3D 電晶體你真的懂嗎？完全看懂多閘極電晶體的奧祕

近年來半導體業最大的新聞，莫過於各家廠商都推出了3D電晶體，一掃過去深度奈米製程毫無進展的陰天心情。原本卡在半空中很久的30奈米以下製程，以及大家都一致唱衰的摩爾定律必破論，似乎又被丟到了垃圾筒裡去了。講到這些就不得不提到Intel公開的Tri-Gate電晶體，還有台積電的FinFET製程，都是已經實現的代表。

AMD早在2002年，也做了一顆10奈米3D的FinFET電晶體，試圖踩入這一塊的設計圈，希望可以早日看到量產的計劃。為什麼之前一旦談到30奈米製程大家就很痛苦，現在又充滿了希望呢？這就要從電晶體的特性開始談起。

讓矽半導體導電

矽半導體的特性就是它不導電，讀者們一定要問如果它不導電那我們的晶片難不成是米糕做的？答對了，就是米糕！

水電工前輩們知道矽結晶呈現了很穩定的四價鍵結構，所以晶體之中沒有什麼自由電子活動空間，如果沒有外力填充電子進去或者填充電洞進去是沒什麼機會導電的。所以就在矽結晶中加入了少量的五價或三價原子雜質進去，大概都不超過萬分之一，讓矽結晶像米糕一樣亂一些，這樣一來就可以導電了！

其中加入三價雜質的矽結晶會產生出一些可以容納正電荷的空間，我們稱之為電洞，加入五價的則會產生多餘的電子出來可以自由漂移。仔細觀察可以發現，電子飄移的速度會比電洞快很多，這是因為電洞並不是真的正電荷在移動，而是靠負電荷在推擠移動時產生的相對移動現象。

P、N組成二極體

好不容易讓矽導電之後，水電工們把填入三價雜質的P型半導體和加入五價雜質的N型半導體連起來發現，它又不導電了！超營養大雞排⋯⋯呃，不對，當電流換一個方向由P流至N時它其實是會導電的，這就是大家熟知的二極體。

二極體能單向導電，主要還是因為電流從P型半導體流往N型半導體時，可以輕易地跨過介面電場（因為電場方向和電流方向相同），而反向時則會和這個由材料差異引起的介面能階差互相對衝以致無法流過去。不過當電壓大於能階差的時候還是會打穿的，基納二極體就是利用這個效應工作的整壓二極體。

▲P型半導體的結構示意

▲N型半導體的結構示意

三極電晶體的由來

三極電晶體的設計目的，就是希望利用二極體的特性，建構一個可以由人為方式控制導通／不導通的控制器。所以任何一種三極電晶體都是由一個控制極，一個輸入極，一個輸出極組成。當我們希望它導通時就在控制極輸入某個電壓，形成通道，然後電流就能由輸入極流到輸出極去，這個輸出極可能又會連到另一個電晶體，變成控制訊號，這樣一連串的連結就構成了可以用布林代數（一種二元運算的偏序集合）控制結果的數位控制器。

▲順向偏壓

▲逆向偏壓

當然各位熟知常用在音響線路上的放大器也是一種三極體的應用，當通道在半形成狀態時電晶體就會開始輸出了，而此時控制極的電壓稍稍拉高，輸出就會約略線性加大，反之亦然。所以我們可以只檢測到很小的訊號送到控制極，卻在輸出端複製出一個長相很類似輸入訊號、但是力量卻大了百倍不只的訊號，這就是放大器。

▲三極電晶體的基本構想

▲理想的三極控制器輸入與輸出關係

介面電場

當 2 種物質被人類結合在一起時，由於兩者之間原子和電子分布情況不同，會在介接面產生一個電場，這個電場就叫介面電場，而電場的大小就叫介面能階差。不只半導體有這個介面電場，就連良導體也會有這種現象，只是良導體的介面電場很小，不過對於高頻訊號而言仍然會造成障礙，好比超過10GHz 電波用的天線材料或導線及接頭等都是要特別製作的。

（下一頁還有：電晶體通道的形成）