Lecture 8. 晶体管和 FET
NPN 三极管
晶体管也是一种电子元件，不过他与二极管不同。晶体管有三个或更多的接线柱，常用来控制电流。
课件中最先介绍的是 结型晶体管（junction transistor），貌似也称作 BJT，俗称三极管。顾名思义，由 PN 结构成，且有三个接线柱。
BJT 由三部分构成：发射极（emitter）、基极（base）、集电极（collector）。课件给出的 BJT 是 NPN 类型的（发射极和集电极是 N，基极是 P），也有 PNP 类型的。
BJT 有两个 PN 结，两个 PN 结共用的电极就是基极。
在三极管当中，流经三部分的电流满足关系 $I_E = I_B + I_C$，而 $I_C = \beta I_B$，其中 $\beta$ 取值是数十或数百。也就是说，流经集电极的电流是基极电流的几十几百倍。这个叫做 电流增益 current gain）。所以三极管可以用基极 对集电极的电流进行控制。
应用：构造一个 NOR 门
$\operatorname{NOR}(A, B)$ 的输出为真，当且仅当 $A=B=0$。
- 如下电路，当且仅当 $I_A = I_B = 0$，$I_E = 0$，此时三极管相当于一个大电阻。于是电流只能流向 Output
- 若 $I_A + I_B \not= 0$，则 $I_E \not= 0$，此时输出线被短路，电流全部流向 $I_E$
金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）
https://www.elprocus.com/mosfet-as-a-switch-circuit-diagram-free-circuits/
- M 表示金属，O 表示氧化物，S 表示半导体。
- FET 是 field-effect transistor 的缩写，即利用电场对导电性进行控制的晶体管。
通道（Channel）的宽度与 抵消区域（depletion region） 基本相同。
课件上给的图太简陋了，简直是垃圾。
原理
有一个动画演示网站，可以演示 NMOS 和 PMOS 的
- https://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html
- https://www.falstad.com/circuit/e-pmosfet.html
NMOS（电流 D --> S，NDS，G 接正）
先以 NMOS 为例（课件上给的垃圾例子也是 NMOS）
NMOS 的衬底是 P 类型的半导体，S 和 D 都连着 N 类型半导体。两个 N+ 之间的区域是 depletion region，也是 channel。现在 G 没有正电压，P 的洞洞跟 N+ 的电子相互抵消，不导电。
如果 G 有了正电压，那么 N+ 里面的电子被吸引到中间来，中间的洞洞被排斥到下面去。于是形成了一条电子可以流动的通道。于是就导电了。
D 要接电源正极，S 要接电源负极，电流方向 D --> S。
PMOS（电流 S --> D，PSD，G 接负）
衬底是 N，S 和 D 连接到两个 P+。
当 G 电势较低（接地），则两个 P+ 中间的洞洞被吸引出来，衬底 N 的电子被排斥开，形成了一个洞洞可以自由流动的通道，从而导电。
MOS 的电路符号
- 增强型，就是 G 实线，SD 虚线
- 耗尽型一般不太关注
NMOS 增强型器件
PMOS 增强型器件
互补式金属氧化物半导体 (CMOS) 实现 NOT 门（反相器）
全称 Complementary Metal Oxide Semiconductor。
图中从上到下，P 和 N 的四个极，是 SDDS。
- 当 $V_I = 0$，则 PMOS 导通，NMOS 关闭，Vdd 跟 $V_O$ 一样，输出 $1$
- 当 $V_I = 1$，则 PMOS 关闭，NMOS 导通，Gnd 跟 $V_O$ 一样，输出 $0$
硅：应用
粗硅提纯
- 捞一把沙子（SiO2）
- 高温，用碳还原：SiO2+C = CO2 + Si
- 加盐酸：4Si+6HCl = 4HSiCl3+H2，得到硅酸
- 把硅酸放在氢气中加热，得到纯硅：4HSiCl3+H2 = 4Si+6HCl
加热的时候要使用石英坩埚（quartz crucible），避免副反应。
Czochralski Process（提拉硅晶体）
应该不重要吧，不看了
刻蚀
SiO2+4HF = 2H20+SiF4
构造设备
应该不重要吧，不看了