「一沙一世界」半导体与MOS管
时间：2022-09-06 18:30:00
有干货，有故事，微信搜索【科岩成果】关注这个热爱和平的程序员。
大家好，我是科岩。
在文章「嵌入式工程师的自我修养」我介绍了一个技术问题：
有2个设备A、B，A有外部按钮，通过网络连接可交互数据，B有小显示屏。
实现此类程序的两个设备：A按键盘上的按钮，B显示屏显示按键值。
请问:从A按键的那一刻起，到B显示屏看到按键值，按键值这个数据是如何从A按键传输到B显示屏的？
事实上，这篇文章是两年前写的。两年后，我仍然无法给出令人满意的答案。
今年，我要重新开始写技术文章先试着回答这个问题。
回答这个问题可能涉及模电、数电、PCB、计算机组成原理，C语言、编译&事实上，我对链接、操作系统、网络等知识知之甚少。
但这还有进步的空间吗？通过微信官方账号输出是强迫自己学习的好方法。
这是一个开始，让我们回到最基本的问题：嵌入式物质世界。
导体
还记得初中物理课学到导体和绝缘体的知识吗？
擅长导电的物体称为导体，如金属、人体、地球、石墨、酸碱盐水溶液等；
不善于导电的物体称为绝缘体，如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等；
那么什么是半导体呢？是什么物体，一半导电，一半绝缘？
先来看看导体导电的原理。
自然界中的所有物质都是由原子组成的，包括围绕原子核运动的原子核和电子，它们一直围绕着原子核运动。
有些原子最外层的电子非常活跃。如果给这些原子组成的物质施加一个电场，电场的正极会将原子外层的活跃电子吸引到自由电子中，电子被吸引和移动，产生电流。
这就是导体导电的原因：自由电子形成电流。
同样，形成绝缘体的原子被原子核牢牢束缚，结构相对稳定。一般来说，它不能被电场吸引形成自由电子，没有自由电子就不能导电。
半导体
了解导体导电的原理，很容易想到半导体的原子不应该像导体那样活泼，也不应该像绝缘体那样稳定。
科学家们发现，硅原子的外层有四个电子，它们既不像导体那样活跃，也不像绝缘体那样被紧紧地束缚，它们在导体和绝缘体之间活跃。
当硅原子组合在一起时，两个相邻原子周围的电子会形成稳定的结构，如下图所示，每个硅原子周围有8个电子：
这种纯硅有一个学名，叫做本征半导体。
纯净的硅几乎不导电，如果想让纯净的硅导电，可以把温度升高，温度升高时，硅原子周围的电子逐渐变得活跃，可以挣脱原子核的束缚形成自由电子。
然而，仅仅通过温度控制半导体导电/不导电是非常麻烦和不准确的。人们想准确控制硅的导电性，所以他们发明了一种方法：掺杂。
将其它元素添加到纯硅中。
硼原子最外层有三个电子，在纯硅片中加入少量硼原子，硼原子可以替代一些硅原子。
硼原子的三个电子和其他硅原子不能形成稳定的结构。由于缺少一个电子，一个空间是空的，学名是空穴。
我们给掺入硼原子后的硅取名，叫做P型半导体。
如果在P型半导体外加一个电场，由于电场的作用，硅原子周围的一些电子会移动到空穴中，导电。
磷原子最外层有5个电子，在纯硅中加入少量磷原子，磷原子可以替代部分硅原子。
磷原子的四个电子和其他硅原子形成稳定的结构，多余的一个电子成为活跃的自由电子。我们给掺入硼原子的硅起了一个学名N型半导体。
如果在N型半导体外加一个电场，由于电场的作用，自由电子会移动，它可以导电。
二极管
将一半纯硅片与硼原子混合，另一半与磷原子混合会产生什么现象？
如上图所示，右侧N型半导体中有更多的自由电子，P几乎没有自由电子，由于浓度差异，电子将从N区移动到P区，结合空穴，在中间形成一层薄薄的接触区。
P侧接触区增加电子，因此带负电，N侧面减少了电子，所以带有正电，所以这个薄接触面变成了带电电场，学名是内建电场，从N区到P区的电场方向：
内建电场与浓度差相反，将电子从P区推向N区。
最后，在浓度差和内部电场的共同作用下，电子在接触区来回，达到一定的动态平衡。
这个接触区有一个学名，叫做PN结。
两种不同原子的硅片导电吗？
我们在硅片上增加了一个与内部电场相反的外部电场（正极P区和负极N区）。外部电压会削弱内部电压，内部电压越来越小。最后，几乎没有，在外部电场的作用下，N区自由电子逐渐增加。
内建电场减少，浓度差增加，电子会源源不断从N区流向P区，这时的PN结导通，就像一个导体。
如果将反向外部电场(正极接N区，负极接P区)添加到硅片中，外部电压与内部电场同向，内部电压会增强，内部电压会变大，而N区自由电子在外部电场的作用下会减少。
内建电场增大，浓度差降低，此时，内部电压会阻碍电子流向P区PN不导电就像绝缘体。
关于上述描述PN结的特征叫做单向导电性。
这个描述比较绕道。我也看了很多资料，只有在纸上画画才能理解。如果你感到头晕，记住纯硅混合后就有这样的特点:连接正电场时，导通；连接反电场时，截止日期。
把做好的PN在外面加一个壳，然后引出两条导线，一条新鲜的**「二极管」**就诞生啦！
二极管的电路符号如下：
最常见的二极管是发光二极管，它有极性。
如果你仔细观察，你会发现一个引脚又长又短，只有相反的方向才会亮，错误的不会亮，可能会烧毁。
三极管
了解二极管，三极管很快就能理解。
当纯硅片混合时，形成两个PN结是三极管
三极管有两种，NPN型和PNP型。
我们拿NPN例如，间P区掺入的硼原子不多，P区很薄。
此时，由于两个反向电场，无论是连接到三极管外部的正电场还是反电场PN它不能导电。
它怎么能导电呢？整个三极管连接另一个外部电场E2。
如上图，下半段PN结在E2在导通状态下，电子从以下N区流入P区，然后流入电场E2。
但由于P区较薄，大量多余的电子流入N区，这时电场E1由于E2还导通了导通。
三极管像开关吗？E2接通时，小灯泡被点亮，E2断开，小灯泡熄灭。
三极管实物图：
三极管电路符号：
MOS管
最后一根管子叫MOS管，学名叫**「晶体管的场效应」**，全名是金属-氧化物-半导体型晶体管的场效应（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。
p>用一块低掺杂的P型硅片当做基础，底部引出一个电极B极，上方利用一定的工艺制作出两个高掺杂的N型区，这会形成2个PN结，在两个N型区分别引出两个电极S极和D极。
整个硅片上方中部制作一层SiO2（二氧化硅）绝缘层，再在SiO2上制作一层金属铝，引出电极G极。
在S极和D极加上电场EDS，由于两个PN结反向，无法导通。
我们在G极和B极之间加上电场EGB，神奇的现象发生了，由于电场的作用，G极下方吸引了很多电子，当电子的浓度够高时，在两个N型半导体间形成了一条导通沟道，会将两个N型半导体导通，从而使电场EDS导通。
MOS管也是一个开关，EGB接通时，小灯泡就被点亮，EGB断开，小灯泡熄灭。
MOS管的实物和三极管很像，就不贴了，通常使用时，会把S极和B极接在一起，MOS管的电路符号：
- P-MOS，G极为低电平时导通，高电平断开，可用于控制与电源之间的通断
- N-MOS，G极为高电平时导通，低电平断开，可用于控制与地之间的通断
场效应晶体管是制作大规模集成电路最基本的单元。
我找了一些历史上CPU晶体管的数量统计，你们感受一下：
- 1978年，英特尔8086，制作工艺3200nm，晶体管3万个
- 2000年奔腾4，180nm，晶体管4200万
- 2010年酷睿i7，32nm，晶体管11.7亿
- 2020年，iPhone12苹果A14芯片，5nm，晶体管118亿
我们常用的stm32，制作工艺在130nm到40nm之间，晶体管数量大概在数十万到数百万之间。
上面提到的这个xx纳米工艺，你一定经常在手机发布会听到，这个纳米长度指的其实是MOS管D极和S级之间导通沟道的长度。
导通沟道的长度越小，制造出的晶体管越小，相同面积芯片就能放下更多的数量，这样CPU的性能越强。
end
硅、硼、磷等化学元素构成了电子计算机的物质基础，硅是一切半导体器件的主要元素。
硅可以从沙子中经过复杂的工艺提纯出来，说电子计算机的世界就是沙子的世界并不为过。
硅制造的晶体管可以用电控制「通」、「断」两种状态。
我们就是用这两种状态造出芯片，进而造出手机、各种智能设备，还有游戏、音乐、电影。
说了这么多，好像知道这些对我们的日常工作也没多大帮助，毕竟这个世界上制造芯片的人就那么一点点，不过你能看到这里还是很有耐心的。
我一直觉得，学习了底层知识，再解决上层问题时思路会变得更加开阔。所以这个「一沙一世界」系列会继续讲最底层的原理。
下一篇我们就讲讲通和断。
我为你准备了几本物联网技术必读电子书，包括C语言、Arm架构、操作系统、网络等等，网络上很多版本质量非常差，有的字根本看不清，我花了很大的力气找来这些高清版，有些书已经绝版，是我充了xx会员才得到的，都分享给大家，希望能对你有些帮助。
https://pan.baidu.com/s/16ub9T7BSJySnTHEjqmKoxg 提取码: kqds
欢迎微信搜索「 科岩成果 」，关注这个点灯工程师。
我是科岩，知其然，知其所以然，我们下期见。
