向导通、反向饱和或击穿。而晶体管可以分为双极型三极管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、MOS场效应晶体管（MOSFET）。三者实际都可以简单视为开关，只不过内部结构的不同导致了运行的原理不同。
BJT实际上是背靠背的两个PN结组成，分为NPN、PNP两种，其结构如下图。我们以NPN为例简述其工作原理，如果不在基极上外加电压，那么这种PN结背靠背的结构形象无论在两侧加什么样的电压都不会有电流导通。但如果在基极加一个正向电压，而在集电极和发射极之间电势差为正的情况下，基极的正向电压就相当于集电结的反偏变为了正偏，自然就会导通。因此通过基极就可以控制电路导通开关。
在同是背靠背PNP的框架下，JFET采用了不同的结构，如下图所示。以N沟道JFET为例，当栅极不加电压栅压为零即零偏时，沟道最宽，导通电流最大。但如果在栅极上加电压使得两侧的PN结都工作在反偏状态，反偏越强，沟道越窄，导通电流越小。因此通过栅极的电压可以控制电路导通开关，源极、漏极犹如水管，栅极则是控制其开关的水龙头。
MOSFET也是通过栅极电压控制电路导通与否，但采用的结构却更巧妙，如下图所示。无论是NMOS（P型衬底的两肩腐蚀出N型的电极）还是PMOS（N型衬底的两肩腐蚀出P型的电极），也都是通过栅极（Gate）控制的。以NMOS为例，如果栅极不加电压显然源极和漏极是不导通的，如果栅极加上正向电压，则在源和漏之间会形成一个薄薄的电子反转层，也称之为N沟道，这时源和漏之间就通过这个N沟道的连接实现了导通。
以上，我们简单介绍了二极管、晶体管的基本原理，实际上我们可以更简而化之将它们视作一个个开关，正是这一个个的开关控制着电流的导通、关断，合在一起就构成了复杂的半导体芯片系统。电的流动实际就是信息的流动，简单意味着力量，正是这简单的开关控制构建了整个半导体的大厦。
至此，我们实现了半导体原理的由上而下的全部打通，原理的部分我们也简单介绍到这里，接下来我们将对整个半导体行业进行梳理，以便对我们的投资起到更现实的指导。
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