基本元件介绍

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1、矽的簡介矽是現在各種半導體中使用最廣泛的電子材料，它的來源極廣，譬如我們腳下所踩的砂。它的含量佔地球表層的25%，純化製作容易，取得成本較低，因此被用來做為積體電路製作的主要材料。如常見的微處理器（CPU)，動態隨機存取記憶體（DRAM）、、、等，皆是以矽為主要材料。在元素週期表裡，它是屬於四價元素，排在三價的鋁與五價的磷之間。矽原子與電子圖矽是屬於四價元素，原子序為14，雖然原子內所含的電子相當多，但是因為較接近原子核的電子被外層電子所遮蔽，所以內層電子對整體材料的電性影響也比較小，我們將探討矽原子的4個外圍電子，也就是價電子。

2、共價鍵在矽晶體內，每個矽的四個外層電子分別與四個鄰近矽原子的一個外層電子形成化學鍵結，這種電子共有的化學鍵結構稱為共價鍵。鑽石結構在三度空間中，矽晶體由許許多多四面體單元連結構成，四面體中心有一個矽原子，此外有四個矽原子位在四面體上的四個端點，八個四面體構成的立方結構稱為鑽石結構。矽的結構晶體和非晶體本身都可以是一種純物質，而晶體的特點，就是材料內的原子或分子，在三度空間中，以週期性方式排列。矽晶體便是以鑽石結構為單位，晶體內的矽原子呈規則週期性的排列。單晶矽與多晶矽當一矽材整體的原子排列結構呈現規則性，此矽材稱之為單晶矽(sin

3、glecrystal)，矽半導體技術中所使用的矽晶圓即為單晶矽。當矽材是由許多小單晶結構組成，各單晶顆粒間的原子排列方向彼此互異，此矽材便稱之為多晶矽(polycrystal)。摻雜所謂摻雜，就是在半導體材料中加入電子或電洞，半導體即利用電子或電洞來傳導電信號。摻雜又可以分為：正摻雜及負摻雜正摻雜所謂正摻雜，就是在矽晶體中，摻入週期表中的三族元素(此摻入的三族元素稱為受體)，由於和矽原子鍵結需要四個電子，三族元素原子僅可供應三個電子，因而形成了一個電子的空缺，我們稱之為電洞。當外加一個電壓時，電洞向負電位處移動，形成了電的傳導。此

4、摻雜的區域即稱為正型區(p-typeregion)，主要的傳導載子(carrier)為電洞。負摻雜所謂負摻雜，就是在矽晶體中，摻入週期表中的五族元素（此摻入的五族元素稱為施體)。由於要和矽鍵結需要四個電子，五族元素原子卻可提供五個電子，摻雜原子多出了一個電子，當外加一個電壓時，電子向正電位處移動，形成了電的傳導。此摻雜的區域即稱為負型區(n-typeregion)，主要的傳導載子(carrier)為電子。MOSFET所謂MOSFET指的就是金屬─氧化層─半導體電晶體(Metal-Oxide-SemiconductorField-E

5、ffectTransistor，金氧半電晶體)，其結構就如同字面上的意義，是由金屬、氧化層、及半導體疊在一起所構成的。MOSEFT的種類依其傳導載子的不同可以分為PMOS及NMOS二種。若將這二種MOS合在一起使用則稱為互補式金氧半電晶體，即為MOSFETCMOS（ComplementaryMOS）。CMOS的優點為操作時比較省電，因此一般電路佈局設計就是以CMOS為基本單元來設計。PMOS簡介PMOS，指的是利用電洞來傳導電性信號的金氧半電晶體。PMOS的電路符號如下圖，而其結構圖則如左圖所示，是由正型摻雜形成的汲極(dra

6、in)及源極(source)，與閘極(gate)及閘極下面的氧化層所構成。PMOS的工作原理當在閘極(gate)施以負偏壓時，就會在氧化層下方薄區內感應出許多電洞，當在源極(source)施加一個偏壓之後，聚集的電洞就可經由源極(source)與汲極(drain)之間的通道導通。NMOS的簡介NMOS，指的是利用電子來傳導電性信號的金氧半電晶體。NMOS的電路符號如下圖，而其結構圖如左圖所示，是由負型摻雜形成的汲極與源極，與在氧化層上的閘極所構成。NMOS的工作原理當在閘極施以正偏壓時，就會在氧化層下方薄區內感應出許多電子。當在汲

7、極施加一個偏壓之後，聚集的電子就可經由源極與汲極之間的電子通道導通。CMOS的簡介CMOS的電路符號如右下圖，元件橫截面圖則如左圖所示。若將PMOS及NMOS的閘極相連，且將PMOS及NMOS的汲極相連，即為一個基本的反向器(inverter，左下圖)。CMOS的工作原理(1)當輸入端(Vin)輸入為高電壓(1)時，NMOS導通，而PMOS不導通，所以輸出端(Vout)為低電壓(0)。CMOS的工作原理(2)當輸入端(Vin)輸入為低電壓(0)時，NMOS不導通，而PMOS導通，所以輸出端(Vout)為高電壓(1)。