- 我是一名練提琴的電路專業研究所學生，目前在華東某985高校就讀。文章由于水準有限，難免會有錯誤和不嚴謹之處，歡迎各位同行批評指正。同時我也非常希望結識更多尤其是熱愛古典樂的朋友，在我們做工程設計時也來點心靈上的安撫與感動。
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寫這篇博是為了記載自己在閱讀由Christopher和Judy Saint所著的《內建電路版圖基礎（實用指南）》時所産生的一些心得，同時鑒于自己在閱讀這本書後醍醐灌頂的感覺，覺得也很有必要分享該書中的一些觀點和介紹方法給掙紮在半導體了解戰線的各位電子類萌新們，畢竟，真的，國内的相關教材對半導體的介紹讀起來很讓人頭疼的
這篇文章将主要包括
- 大背景介紹：為什麼要用半導體，為什麼有神奇事情發生的地方就有半導體
- 神奇的PN結
- 場效應與場效應半導體
- 增強型器件與耗盡型器件
- 來看幾個執行個體：從邏輯門電路進一步了解神奇的半導體
- 後記：被遺忘的三極管
為什麼要用半導體，為什麼有神奇事情發生的地方就有半導體
相信每位剛開始學習模拟電子的童鞋在看到有半導體，尤其是除了二極管，三極管，還有個場效應管時内心一定是崩潰的。啊什麼，要這東西幹嘛啊？什麼？它可以放大信号？啊哈，它可以作電流源？懵逼的我們對這種神奇的事情一無所知，也許腦子裡還在想着那個神奇的三角形，以及那個給它多大電壓都輸出恒定的在《電路分析》裡學到的恒流源。終究還是太年輕，我們沒法想到這半導體在這些子產品裡究竟是怎麼起作用的，它為啥這麼神奇啊？！
王侯将相甯有種乎！半導體能做到如今的這個高位，跟它一步步腳踏實地地來是分不開的。
首先請考慮上面這個電路，這是一個非常簡單的，隻是為了點亮燈泡的電路，電路中的開關為了形象，也是為了之後友善以更好更平實的語言描述，畫成了這樣。那麼，衆所周知，為了讓燈點亮，我們隻需要往上頂住開關便可以達成目标，至此，你已經實作了一個簡單的控制過程！
那麼如果我們需要燈一亮一滅這樣持續下去呢？如果需要以每秒9999999的次數讓燈不停地亮滅呢？那顯然憑借着你的手指就不能實作了，這時就需要來自大自然的神奇的力量了。至于究竟用的是哪種神奇的自然力量呢？很顯然，在這篇文章裡當然是指的我們的半導體了，是以在下一節，将介紹半導體為什麼能被用在此電路中，以及它是怎麼工作的，為什麼能達到我們想要的結果。
神奇的PN結
在繼續我們的内容之前，個人覺得很有必要回顧下半導體、導體和絕緣體的基礎知識，因為這樣應該能讓讀者和我以後的自己更好地了解我接下來說的内容。
- 導體：擁有大量自由電子，可以在電壓作用下自由運動
- 絕緣體：幾乎沒有自由電子，因為因為原子内部的作用，電子被緊緊地束縛在原子核周圍，不能自由運動
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半導體：
這就是我們的主角了。其實從某種意義上說，世間萬物都屬于大自然，馬哲裡有說到過，原話我忘了，但是大概的意思就是世間萬事萬物都是既對立又統一的。而半導體如此地受到人類的青睐，其實如果從人情世故的角度來形象地做下“統一”估計大家就好了解了吧。（以下是我個人的見解）
試想在你身邊有一個人，他非常地圓滑，老闆說啥他都拼命地附和，老闆發的每一條朋友圈都有他的贊，但是卻從來不做什麼實事，天天在項目組裡跟着你們一起劃水，每月還拿着跟你們一樣的工資，你是不是很不爽？我們叫他A。
然而此時又來了了一個剛畢業的應屆生，他初生牛犢不怕虎，非常有正義感，看到身邊任何“不好”的事都想要揭發，對于他這種正義感，你應該也會感覺很頭疼吧？【笑臉】我們叫他B。
而這時有一位年輕的小夥子跳槽來到了你的部門，與你同一個項目組，他不僅高富帥，而且懂世故，不僅能變通，而且也有底線。對于這樣的人，想必無論是上司還是同僚應該都是很喜歡的吧！我們叫他C。
說笑了一番後咱們來說正事。咱們可以做一個這樣的統一，導體對應了A，因為他有很多電子，加上了電壓後，他對電流的阻礙作用幾乎為零，完全是劃水類型，但是它還是屬于自然界。而絕緣體就如同是B，它油鹽不進，隻想彰顯正義，對于電流是絲毫不讓通過，給我們的信号傳輸造成了非常大的麻煩。而隻有半導體，他是那個圓滑又不失底線的人，它能根據周邊環境的需要，靈活地調整自己，以最好地适應環境，而從其電特性來講就是在特定情況下可以導電而在另一種特定情況下不導電，甚至既導電又不導電。
好了，在回顧完上面的知識後我們來探讨下如何實作上面的讓半導體材料導電和不導電的“特殊情況”。
我們知道，單晶矽都是由矽原子規則排列而形成的完美晶體，由于共價鍵的存在，晶體内僅有非常少的自由電子可以導電，這時半導體材料通常被認為是絕緣的，而為了讓它擁有導電能力，人們便開始往這晶體内通過各種方法注入雜質原子以取代矽，這時材料内便會多出更多的電子或空穴參與到導電的載流子中來。注入五價元素的被稱為N型材料，而被注入三價元素的P型材料。
可能你會對注入原子來增加導電載流子有疑惑，Christopher書上有做如此形象的描述：
這就像一個在搶座位遊戲中被擠出的小孩一樣。我們仿佛看到一個自由的、沒有限制的電子在高喊“我自由了，我自由了！我想做什麼就能做什麼了”然後開始瘋狂地奔跑，不過這一切發生在晶格中而已。 ——《內建電路版圖基礎（實用指南）》
而實際上，在一塊單晶矽中摻入的雜質原子數量并不是一個原子，而是很多。是以在P型材料中電子将會非常缺少而空穴會非常多，而N型材料中電子則特别多，空穴特别少。可以了解，被替代的矽原子越多，材料的電阻就越低，也就越容易導電。需要注意的是，這裡所說的“多”與“少”是可以通過控制摻雜量而實作的，這就是我們上面提到的所謂“特定環境”，而這特定環境恰好取決于人類的意願，是以從這裡是不是可以進一步了解了人類對半導體材料導電性能的控制方式呢？
接下來，下圖給出了兩塊半導體，分别是P型和N型，請讀者主要關注它們的電子（負電荷）和空穴（正電荷）在各自材料中是如何分布的。
假如将上圖的兩塊材料拼在一起，會對它們有什麼影響了？咱們不妨先簡單地想象一下：由于同性相吸異性相斥，P材料中的正電荷一定會向N材料的方向移動，而N材料的負電荷一定會向P材料方向移動，那麼問題是，最終P的正電荷和N的負電荷會跑到彼此的材料中形成平衡嗎？這裡就會涉及到一個所謂的“勢壘”的概念。
假如有兩所相鄰的國小，用栅欄分開，放學後，兩所學校的學生離開學校并能通過栅欄看到對方，他們跑到一起談論當天的半導體問題，但天殺的學校為了防止他們早戀放了那個栅欄，是以他們隻能再栅欄的兩邊含情脈脈了。。。
是以上面所進行的想象隻能到此結束，P材料和N材料中的載流子是不能跑到對方的材料中去的，因為有勢壘的存在，它們最終隻能聚集在兩塊材料的交界處，希望天降神力讓它們到另一邊去重逢。如下圖所示，注意與之前圖中電荷分布的差別。
對于電子不能穿越PN結進入另一種材料的原因，《內建電路版圖基礎》有簡單的介紹，主要是因為對于摻雜的過程，兩種雜質的選擇必須十分仔細。對于N型材料，雜質的電子導帶能級較低，而對于P型材料，雜質電子的導帶能級相對較高，那麼所謂成為姻親也要門當戶對嘛！（看！馬克思主義裡的對立統一性是不是都來了！電子要到另一方去都跟人的婚姻一樣哈哈哈哈！）N型材料中的多餘電子因能（bi）量（ge）較低而不能達到空穴的要求！
那麼要讓電子它們完成翻栅欄的使命，我們人類就得從上帝視角給它們提供能量，提供的能量越多，進入彼此的載流子就越多，形成的電流是以便會越大了。
能量提供的方式之一便是用外加電壓了，如下圖所示，随着PN結上電壓的增加，N型材料中的電子将獲得足夠的能量進而克服勢壘，形成電流。電子流向P型材料，空穴流向N型材料。故而隻要電源的極性正确，且足夠大，整個回路将形成電流，我們便成功地将一個“絕緣體”變成了一個“導體”了。
但是，由于各材料中的載流子的數量總是有限的，當電壓增高時可以想象，勢必所有能運動的載流子都會投入到電流的長河中去，到那時，盡管再增加電壓，由于實體上載流子的數量的限制，電流也不會再有增加，這時的電流我們稱之為“飽和電流”，也是能得到的最大電流。
注意到了沒有？這實際上就是用半導體做恒流源的基本原理對不對？啊原來這麼簡單！
需要強調的是，上圖所謂的“導體”，通過調節摻雜量的不同可以得到不同的電流，從數學模型上說即是一個受人類直接控制的可變電阻！而且，更重要的是，通過調節這圖中的電壓，可以形成不同的電流，即咱們能控制越過勢壘的載流子數量，這也直接關系着我們想要的電流大小！這兩個特性在我們之後的應用中是很用的！
2017/10/5更新
大家國慶快樂呀！感覺寫了三天這篇文章都還沒能寫完，先發出部分來好了，之後的會在後面的繼續更新哒！