前段時間有人問我，晶體管是什么？它又是怎樣制造出來的？這讓我一時難以回答。因為要回答的這個問題有些復雜，今天我們就來談談什么是晶體管，晶體管又是怎么制造出來的。
晶體管是二極管、三極管、場效應管等元器件的統稱。它是一種用來對電路信號進行處理的元件，當然電路光有晶體管不行，還得要其他元件配合才能完成一定的電路功能。下面我就來談談晶體管的制造過程:
半導體
所謂半導體，它指的是一種導電性能介于導體與絕緣體之間的一種物質。不過實際上，我們需要的半導體卻并不是單純指的不太導電的半物體。象那種在絕緣體里摻有導電物質的半物質，是不能拿來做晶體管的。用來制造晶體管和集成電路的半導體，主要是指碳族元素。比如：硅和鍺。硅和鍺是制作半導體的一種最重要的材料。此外，砷化鎵、磷化鎵、硫化鎘、硫化鋅以及一些金屬的化合物等都是半導體。不過用途最廣的還是硅半導體。今天就以硅半導體為例，來討論一下晶體管的原理和制造過程。
碳簇元素
碳簇元素在元素周期表中屬第四主族元素，該族元素的最外層都有四個電子。根據研究發現，原子最外層電子數最多為8個。并且最外層電子數為8個時，原子達到最穩定狀態。元素周期表中的第八主族元素最外層電子數就是8個，所以這第八主族的元素都屬于隋性元素。而如果原子的最外層電子數少于4個，那這種原子就比較容易失去電子達到穩定結構。并且電子數越少，就越容易失去最外層電子。而如果某原子的最外層電子數大于5個，則這種原子就容易得到電子達到穩定結構。并且，最外層電子數越多（5-7個），則越容得到電子達到穩定結構。而碳簇元素則是一種最為特殊的元素，它的最外層電子數為4個。它們二個原子之間，采用將八個電子為二個原子共有的結構。這個結構，我們稱之為共用電子對。這也是一種相對比較穩定的結構。
硅的冶煉
硅是一種最重要的半導體材料，我們平常用的晶體管及各種集成電路，基本上都是用硅做為主要材料制造的，CPU當然也不例外。硅元素是世界上含量最多的元素之一，它在地殼中的含量為26.30％，僅次于氧（48.60％，也有人認為是48.06％），排列第二名。平常我們看到的水泥、泥土、砂子、石頭、石英等都是硅的化合物。
雖然硅的化合物腳底下就是，但用來冶煉單晶硅卻并不會用泥土來冶煉。其原因很簡單，一方面我們需用的單晶硅量不是很大，我們不需要用遍地都是的泥土來冶煉。另一方面，泥土中所含的其他雜質多，而且用泥土冶煉單晶硅工藝復雜，提純困難。所以一般工業上都采用石英砂及石英來冶煉單晶硅。我們平常在河邊看到的那種白色半透明的石頭就是石英，石英的主要成份是二氧化硅。
硅的冶煉分為粗煉與精煉：粗煉方法用的是還原法。主要采用大功率電爐將石英、石油焦和煙煤放在爐內進行冶煉。反應方程式： SiO2 + 2C → Si + 2CO↑，其中碳的來源主要為石油焦和煙煤。具體冶煉方法這里就不介紹了，有興趣的朋友可以參考與之相關的文章。
硅的精煉：用還原法生產的硅，一般純度都不高，只能用于一般的工業用硅。為了讓硅達到電子級別的高純度硅，還需進一步提純。目前用于集成電路的單晶硅主要采用化學方法，如西門子法（三氯氫硅還原法），就是其中的一種主要方法。這種方法是鹽酸（HCl）與經過研磨的粗硅在高溫下進行反應，生成SiHCI3，然后再對形成的SiHCI3進行化學提純，最后達到電子級多晶硅。硅的提純原理并不是很復雜，但由于電子級別的硅對純度要求極高，目前要求的單晶純度為99.999999999％～99.99999999999％。因此，硅的整個提純過程是非常復雜的。
經過化學方法提純，硅的純度問題解決了，但這還不是單晶硅，要讓硅（多晶硅及無定形硅）變為單晶硅還需要用一些特殊方法。目前采用的方法有直拉法（CZ）、懸浮區熔法（FZ）和外延法。限于篇幅，在這里我就不再介紹了。
單晶硅的成品一般都是圓柱形，圓柱形的單晶硅經過切片后，就是制造集成電路及晶體管的原料了。也正因為單晶硅的形狀是圓形，所以也叫晶圓。
晶圓之所以制成圓柱形，是因為單晶硅是用多晶硅或無定向硅在熔融狀態下“拉”出來的。而拉出來的單晶硅由于物質本身張力關系，自然就會形成圓柱形，就象讓一滴水讓它自由落下時，不管它在落下前是什么形狀，但在空中經過一段時間后就會變成圓球形。多晶體在拉成單晶硅的過程中也一樣，它在拉的過程中自然而然就就會變成圓柱形。雖然將單晶硅拉成方形，利用率可能會更高，但目前還沒有什么好方法。其實最重要的原因，我想還是沒有這個必要吧，因為，晶圓的邊角料還可以用來制造其他的產品。
滲透原理
為了說清二極管和三極管原理，我們先來做一個實驗。在一瓶水中滴入一滴墨水，即使我們不再攪動它，經過一段時間的放置，整瓶水也會全部變成墨水的顏色。這是因為在流體中，物質高濃度高的一方總是會向著物質低濃度的一方進行滲透擴散。在水中，墨水的濃度是低濃度，而水的濃度為高濃度，所以水就往墨水中滲透。而在墨水中，水的濃度是低濃度，墨水的濃度為高濃度，所以墨水就往水中滲透。
摻雜
經過切片后的單晶硅并不是接上線就能成為集成電路和三極管的，而是要經過很多個工序才能最終完成。第一道工序就是摻雜，也許你要懷疑我是不是說錯了？好不容易將硅提純到世界上最純的單質，現在竟要摻入雜質？我沒說錯，事實確實如此。為了制成二極管、三極管，摻雜是絕對必要的。現在我們就來看下二極管、三極管是怎么做成的。
PN結
上面說過經過切片后的單晶硅需要摻入雜質，但雜質不等同于垃圾，此雜質也非單晶硅提純前的彼雜質。用于二極管、三極管集成電路的單晶硅，摻入的是高純度單質磷和高純度的單質硼。摻雜的方法目前普遍用的是擴散法，摻雜的量也是需要嚴格控制的，不能多也不能少。否則就會影響元件的性能，甚至成為廢品。
在一塊單晶硅摻入磷（當然也可摻入砷等其他五價元素）后，就形成了N型半導體。由于磷是五價的，也就是說磷原子的最外層有五個電子。這五個電子跟相鄰的硅原子最外層的四個電子形成共價鍵后，還多一個電子，而這個多出來的電子與磷原子和硅原子的結合力就會弱很多。所以，這個多出來的電子就成為比較容易移動的“自由電子”。這樣一來，這塊半導體的導電性能就大大地增強了。我們再用相同的方法，在另一塊單晶硅中摻入三價的硼原子，摻有硼原子的半導體就是P型半導體。由于P型半導體中的硼原子最外層只有三個電子，這三個電子與相鄰的硅原子形成共價鍵時少一個電子。這樣，這個原子就形成了一個空穴，而這個空穴容易從其他原子中得到一個電子。但這樣失去電子的原子又形成了空穴，這樣，這些空穴也跟自由電子一樣變成了一個“自由空穴”。
二極管
將上面P型半導體與N型半導體合在一起，就形成了一個PN結，將這個PN結加上引線（歐姆接觸）就形成了一個二極管。
二極管的工作原理
當P型半導體與N型半導體合在一起時（參看圖1），由于P型半導體中存在很多空穴，而N型半導體中有很多自由電子。當它們結合在一起時，N型半導體中的電子濃度高。根據滲透原理，N型半導體中的電子就會向P型半導體中擴散。擴散的結果就是原本不帶電的N型半導體帶上了正電，而原本不帶電的P型半導體帶上了負電（如圖2）。帶電的結果，就使得這個PN結之間形成了電場。正是由于這個電場的存在，使得電子的擴撒運動不斷減緩（同性相引，異性相斥）。這樣擴散運動經過一段時間后就會停止，當然實際上并不是完全停止，而是仍有一極少量的電子繼續擴散。這是因為，在P半導體中與N型半導體結合的邊緣，由于受到熱運動和各種射線（包括各種可見光線）的影響，使得P半導體內部的少量電子，被加速后逃離原位置而進入電場中。進入電場中的電子受到電場的作用使得電子向N型半導體方向移動，我們把這種電子運動稱之為漂移運動，而漂移移動的結果又使得擴散運動得以繼續進行。當電子的擴散運動與電子的漂移動達到動態平衡時，就處于穩定狀態。由于漂移運動是P型半導體中的少數載流子，所以由漂移形成的電流是很小的。什么是少數載流子？所謂的少數載流子就是指如果在這塊半導體中主要靠電子運動形成電流的（如N型半導體），那這塊半導體中電子就是多數載流體，而空穴就是少數載流子，反之則反。
二極管的單向導電性
用上面方法制成的二極管，具有單向導電性，這種特性使得通過二極管電流只能向一個方向流動。
下面我們來分析二極管的單向導電原理
參見（圖2）當P型半導體接上負載后與電源的正極相連，N型半導體與電源的負極相連時。電源負極中的電子在電源的作用下，流向N型半導體并與N型半導中的正離子復合。同樣，P型半導體中的電子，在電源的作用下，流向電源正極，與電源內部的正離子復合。這樣半導體PN結的內部的電子、離子經過復合后，其內部的空穴、電子濃度又增加了。濃度增加的結果使得擴散運動又繼續進行，這時半體導就處于導通狀態。
當N型半導體接上負載后接電源的正極，P型半導體接上負載后接電源負極，情況又是怎樣的呢？在P型半導體中，電源的電子通過電極與P型半導體的原子型成了共介鍵。而N型半導體同樣也會因失去電子而形成共介鍵，這樣就相當于整個PN結變厚。變厚的PN結對電子的流動具有阻擋作用。在正常電壓下，電源的電子是無法通過增厚后的PN結的。因此，可以說這時的PN結是不導通的。不過，由于熱運動射線等影響，PN結還是會有一個極小的電流產生。這個電流就是反向電流，一般反向電流很小，正常情況下可以忽略不計。
三極管
三極管的結構實際上就相當于二個背靠背二極管（如圖），不過用二個背靠背的二極管
是不能當成三極管使用的。這是因為，三極管內部的結構與二個背靠背的二極管還是有區別的。我們再來看一下三極管是怎樣工作的：
要使三極管能夠正常工作，就必須正確地連接其電路。上圖就是一個三極管放大電路的基本原理圖。圖中如果EB電壓為0時，三極管則處于截止狀態。因為，這時C區與B區的PN結處于反偏狀態（跟上面二極原理相同）。當EB加上合適電壓后，由于E區和B區的PN結處于正向偏置，這時PN結處于導通狀態。導通后的PN結E區的電子就會不斷地擴散到B區，由于三極管在制造時，把B區造得很薄，這樣擴散到B區的電子就很容易擴散到C區邊緣，而擴散到C區邊緣的電子就會在C極電源的作用下形成電流，這時三極管的EC極就處于導通狀態。另外由于BE結及CE結的接觸面較大，因此CE區形成的電流也較大。這就是三極管的放大原理。上面說的就是NPN型三極管，除NPN型三極管之外，還有PNP型三極管，它們的原理都是相同的，這里就不再重復了。
場效應管
場效應管也屬于晶體管一類，只是場效應管與上面所說的NPN型和PNP型三極管略有不同，NPN型和PNP型三極管屬于雙極晶體管，而場效應管屬單極型晶體管。限于篇幅關系，這里我就不再多說了。