晶体管和闪存设备：魔鬼物理学2的精彩成果！

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：绝缘体两侧的金属电极中都有过量的自由电子，在它们与P型半导体发生电接触的位置形成了有效的PN结。图17-1一个简单的晶体管结构示意图（图a）。因此，当有正电压施加在一个P型半导体上时，半导体接近绝缘体的区域传输电流的能力将会显著增强。这块集成电路在一块硅晶片上集成了5～10个晶体管。这一预测的精确性甚至令摩尔本人感到吃惊，到2010年，一块硅晶片上的晶体管数量可能超过10亿个。然而，晶体管为微小扰动

二极管的发明是人类进入半导体时代迈出的重要一步，第二个重大进步也是由贝尔实验室驱动的，这就是晶体管的发明。晶体管内包含两种不同的结构：一种是将另一个N型半导体添加到一个PN结上（制成一个NPN器件），另一种是更容易理解的场效应器件。接下来，我要讨论的是场效应结构，因为这有助于我们理解闪存记忆棒（也被称为USB）的工作原理。

本章的论述并不取决于半导体材料是N型还是P型，不过为简明起见，我们选用一个P型半导体。想象一块半导体矩形板，比如硅，如图17-1（a）所示，其长度和宽度均大于它的厚度。我们在半导体顶部放置一个与半导体的接触面积较小的绝缘体，比如二氧化硅，其晶体形态被称为“石英”，其无定形态被称为“玻璃”。半导体上表面的两端各有一个金属电极，不与绝缘体接触。在一个电极上施加电压，产生的电流将通过半导体并从另一个电极流出。这是在一定电压下测量通过某种材料的电流的一种方法，在电流通过半导体的过程中，绝缘体不起任何作用。绝缘体两侧的金属电极中都有过量的自由电子，在它们与P型半导体发生电接触的位置形成了有效的PN结。如果我们试图使电子流过掺入了化学杂质的P型半导体材料，PN结将导致电流在半导体中的移动变得异常艰难。现在，为了将这个元件制成晶体管，我们把一层金属放在绝缘体的顶部。如图17-1（a）所示，在半导体顶部有两个彼此分开的金属电极，它们之间有一个绝缘体，在绝缘体板顶部是另一个金属电极。这样一来，我们就制成了一个场效应晶体管[1]。

图17-1　一个简单的晶体管结构示意图（图a）。半导体顶端的两个金属电极的作用是让电流通过器件，一块薄绝缘体（如玻璃）被置于它们之间，其上方还有一个金属电极。若正电压被施加在栅极上，正电荷就会在绝缘体上方聚集，将半导体中的电子吸引到绝缘体下方的区域（图b）。这些电子会增强半导体传输两个金属电极间的电流的能力，栅极电压使电流变得更大

如果我们对绝缘体上面的金属电极施加正电压，会发生什么呢？由于这个金属电极与不导电的绝缘体相接触，所以电荷只能停留在金属上，没有其他地方可去。但是，由这些电荷形成的电场会透过绝缘体延伸到半导体中。与绝缘体相比，半导体的导电性尽管不像金属那样优良，但也是一个不错的导电体。电子会被电场拉向“绝缘体—半导体”交界面区域。在没有电压的情况下，金属呈电中性，没有任何因素可以将半导体中的任何电子拉向这一区域。如果在绝缘体上施加电压，正电荷将在绝缘体顶端聚集，在半导体中将会形成一个连接半导体两端金属电极的电子通道［如图17-1（b）所示］。这将减弱金属电极接触半导体所形成的每个PN结的电场，而半导体传输电流的能力将会大大提高。从某种意义上讲，绝缘体顶端金属上的正电压为电子的流动打开了一扇门。在绝缘体上施加负电压则会将电子推离“绝缘体—半导体”交界面，电子流动的能力变弱（在这种情况下，门被关闭）。因此，晶体管为我们提供了一种在栅极上施加一个小的电压，就能显著地改变并增大通过半导体的电流的新方式。

在上一章中，我们讨论了PN结的内电场对于半导体中能带的影响，改变电场会改变由薛定谔方程计算出的量子能量态。如果不施加电压，P型半导体上就会有额外的电场，可流动的电子也会很少。如果在绝缘体上施加正电压，就会改变乐池和包厢的量子能量态，这种改变在半导体接近绝缘体上正电荷的区域表现得最为明显。在接近绝缘体的区域，电子受热激发跃迁至包厢。因此，当有正电压施加在一个P型半导体上时，半导体接近绝缘体的区域传输电流的能力将会显著增强。通过这个器件的电流对栅极电压的敏感度，是由充满电子的乐池和空的包厢的量子能量态的变化引起的，固体的相关量子理论可以对此做出解释。

如果施加在绝缘体上的电压随时间而改变（以天线接收到的弱无线电信号为例），那么通过半导体的电流也会随时间而变化，并产生放大电压信号的效果，启动扬声器，使人们听到无线电信号。凭借这种放大功能，这些晶体管元件最早被用于晶体管收音机和电视机等领域，取代了真空管，使得这些电子消费品变得更加轻便小巧。

通过加热金属线直到使它内部的电子“汽化”，真空管可以实现与晶体管类似的功能。施加在显示屏上的电压会将这些自由电子吸引到一个集电器上；根据电压的变化，这些电子会向着集电器加速运动，或从集电器反射回来；为了最大限度地减少由空气分子导致的电子束的散射，应该除去管内所有的空气。但是，这样的装置笨重易碎，功耗大，产生大量的热（因此，它们之间必须有一定的间隔），而且造价高昂半导体晶体管能够完成相同的任务，却不需要用真空玻璃管。这种元件设计紧凑，坚固耐用，产生的废热少；仅有的限制表现在绝缘体的构造、金属电极的应用，以及将该元件接入电路的巧妙设计等方面。

如果能使晶体管小型化，就能将几个晶体管安在单个硅片上。通过改变为半导体提供额外电子或空穴的化学杂质的浓度，以及放置其他金属电极和绝缘体的方式，可以将二极管、电阻、电容连同晶体管一起集成到一个半导体上。这样一来，一个复杂电路的各种元件就可以被整合到一个半导体芯片上。1958年，也就是未知挑战者团队与机器人ULTIVAC一较高下的一年后，罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比分别独立设计和制造了世界上第一块集成电路。这块集成电路在一块硅晶片上集成了5～10个晶体管。我在本书的引言部分提到了摩尔定律，即一块集成电路上的晶体管数量每两年增加一倍。这一预测的精确性甚至令摩尔本人感到吃惊，到2010年，一块硅晶片上的晶体管数量可能超过10亿个。对计算机微处理器中的晶体管数量进行的统计表明，在一所普通大学的校园里，晶体管的数量多于银河系中的恒星。

这些晶体管可以放大信息，比如增强手机中微弱的电磁波信号，但它们的作用不仅限于此。它们也能存储和操控信息。当一个大的正电压被施加在绝缘体栅极上时，半导体的电流输送能力会显著增强。移除这一电压，半导体会回到较差的导电状态。第一种情形可以被表示为“1”，第二种情形可以被表示为“0”。在上一章中我们讨论过，DVD和CD都能够用一系列“1”和“0”编码复杂的信息，集成电路上的晶体管也有类似的功能。然而，晶体管为微小扰动下的极端敏感性提供了可能。科研实验室中已经制成了尺寸小于100纳米的晶体管，根据在栅极上所施加电压的情况，可以探测到单个电子的运动情况。晶体管可以被用作计算机中控制“开”或“关”状态的逻辑元件，据此可以制造出由单个电子的运动来控制“开”或“关”状态的晶体管。

用仅由两个字母组成的文字系统创作出复杂的文学作品，这可能会令人惊奇。但如果在词的长度方面不加任何限制，这一文字系统将会有足够的灵活性去进行最复杂的数学运算。对于二极管和晶体管如何组合起来实现多种逻辑功能，以及构成这些逻辑运算基础的布尔数学体系，应专门著书详述。尽管如此，我还是想讨论一下晶体管结构方面的一项改进，它已然改变了我们的日常生活。

计算机信息的长期存储是通过磁盘驱动器来实现的。磁盘以磁畴来标记“1”和“0”：指向一个方向的磁场被记作“1”，指向另一个方向的磁场被记作“0”。[2]一个外加磁场可以极化磁盘上的区域（“位”），并写下编码信息的“1”和“0”的序列。将一个更小的磁性传感器（一个层状的金属结构，它的电阻对外加磁场非常敏感）放置在磁盘附近。如果一个“位”的磁场指向一个方向，传感器将会产生一个电阻值；如果“位”的磁场指向相反方向，则会产生另一个电阻值。磁盘就像DVD或CD一样，以超过每分钟5000转的速度旋转传感器刚好位于磁盘驱动器的上方，它们之间的距离相当于人类头发直径的1/100。为了存储更多的信息，磁盘上单个“位”占据的区域越来越小。这样的磁力装置无须外接电源即可存储信息（一旦“位”被磁化，所有“位”的磁化方向都相同），而且故障率较低（尽管人们担忧磁盘驱动器会崩溃，但就其耐用程度而言，这种存储媒介是非常可靠的），这是对工程师们高超技艺的证明。

晶体管也能存储信息。如果不在栅极金属上施加电压，半导体的导电性就会较差（记作“0”）；而施加正电压时，半导体的导电性较强（记作“1”）一旦外加电压被移除，电路中的所有晶体管在默认情况下都会回到它们的弱导电状态。(www.chuimin.cn)

怎样才能使具有强导电性的晶体管通道得以保持，也就是说，在外电压被移除后，防止“1”变成“0”？闪存设备在我们之前描述的场效应结构上增加了一个很小的褶皱。相较标准的场效应晶体管结构，闪存设备在绝缘体中距离半导体上表面很近的位置上增加了第二个金属电极。因此，这个器件现在包括：一个金属栅极，一层薄薄的绝缘体，另一个薄金属电极，以及位于半导体上部的一层薄薄的绝缘体。

那么，第二个薄金属电极的作用是什么呢？如果半导体上表面的左右两个电极发生短路，再在栅极金属上施加一个大的电压，电荷就可以通过量子隧穿到达绝缘体内部的这个电极。该电极不与任何外接导线相连，因而被称为“浮栅”。浮栅可以是一层薄金属，也可以是一层硅纳米晶，这些硅纳米晶必须彼此分开，电荷才能保持在硅纳米粒子上而不会移动到其他地方。带电的浮栅在半导体中产生了一个电场，这个电场会影响电流传输通道，即使栅极上的电压被移除，晶体管元件也将保持“强”或“弱”的导电状态（即被记录为“1”或者“0”）。在施加极性相反的电压之前，即使晶体管已经从任何电源上断开，现有数据仍然能够被保存下来（这种存储被称为“非易失性存储”）。这类晶体管存储器是由桀冈富士雄发明的。据说，桀冈的一位同事在描述对存储器中的信息进行删除操作的速度时表示，这让他联想到照相机的闪光灯，“闪存”这一俗称便来源于此。截至我写作这本书时，能够存储256千兆字节的闪存设备已进入生产阶段。

非易失性存储器也给摄影界带来了巨大的变化。传统的非数码相机通过光子在感光胶片上引起化学反应的方式记录图像。信息通过胶片上的分子吸收光子（在胶片上产生化学反应）的方式而被存储下来，再经过一系列湿法化学步骤被冲印成照片。传统胶片中单分子尺寸的感光颗粒，如今被像素网格取代。当光子撞击特定像素的光传感器时，如果它们被吸收，就会产生可移动的电荷。使用不同的半导体，可以改变充满电子的低能带和空的高能带之间的能量差，这样光传感器就可以在光谱中的红外光、可见光或紫外光部分成像。包厢内的电荷可以被转变成电压，并被储存在闪存中。每一个像素点的位置是已知的，因此我们可以获得击中光传感器的大量光子的数字化记录。

直到不久前，笨重的阴极射线管还是电视机的特征之一。然而现在，只要图像被数字化采集，我们就可以利用半导体晶体管技术，将其呈现在平板显示器上。在这种情况下，信息单位由“位”变成了显示屏上的像素，每个像素点上都有少量“液晶”（一种长碳链的有机分子结构）。几何结构上的限制和沿着碳链方向分布的静电荷，将使这些长碳链有机分子呈现出不同的排布方式，从松散、随机的方式，到与粗花呢面料的编织方式类似的人字花样，再到如盒中火柴般的有序堆积方式。就像无论排列得多紧密，都可以很容易地从盒中倒出火柴一样，这些分子既保留了填充容器的能力，也能像液体一样流动。

当温度改变或被施加外电压时，某些液晶分子将会从一种排布方式转变成另一种。在冰经历相变融化成水后，其光学性质会发生剧烈变化。同样，当某些液晶在外电压的作用下，从一种排布方式转为另一种排布方式时，它们的光学性质也会发生相应的改变，比如材料是否反光，是否有光泽，或者因吸收光而呈现黑色。早期的液晶手表有“不连续数字8”图案的金属电极，在不同的金属电极上施加电压，电极上方的液晶区域会呈现黑色，从而根据一天当中的不同时间显示不同的数字。为了显示更加复杂的图像，每一个液晶像素点的后面都有一个电容器和一个薄膜晶体管。彩色滤镜可以将灰阶图像转变为彩色图像，通过改变每个像素点被打开和关闭的时间，人们可以看到变化的图像，与1936年12月刊的《惊奇故事》通俗科幻杂志封面所展示的电视屏幕类似（见图17-2）。

图17-2　尽管封面上的宇宙战士们看似正在观看平板显示器，但鲍勃·奥尔森的故事表明，他们实际上在看一个三维电视显像管的图像

即时显示存储图像（或视频）的功能，数据传输方面的便利性，巨大的存储容量，以及有上述功能的相机与其他设备（比如手机或电脑）的结合，这些已然超乎通俗科幻杂志的预期。不过，还有一个特例。如图17-3所示，早在1964年，漫画家切斯特·古德就已经想象出一种可以佩戴在手腕上，并具有无线可视双向通信功能的小型装置。可以进行视频传输的腕式电话如今已然成真，量子力学再次使科幻变成了现实。接下来，我们只需要弄明白怎样建造利用磁性飞行的私人“垃圾桶”（第4章的图4-1）就行了！

图17-3　崔西正在使用一个具有视频功能的双向通信腕式电话。这个小玩意儿于1964年出现在漫画中，比它在现实生活中的出现时间早了40年

[1]场效应晶体管的学术名称为“金属氧化物半导体场效应晶体管”，英文缩写为MOSFET。

[2]基于技术原因，磁盘驱动器上实际的“位”包含若干个磁畴，排成不同的序列来代表“1”和“0”，但为了实现本书的写作目的，我们可以将这种情况简化成表示“1”或“0”的单个磁畴

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