摻雜是什麼？n 型、p 型半導體怎麼做成「平常斷著」的開關

摻雜（doping）是在很純的矽裡，故意加進極少量的別種原子，改變它導電的方式。加磷這類比矽多一個電子的原子，矽裡就多出能跑的電子，叫 n 型；加硼這類少一個電子的原子，就多出一個個空位，叫 p 型。把 n 型和 p 型照順序排好，就成了晶片裡的開關（電晶體）：平常斷著，閘極加上電壓才接通。

純的矽，為什麼幾乎不導電？

矽原子最外層有四個電子，像四隻手，各牽住旁邊一個矽原子，排成整整齊齊的格子。電子都被綁在原子和原子之間，跑不動，電就流不過去。從頭講的版本，見「半導體是什麼？」。

被綁住的電子要能跑，得先跳過一道坎，課本叫它「能隙」。金屬沒有這道坎，電子本來就跑得動；玻璃、塑膠的坎很高，幾乎沒有電子跳得過去。矽的坎不高不低：室溫下靠熱，偶爾有電子跳過去，可是大約幾兆個矽原子才有一個。所以純的矽幾乎不導電。

加一點點別的原子，會怎樣？

加的量極少：少的大約一億個矽原子才放一個，多的大約一萬個放一個，有些地方還更多。

• 加磷，變成 n 型：磷有五個外層電子。它取代一個矽原子、牽好四個鄰居，還多出一個。這個電子被抓得很鬆，要跳的坎比矽那道低得多，室溫下大多就能到處跑。跑的是帶負電（negative）的電子，所以叫 n 型。
• 加硼，變成 p 型：硼只有三個外層電子，總有一個鄰居的手沒人牽，留下一個空位，叫「電洞」。想像停車場一排停滿的車，中間空出一格：後面那台往前補進空格，空格就退到它原本的位置；下一台再往前補……車子一台一台往前，空格就一路往後退。真正動的是電子，看起來卻像一個帶正電（positive）的空位在跑，所以叫 p 型。

整塊矽並沒有帶電；n、p 說的只是裡面跑的是電子，還是空位。

n 和 p 碰在一起，會怎樣？

n 型和 p 型接在一起的地方，電只能往一個方向過：從 p 這一邊推向 n，過得去；反過來推，交界附近本來就有一小塊沒有東西能跑的地帶，這時會變寬，像一道牆，擋住。只做這件事的零件叫二極體。記住這道「反過來就擋住」的牆，下一段要用。

電晶體為什麼平常不通？

電晶體有入口（源極）、出口（汲極），中間上面有一道閘門（閘極），閘極和矽之間隔著一層很薄的絕緣層（長什麼樣子，見「電晶體是什麼？」）。以常見的一種來說，摻雜是這樣排的：

1. 平常：源極和汲極是 n 型，中間底下那一大塊是 p 型。從源極走到汲極，要過 n 到 p、p 到 n 兩個交界，兩個背對背：不管電往哪邊推，總有一個交界是反的，被那道牆擋住。所以開關平常就是斷的。
2. 閘極加上正電壓：隔著絕緣層，把電子吸到 p 型矽的表面，把空位推開。電壓夠大，表面薄薄一層的電子就多過空位，這一層變得像 n 型，課本叫它「反轉層」。
3. 接通：這一層像一座臨時鋪好的 n 型的橋。源極、橋、汲極都是 n 型，中間沒有牆了，電就過得去。電壓拿掉，橋就散了，又回到斷的。

要多大的電壓才鋪得出這座橋，叫門檻電壓（業界叫臨界電壓）。底下的 p 型摻得越多，空位越多，要吸更多電子才蓋得過，門檻就越高。所以摻雜不只決定是 n 還是 p，也決定開關要多大的電壓才打開。

另一種開關，剛好反過來

另一種電晶體把 n、p 對調：源極和汲極是 p 型，底下是 n 型，排成 p、n、p。它在閘極電壓高的時候斷，電壓低的時候才通，橋是用空位鋪的。

現在的晶片，多半把這兩種配成一對：一個負責把輸出接到電源，一個負責接到地，同一時間只有一個通。開關的通或斷，決定這條線接到電源（1）還是接到地（0）。這種配對叫 CMOS，見「CMOS 是什麼？」。因為兩種都要，同一片矽上要同時有 p 型和 n 型兩種「底」，常常各打一大塊，叫做井，各坐一種電晶體。

晶圓廠怎麼摻雜？

1. 先印模板：用黃光在光阻上開出要摻的地方。只有某些小區塊要變成 n 或 p；不蓋住其他地方，整片都會被改掉。
2. 把原子打進去：現在多半用離子植入，把原子變成帶電的離子、用電場加速打進矽裡，打多少、打多深都控制得準（細節見「離子植入是什麼？」）。以前多用高溫擴散：把晶圓放進很熱的爐子，讓原子從表面慢慢滲進去，現在某些步驟還在用（見「爐管在做什麼？」）。
3. 加熱退火：打進去的原子要坐進矽原子的位置，才會多出電子或留下空位，撞亂的格子也要排回去；不退火，那一塊不會照設計導電。可是熱太久，原子又會往旁邊跑，所以很多改成一次一片、只加熱幾秒。
4. 換一個地方再來一次：n 型的井、p 型的井、調門檻的那一層、兩種電晶體各自的源極和汲極，各打各的，所以一條流程要植入很多次。這幾步怎麼接成一顆電晶體，見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」。

摻錯了，會怎樣？

打進去的原子拿不出來，晶圓外表又看不出差別。錯在哪裡，開關就偏在哪裡：

• 底下那塊摻多了：門檻變高，開關不容易打開，跑得慢。
• 底下那塊摻少了：門檻變低，關不緊，閘極說「斷」的時候還有電溜過去，這就是漏電；源極和汲極靠得很近時，甚至會從底下連通，閘極也關不住。一顆晶片有上億個開關，每個多漏一點，放著不用也在耗電（見「晶片為什麼會耗電？」）。
• 源極和汲極摻少了：入口、出口的電阻變大，開關通的時候，電流也變小。

所以廠裡會量監控片的片電阻，看打進去的量對不對；晶圓做完，WAT 再在測試鍵上量開關的門檻電壓和漏電（見「WAT 是什麼？」）。

在 fab24hr 裡

主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」，是投片後的頭五天：你是研發整合工程師，跟著虛構的助聽器晶片「螢火」第一批 12 片，走過研發線的七個區。第 5 天到植入機 IMP-R1 前面，先把跑卡和機台上的配方一行一行對：傾斜角那一行不一樣，機台上留的是上一個實驗正對著打的版本。改回來，先打 N 型的井，換一層光阻再打 P 型的井；當晚送進爐管 FURN-R1 退火。

在「打工人的一天」也碰得到：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」、左右滑到研發製程工程師，名字下面點「植入」。螢火的源極、汲極要打多少、打多深，是你試出來的；深夜班，有一片被選錯了配方，打成「偏快」那一組的劑量。量產廠也有植入的位子。遊戲裡的公司、晶片、人物、機台編號和數字都是虛構的；摻雜和電晶體怎麼開關，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。