電晶體是什麼？一顆手機晶片裡為什麼有上百億個開關

電晶體是晶片裡最基本的零件：一個用電控制的小開關，通了是 1，斷了是 0。一個開關能做的事很少，要很多很多個接在一起，才算得出東西；而開關越做越小，同一塊地方就塞得越多。所以一顆手機晶片上，現在有上百億個電晶體。

電晶體長什麼樣子？

把它想成一條小水道：一頭是入口，一頭是出口，中間那一段路叫通道，通道上有一道閘門。閘門打開，電就從入口流到出口，開關是「通」；閘門關上，電過不去，開關是「斷」。

它們的正式名字是源極（入口）、汲極（出口）和閘極（閘門）。三個名字剛好都跟水有關：源是水源，汲是打水，閘是水閘。入口和出口那兩塊，是在矽裡加進硼、磷這類原子做出來的，常用的方法叫離子植入。

最關鍵的是閘門。它其實不碰到底下的通道，中間隔著一層很薄、不導電的絕緣層。在閘門上加電壓，底下的矽就被「吸」出一條能導電的路，入口和出口接通；電壓拿掉，這條路就消失。矽為什麼能這樣一下導電、一下不導電，是半導體的特性，可以先讀「半導體是什麼」。

一個開關，怎麼會算東西？

控制開關的是電，開關送出去的也是電。所以一個開關的輸出，可以拿去控制下一個開關的閘門；照設計把很多開關這樣接起來，就能做加法、比大小、記住一個數字，再一層一層組合上去，就是會拍照、會導航的晶片。每個開關只會「通或斷」這一件事，所以晶片要做的事越多，要的開關就越多。

為什麼要越做越小？

1970 年代初，最早一批當電腦「大腦」用的晶片，上面只有幾千個電晶體；現在一顆手機晶片上有上百億個，靠的就是一直把它做小。做小有三個好處：

• 塞得多：長和寬各縮成 0.7 倍，面積就差不多剩一半，同一塊地方放得下兩倍的開關。最新的晶片上，電晶體一個挨一個排，間距只有幾十奈米，比頭髮細上千倍。
• 省電：每切換一次，都要把一點電充進閘門、再放掉，像把一個小杯子裝滿再倒掉。電晶體越小，杯子越小，每次要的電就越少。
• 快：杯子小，裝滿得快；入口到出口的路也短，開關切換得更快。

所以幾十年來，大家一直想辦法把它做得更小。新聞說的「幾奈米」，講的就是這件事做到了第幾代，可以讀「新聞說的「2 奈米」，是什麼東西 2 奈米？」。

做得太小，會出什麼問題？

最大的麻煩是：關不緊。

入口和出口靠得太近，中間的通道變得很短；閘門又只蓋在通道上面，管得到上面，管不太到下面。結果閘門明明說「斷」，還是有一點點電從入口溜到出口。這就是漏電。

閘門底下那層絕緣層，也有同樣的麻煩。它跟著越做越薄，薄到大約兩奈米以下，直接穿過去的電子一下子變得很多，又多了一條漏的路。後來只好換材料：用另一種絕緣材料，做厚一點，閘門一樣管得住。

一個開關漏的電少到可以不管，可是上百億個加起來，就是手機放著不用也在耗電、晶片會發燙。以前每做小一代，電壓也跟著往下降，又快又省電；大約到了 2000 年代，漏電大到電壓降不太下去，光靠「照比例縮小」已經不夠了。

那要怎麼讓它關得緊？

想像你要把一條軟水管捏到完全不漏水。只用一根手指從上面壓，底下還會漏；用手從三面捏住，緊多了；整圈握住，最緊。電晶體的結構，就是照這個方向改的：

1. 平的：通道平平躺在矽的表面，閘門只蓋在上面。很長一段時間，電晶體都是這個樣子。
2. 立起來的薄片：把通道立起來，變成一片很薄的牆，閘門從上面和兩側三面夾住。立起來也比較省地方，像把平房改成蓋樓。大約從 2010 年代起，最先進的晶片陸續改成這樣。
3. 四面包住：把通道做成幾片疊起來的薄片，閘門把每一片的上下左右都包住。這是最新的幾代、新聞說的 3 奈米和 2 奈米前後才開始用的，各家改的時間不一樣。

每改一次，閘門就把通道抓得更牢、關得更緊，電晶體才能繼續做小。也因為後來靠的是改形狀，不再只是照比例縮小，「幾奈米」的名字跟真的尺寸就差得越來越遠。

在 fab24hr 裡

fab24hr 的主線「晶片的一生」，跟著一顆虛構的助聽器晶片「螢火」走。它只靠一顆鈕扣電池，所以從研發線開始，大家最怕的就是待機時的漏電：第 1 章要決定故意把幾片的電晶體做得偏快、偏慢（角落），偏快的跑得快，也最漏；第 3 章 WAT 回來，量的是晶圓上測試鍵的電流、電阻和漏電；第 10 章，測試工程師要決定待機電流多高就擋下來。在「打工人的一天」當研發線爐管的研發製程工程師，早班要決定閘門底下那層絕緣層長多薄：薄一點開關快，太薄又會漏。遊戲裡的公司、晶片、人物和數字都是虛構的；電晶體怎麼開關、為什麼會漏電，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。