第一期:我看晶體管（1）

來自專欄模擬IC爬升之路34 人贊了文章

To see a world in a grain of sand.

—William Blake

第一次見這句話時，我記得我還是在看安吉麗娜朱莉的電影，古墓麗影，勞拉通過沙子開啟了秘鑰，打開了神秘大門。

William Blake（18世紀末、19世紀初的英國詩人）寫這首詩的時候，應該沒想到自己一語成讖，竟然預言了未來20-21世紀的科技變革，我覺得搞IC的，還是應該先欣賞下這首詩。

To see a world in a grain of sand 一沙見世界,

And a heaven in a wild flower 一花窺天堂.

Hold infinity in the palm of your hand 手心握無限,

And eternity in an hour. 須臾納永恆.

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先談談晶體管，大家看到本文的開頭是一片沙子，其實這就是晶體管最初的來源（當然還有Ge，Ga，As的參與等等），通過工藝提純，將Si（硅）提純，然後通過一系列類似於洗照片的方法，將設計的東西加入到裡面去。最終形成了具有功能的電路。

開始科學探討（本專欄面向的是具備一定電子基礎和集成知識的讀者，後面的內容可能會比較不太科普，請見諒）。

MOS晶體管主要用於兩方面，一個是開關作用，一個是模擬的工作。受限說說數字的開關作用，如何傳遞一個信息？可能你會想到二戰期間的電報（telegraph），類似於下圖：

通過信號的有和無，以及合理的編碼（如星際穿越里提到的Morse Code），就可以實現信息的表徵了。例如，我們令有為1，無為0，設定一個編碼方法，如100表示a，101表示b，那麼如果你收到100101，就是收到ab這個信息了。

如何表達1或者0呢？這就用到了CMOS，（這裡要吐槽一下知乎，為什麼上傳資料不能多兼容幾個格式，我的nobility的草稿隨時等待知乎的接見啊！！！要是能傳手繪草稿多好！）一般就是下面這個樣子（假定你已經學過MOS管的晶體結構了）：

這是一個常見的反相器，我們給輸入一個大電平（一個高信號，如圖右gate上所示的信號IN），這是對於N管（右上），柵極的高電壓使得P襯底出反型出了一個n+的反型層，那麼這個反型層的低阻特性就使得Drain的out處的電位接近於gnd了。

反觀P管，P MOS是做在N-well里的，應當注意：在電路設計時，一般吧n-well接到最高的電位，即將右下的點B（歐姆接觸的那個點）接到Vdd處，這樣N肼處於高電位，pn結（自己數數這個圖有幾個pn結）就可以處於非正偏狀態，那麼處於高電位的P+摻雜處就不會向p-sub注入高電流等，避免一些非理想效應。

這樣，當輸入為高時，通過一個反相器的輸出為地，即低電位，這樣信號就傳遞過去了，如果中間的不是反相器，而是一堆由反相器組成的具有特定功能的電路，系統，就可以實現很多的功能了。

另外一個問題就是，數字部分能否實現所有的功能呢？不盡然，但是，大部分能用某種語言，邏輯表示的指令，它都能實現。舉個例子，C語言的功能很強大，構成C語言的幾個最為基礎的邏輯就是，與、或、非，如下圖

學過C語言的都知道，如果有了上述的邏輯，大多數命令是都可以實現的，而數字部分也是有的，如下圖邏輯：

也就是說，我們是可以通過數字電路，實現很多需要的功能的，只不過是電路面積大小的問題罷了。所以我們現在看到，越來越多的電路都是用數字SoC，FPGA做的，畢竟硬體資源豐富，通過合理的編程，映射到數字邏輯中就可以實現自己想要的功能。

上述所說的，其實存在一個悖論，就是C語言作為計算機語言，本身是服務於硬體的，即先有了硬體，才有了後續的軟體，C語言，java等。之所以拿來做比較，其實是想告訴大家，正因為硬體可以做這麼多的事情，所以我們的生活才因為CMOS工藝的出現，變得豐富多彩。

下一節，我將講述當MOS應用於模擬部分所有的規律和現象，歡迎關注和交流。