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手把手教你DIY一个晶体管

时间:2018-04-23 作者:Aalyia Shaukat, Electronic Pro 阅读:
你想挑战晶体管DIY吗?你只需要一个窑炉、一些氢氟酸,以及一点点运气…

我在网络上看到一些业余爱好者自己动手做(DIY)晶体管,例如Neil Steiner与Jim等人。其中,最引人注意的自制晶体管来自一位懂半导体组件物理的工匠Jeri Ellsworth。她于2010年在家中打造了一座小型制造厂(或称为fab),用自制芯片产一些简单电路。

有趣的是,在那之后就找不到其他完整记载DIY晶体管的数据了。这可能是因为这种类型的制造必然会导致一些危险化学品的处理,而且需要几年的时间才能完善(Jeri就花了2年的时间)。再者,由于晶体管是制造电子产品的建构模块,只要用很便宜的价格就能买到,而且还能用于制造出可直接执行功能的更复杂IC。

不过,据说,如果能在自家实验室中从无到有制造出晶体管,对于业余爱好者可说是莫大的成就,我们完全可以想象自行制造出晶体管带来的那种个人成就感。

如今,大多数的无晶圆厂公司都将实际的生产外包到海外,因为在投资100亿美元打造先进的制造厂后,如果还要雇用多位工程师和技术人员操作厂房设备,必须面对的经常性支出成本就太高了。大多数公司都无法为这笔庞大的财务投资维持所需的销售量。

由于没有其他能以更低成本生产晶体管的选择,所以这些海外代工厂还写下了4,000亿美元的销售纪录,大大地捞了一票。基本上,虽然巨大的制造设施确实导致了成本与技术障碍,但探索更易于使用的模块化晶体管制造(特别是原型),可能更有意义。

例如,Jeri Ellsworth和Neil Steiner分别使用预制的锗二极管和硫化镉光电池制造晶体管。这和只用裸晶建构晶体管的方式不同,因为二极管和光电池是预先制造好的。

从零开始打造晶体管所需的工具,并非家中实验室的常见工具。以下列出一些较不常见的工具:

• 氮气罐

• 窑炉

• 氢氟酸(HF)

• 磷硅酸盐薄膜

• Prime级的硅晶圆

• 乙烯基贴纸取代光罩的光阻剂

• 辨识氧化层厚度的色表

其中一些材料可能比其他材料更有害。任何使用HF的人都必须非常小心,因为这种化学物质可能穿透组织,导致非常严重的灼伤。氮气罐并不一定必要,但它有助于控制窑炉的气压,使其更易于预测在硅晶上生长氧化层,而且在生长厚度仅几百埃(A)的薄层时,能够节省更多时间。另外,值得注意的是,掺杂纯硅是另一个开发计划,所以在网络上购买预掺杂的Prime级硅晶可能更加可行。其他业余爱好者的设备还包括电源、示波器、镊子、CPU风扇、导电环氧树脂和焊料等。

如何制造晶体管?

晶体管是透过光学微影工艺制造的,基本上,在基板表面进行制图,以形成各种不同的晶体管拓扑结构,这属于一种金属氧化物场效晶体管(MOSFET)的拓扑结构,如下图所示。

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(来源:Shutterstock)

同样地,这种大块的p型基板很容易就能在网上购买。

在窑炉中生长初始氧化层需要一些时间。例如,Jeri说,大约需要6个小时的时间才能生长出500-600-A厚度的氧化层。测量其厚度时并不需要拉出超小型卡钳和显微镜,因为它的颜色很明显就能看出厚度。600-A厚的薄层对应于绿色。

为了实现特定图案,透过使用HF就能蚀刻或移除氧化物。针对许多蚀刻步骤,一部份的晶圆可以透过抵抗蚀刻的“屏蔽”材料保护,免于受到蚀刻剂的影响。乙烯基贴纸光罩可预切割,以抵抗某些区域的蚀刻剂。

源区和漏区是透过将磷硅酸盐薄膜旋转到芯片上而产生的,因而在晶圆上存在薄层液体;这通常是采用CPU风扇完成的。

再次将组件放置在1000℃的窑炉中一段时间,以便将高浓度的磷沉积到基板和氧化层的表面——产生两个掺杂的n型区域,最终形成电子信道流动。

最后,乙烯基光罩用于蚀刻掉闸极区域,并将其放回窑炉中以生长闸极氧化物层。Jeri指定的厚度为800至1,000A——大约是粉红至深红色。

与闸极、源极、漏极和基板的触点可以用导电环氧树脂制成。这是透过与另一个乙烯基光罩和更多的蚀刻而实现的,以便使接取点向下接触到源极和漏极,放置能与导线焊接的环氧树脂。

其他不同的网站对此有更详细的介绍。很显然,在设计光罩和规划多晶体管拓扑结构的步骤时,这个过程的复杂化将会以指数级增加。任务的规模和范围可能会变得更庞大而难以处理,因此,制造闸极宽度降至纳米级的电芯片,需要大型制造设施以及用于布局数百万晶体管的CAD程序。

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体Electronic Products,原文:DIY transistor fabrication: Are you up to the challenge? ,Susan Hong编译)

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