“這些人的工作改變了世界和人類的生活方式，他們是亨利·福特、托馬斯·愛迪生、萊特兄弟，和杰克·基爾比。杰克發(fā)明的集成電路，不但革新了電子工業(yè)，還改變了人們的生活。” —— Tom Engibous
實際上，半導(dǎo)體器件的大家族總共分為七大類，晶體管僅是其中一大類，這七大類能衍生出130多種不同的半導(dǎo)體器件（具體參考圖1.3），在這里我們只關(guān)注核心的3種，即圖1.3中的紅色部分: (1)PN結(jié)或二極管；(2)雙極結(jié)型二極管BJT；(3)BJT的特殊變體——硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(SiGe HBT)。
圖1.3丨The Transistor “Food Chain”, Silicon Earth
·金屬-半導(dǎo)體界面 (例如 Pt / Si, “肖特基勢壘”)
·本征摻雜過渡 (例如 Si p型至n型摻雜過渡, PN結(jié))
·異質(zhì)結(jié) (例如 n-AlGaAs / p-GaAs)
·半導(dǎo)體-絕緣體界面 (例如 Si / SiO2)
·絕緣體-金屬界面 (例如 SiO2 / Al)
圖1.4丨The essential building blocks of all semiconductor devices, Silicon Earth
為什么說晶體管是器件實現(xiàn)功能的第一要素？這需要從信號的傳輸?shù)乃p以及晶體管的增益（或者說“放大”）角度分析。
基本上，自然界存在的所有電信號都是會衰減的，也就是說，當(dāng)電信號（比如計算機(jī)中的“0”和“1”）從A點傳輸?shù)紹點時，信號幅度必然會減小直至信號丟失。但是，當(dāng)我們向晶體管提供一個衰減的輸入信號時，晶體管能夠產(chǎn)生較大幅度的輸出信號（即“增益”），因此衰減的電信號就被晶體管“再生”了，這就是所有電子產(chǎn)品的基本概念。當(dāng)晶體管被用作信號增益源時，我們將其稱作“放大器”，放大器在所有電子系統(tǒng)中無處不在。
晶體管除了作為放大器，它還可以用作微型的“軟開關(guān)”，一個沒有損耗的開關(guān)。為什么沒有損耗這么重要？我們來假設(shè)這樣的一臺微處理器，通過這個微處理器的計算路徑，需要經(jīng)過1,000,000個二進(jìn)制開關(guān)才能實現(xiàn)給定的二進(jìn)制邏輯計算，那么即使每一個二進(jìn)制開關(guān)都造成了很小的損失，那么放大1,000,000倍之后就會構(gòu)成無法接受的損耗了，那么我們的邏輯“1”或“0”的信號通過這個傳輸最后將會在背景噪聲中丟失。但是，如果我們使用了具有增益的晶體管的二進(jìn)制開關(guān)來實現(xiàn)計算，那么每個開關(guān)都可以有效保持信號，那么通過數(shù)百萬的邏輯門傳輸之后，信號幅度仍然可以保持在背景噪聲水平之上。
簡而言之，晶體管具有兩種基本功能：(1)放大器, (2)軟開關(guān)。這兩種基本功能的核心都取決于晶體管的增益能力。
那么問題來了——晶體管的增益從何而來？要回答這個問題，我們首先需要了解下PN結(jié)。
那么，PN結(jié)實際上是如何工作？我們可以通過能帶圖直觀理解半導(dǎo)體器件的工作原理。n型半導(dǎo)體是多電子少空穴結(jié)構(gòu)，相反p型半導(dǎo)體是多空穴少電子，如果我們將n型和p型半導(dǎo)體進(jìn)行緊密的電接觸，實現(xiàn)電子與空穴在n與p之間的自由交換，最終的平衡能帶圖將如圖所示，此時平衡條件下結(jié)點凈電流為零。
圖2.1丨PN結(jié)能帶圖, Silicon Earth
實際上，半導(dǎo)體中的電荷移動有兩種方式：(1)漂移，其驅(qū)動力是電電場；(2)擴(kuò)散，其驅(qū)動力是載流子密度梯度。當(dāng)擴(kuò)散和漂移過程完全平衡且凈電流密度為零時，PN結(jié)達(dá)到平衡狀態(tài)。處于平衡狀態(tài)的PN結(jié)由一個中性n區(qū)域和一個中性p區(qū)域組成，這些區(qū)域被寬度為W的空間電荷區(qū)域隔開，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了電容器（導(dǎo)體/絕緣體/導(dǎo)體），中間W區(qū)域存在一個內(nèi)電場，可以進(jìn)一步阻礙電子和空穴的移動，從而使PN結(jié)處于平衡狀態(tài)。
平衡狀態(tài)下，又是如何打破平衡使電流流過結(jié)面W？我們想到的就是打破平衡電壓，通過增加p區(qū)電壓，發(fā)生“正向偏置”，電流從p區(qū)向n區(qū)流動，但是當(dāng)通過增加n區(qū)電壓時，由于W區(qū)內(nèi)電場的存在，有效阻止了電流的流動，這種情況稱為“反向偏置”。（請大家記住偏置的概念與作用！）
有了正向偏置與反向偏置的不同效果，PN結(jié)因此可以形成一個固態(tài)開關(guān)（也成為“二極管”），即施加相同極性電流，電流流動，施加相反極性電流，沒有電流流動。Shockley、Bardeen and Brattain很大程度也是因為解釋了這個現(xiàn)象而獲得的諾貝爾物理學(xué)獎。
圖2.2丨1956年諾貝爾物理學(xué)獎
正是PN結(jié)這個正反偏置的不同特性，使得它如此有用。在功率電子器件中，二極管提供了“阻斷”電壓的功能。二極管還可以用作“整流器”，將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。最后，二極管還可以發(fā)射和檢測光信號。然而，二極管無法提供增益，這就是為什么我們不從二極管電阻邏輯構(gòu)建微處理器的根本原因。但是，從晶體管的角度看，通過n-p結(jié)作為電子注入器再與p-n結(jié)的搭配，可以實現(xiàn)具有增益的雙極結(jié)型晶體管BJT，俗稱三極管。
Urge 科普——BJT vs. FET
還記得上面提到的“正向偏置”與“反向偏置”嗎，合理偏置PN結(jié)就可以產(chǎn)生電流驅(qū)動了。在這里，通過使“發(fā)射極E-基極B”正向偏置，“集電極C-基極B”反向偏置來實現(xiàn)獲得穩(wěn)定的大電流，除了合理偏置電壓，還有兩個前提條件需要實現(xiàn)：(1)對發(fā)射極E進(jìn)行摻雜，使得它的電子濃度遠(yuǎn)大于基極電子濃度，當(dāng)EB正向偏置時，實現(xiàn)E到B大電子流，同時也抑制了從B到E的空穴流，當(dāng)然這個摻雜濃度是可以調(diào)控的，也就意味著實現(xiàn)的電流大小也是可以調(diào)控的。(2)使基極足夠薄，以免中心區(qū)域過厚導(dǎo)致電子流在基極復(fù)合而無法順利到達(dá)集電極C，電流也就被中斷了，目前厚度在幾百納米范圍。具備這些條件，我們就可以成功造出來NPN-BJT。當(dāng)然我們也可以通過p與n極性的對調(diào)，獲得PNP-BJT。
不妨接著看看構(gòu)造的NPN-BJT具體工作邏輯是怎么樣的？（1）反向偏置的CB結(jié)電流可以忽略不計；（2）正向偏置的EB結(jié)從發(fā)射極E注入許多電子到基極B，同時這些電子穿過很薄的基極B并在集電極C聚集，從而產(chǎn)生了從E到C的大電子流。但是由于對E做了大量摻雜，但基極的空穴數(shù)量要比發(fā)射極的電子數(shù)量少的多，也就是正向電子電流大，而反向空穴電流小，即：輸入基極電流小，輸出集電極電流大。這不就是我們一直追求的電流增益嗎？
圖3.2丨雙極二極管中基極、集電極、發(fā)射極的電流相對貢獻(xiàn)，Silicon Earth
有了這些理論依據(jù)，不妨就來看看如何制造一個雙極型二極管BJT（也稱“三極管”）。圖示展示了一種簡單的結(jié)構(gòu)，這是BJT直觀的工作方式。在平衡狀態(tài)下，電子從發(fā)射極E注入基極B存在著一個很大的勢壘。通過正向偏置EB結(jié)，反向偏置CB結(jié)，可以使得EB勢壘降低，使得大量電子從E注入到B。同時由于B非常薄，CB結(jié)被反向偏置，這些注入的電子將擴(kuò)散穿過基極，沿CB結(jié)的勢壘滑下，并在C極收集，產(chǎn)生從E到C的大電子電流。同時，由于摻雜不對稱，在EB結(jié)中，只有少量的空穴從B注入E，以支持正向偏置EB結(jié)電流。最終結(jié)果就是，小電流IB引起了大電流IC。
圖3.3丨雙極型二極管簡單結(jié)構(gòu)，Silicon Earth
通過上面的分析發(fā)現(xiàn)，電流增益是一個可調(diào)參數(shù)，其中IC就包含了IB的電流增益。接下來通過BJT的電流-電壓特性曲線，來分析器件在不同電壓偏置條件下的工作狀態(tài)：(1)線性區(qū)（EB結(jié)正向偏置，CB結(jié)反向偏置）；(2)飽和區(qū)（EB和CB結(jié)均正向偏置）；(3)截止區(qū)（EB和CB結(jié)均反向偏置）。在截止區(qū)和飽和區(qū)之間切換時，BJT的電流通路將被斷開閉合切換，BJT將成為出色的零功耗軟開關(guān)，切換時間可以得到十萬億分之一秒（10皮秒），“基極穿越時間”是整個切換時間的最長路徑，所以基極的薄不但可以提高電流增益，在切換速度上也提供了優(yōu)越的性能。
圖3.4丨雙極型二極管電流I-電壓V特性曲線，Silicon Earth
BJT具有的可調(diào)增益功能，是實現(xiàn)器件應(yīng)用的關(guān)鍵功能，可以用作各種放大器以及無觸點二進(jìn)制開關(guān)。在放大器方面應(yīng)用：(1)電流放大器；(2)電壓放大器；(3)跨導(dǎo)放大器；(4)跨阻放大器。二進(jìn)制開關(guān)的應(yīng)用主要是基于BJT中通過控制輸入IB對電流導(dǎo)通以及關(guān)斷，引起IC的電流有無（此處會有增益），從而監(jiān)控電路中VCE電壓的大小，來實現(xiàn)邏輯信號的控制傳遞。
最后，擊穿電壓也是改善高速和高頻特性的關(guān)鍵晶體管參數(shù)，在截止頻率和擊穿電壓之間存在一個基本的權(quán)衡——“約翰遜極限”，以實現(xiàn)速度與工作電壓之間的權(quán)衡。
異質(zhì)結(jié)雙極晶體（HBT）的基本概念最早來源于Shockley的BJT專利，隨后1957年由Kroemer進(jìn)行理論的完善。異質(zhì)結(jié)的重要性在于實現(xiàn)了帶隙寬度的調(diào)節(jié)，而寬帶隙的發(fā)射極可以在空穴從基極注入發(fā)射極的過程中創(chuàng)建一個較大的勢壘，從而增加電流增益，許多III-V族化合物半導(dǎo)體（例如，GaAs或InP）憑借其成分可調(diào)的帶隙寬度可控，已成功應(yīng)用于HBT中。
雖然基于硅和鍺的帶隙調(diào)控想法很早就被提出來，但是硅和鍺的晶格常數(shù)相差約4.2%，在硅上生長的SiGe薄膜容易受壓縮產(chǎn)生應(yīng)變，使得這個技術(shù)的應(yīng)用難度加大。直到1980年代后期，通過外延生長技術(shù)才實現(xiàn)了第一個SiGe 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，至此SiGe HBT得到迅速發(fā)展。
圖5.1丨SiGe HBT截止頻率和最大振蕩頻率的發(fā)展歷程, 1999-2011.
使用SiGe HBT，截止頻率和最大振蕩頻率可以上升到300GHz以上。利用這種“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)”技術(shù)制造出的快速晶體管，目前已在衛(wèi)星無線電通信和移動電話基站上得到應(yīng)用。利用該技術(shù)制造出的激光二極管，也廣泛應(yīng)用于條形碼閱讀儀和光盤播放機(jī)等產(chǎn)品。另外，“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)”技術(shù)還可用于制造發(fā)光二極管。
2000年，諾貝爾物理學(xué)獎授予俄羅斯科學(xué)家澤羅斯·阿爾費羅夫和美國科學(xué)家赫伯特·克勒默和杰克·基爾比。瑞典皇家科學(xué)院指出，由于他們“發(fā)明了快速晶體管、激光二極管和集成電路”，從而為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
圖5.2丨2000年諾貝爾物理學(xué)獎
2014年，Isamu Akasaki、Hiroshi Amano、Shuji Nakamura獲獎。獲獎理由是“發(fā)明了高效藍(lán)光二極管，帶來了明亮而節(jié)能的白色光源”。其中的藍(lán)光LED就是InGaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，完善了全色顯示。
圖5.3丨2014年諾貝爾物理學(xué)獎
雙極晶體管，憑借其電流增益以及開關(guān)特性，成為了構(gòu)成所有電子電路與設(shè)備的核心基礎(chǔ)。通過對pn結(jié)二極管的電子空穴擴(kuò)散分析，可以通過背對背組裝（P-N-P或N-P-N），實現(xiàn)雙極結(jié)型晶體管BJT，打破平衡態(tài)從而實現(xiàn)器件的電流增益以及開關(guān)特性，同時可以通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及摻雜控制來調(diào)節(jié)BJT器件的性能。而異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計更是實現(xiàn)了帶隙寬度調(diào)控，進(jìn)一步實現(xiàn)了器件對高速以及高頻的核心需求。
雙極晶體管的發(fā)明使得我們的世界發(fā)生了深刻的變化，比如在計算機(jī)處理速度，實時信號處理，移動通信，成像以及低噪聲和高頻放大需求等方面都產(chǎn)生了無與倫比的作用。當(dāng)然，也正是人類的這些需求驅(qū)動力在持續(xù)推動新一代器件以及新一代半導(dǎo)體材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的活躍發(fā)展。
當(dāng)然了，所有的理論研究都是應(yīng)該服務(wù)于人類需求的，而所有的產(chǎn)品設(shè)計也都需要產(chǎn)業(yè)制造去實現(xiàn)其背后的價值。
最后，引用一張制作簡單pn結(jié)的基本步驟作為結(jié)尾：
圖6.1丨pn結(jié)簡單制作過程，半導(dǎo)體器件與物理
