文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

在每一顆芯片的內(nèi)部，數(shù)十億個晶體管如同高速開合的微型水閘，構(gòu)成數(shù)字世界的最小邏輯單元。以NMOS為例，我們將揭開它如何依靠電場控制電子流動，在“關(guān)斷”與“導(dǎo)通”之間瞬間切換，并以此寫下計算的語言。

在芯片世界的心臟——中央處理器里，數(shù)十億個微小的“開關(guān)”正以每秒數(shù)十億次的速度開合，執(zhí)行著復(fù)雜的計算。其中最重要的一種開關(guān)，就是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。今天，我們就以NMOS為例，揭開它如何像一道精密的“水閘”一樣，通過電壓控制電流通斷的秘密。

NMOS的“三明治”與“水渠”

想象一個微縮的“三明治”和一道“水渠”：基底是一塊特殊的P型硅“土地”，本身富含帶正電的“空穴”；源極與漏極是土地上兩個充滿自由電子的N型“水池”；柵極是橫跨上方的“控制閘門”，由金屬和一層極薄的絕緣二氧化硅構(gòu)成；溝道則是源漏之間土地表層的狹窄“水渠”。

這個結(jié)構(gòu)的核心在于：通過改變“閘門”（柵極）上的電壓，來控制“水渠”（溝道）的導(dǎo)電性，從而決定兩個“水池”之間是否能有電流通過。

狀態(tài)一：累積態(tài)

閘門關(guān)閉，水渠干涸（完全關(guān)閉）

當(dāng)柵極沒有加電壓或加負(fù)電壓時，柵極的負(fù)電壓像一臺“吸塵器”，將“土地”表層本來就稀少的自由電子排斥走，同時吸引更多的帶正電“空穴”聚集到表面。源極和漏極兩個“電子水池”之間，被一段充滿正電荷、幾乎沒有自由電子的“土地”完全隔開。電子無法通過，晶體管處于可靠的“關(guān)斷”狀態(tài)。

狀態(tài)二：耗盡態(tài)

閘門微啟，抽干水分（臨界狀態(tài)）

當(dāng)柵極開始施加一個較小的正電壓但未達(dá)到閾值時，柵極的正電壓開始像“抽水泵”一樣工作，將“土地”表層的正電荷“空穴”逐漸排斥走，形成一層幾乎沒有可移動電荷的耗盡層。兩個電子水池之間仍然被這個絕緣層阻擋，電流依然無法形成。此時晶體管處于開啟的邊緣，是從關(guān)到開的臨界點。

狀態(tài)三：反型態(tài)

閘門全開，水渠通流（強導(dǎo)通）

當(dāng)柵極電壓超過關(guān)鍵值——閾值電壓時，強大的柵極正電壓成為“強力磁鐵”，開始從源極和漏極的“電子水池”中，強力吸引大量的自由電子到溝道表面，其濃度甚至超過了原來的正電荷“空穴”。原本是P型的硅表面，反轉(zhuǎn)為富含自由電子的N型層，形成一條導(dǎo)電溝道，將源極和漏極連通。此時在源漏之間加上電壓，電子就能沿著這條“反型”溝道順暢流動，晶體管進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。

一個NMOS晶體管的工作過程完美詮釋了“場效應(yīng)”的精髓：用一個絕緣柵極上的電場，去間接地控制半導(dǎo)體溝道的導(dǎo)電類型和電流大小。

當(dāng)柵壓為負(fù)時，表面累積空穴，器件關(guān)斷；當(dāng)柵壓為正但不足時，表面耗盡，依然絕緣；當(dāng)柵壓超過閾值時，表面反型，形成電子溝道，器件導(dǎo)通。正是這數(shù)十億個微小的晶體管，以納秒級的速度在“開”與“關(guān)”的狀態(tài)間切換，用“0”和“1”的基本語言，構(gòu)建了我們整個數(shù)字世界。從手機觸屏響應(yīng)到超級計算機的復(fù)雜模擬，其最底層的物理基石，都始于這一道精巧電壓控制之下，電子之河的“干涸”與“涌流”。