DIY一個晶體管，你願意接受挑戰嗎？

我在網路上看到一些業餘愛好者自己動手做(DIY)晶體管，例如Neil Steiner與Jim等人。其中，最引人注意的自製晶體管來自一位懂半導體組件物理的工匠Jeri Ellsworth。她於2010年在家中打造了一座小型製造廠(或稱為fab)，用自製晶元產一些簡單電路。

有趣的是，在那之後就找不到其他完整記載DIY晶體管的數據了。這可能是因為這種類型的製造必然會導致一些危險化學品的處理，而且需要幾年的時間才能完善(Jeri就花了2年的時間)。再者，由於晶體管是製造電子產品的建構模塊，只要用很便宜的價格就能買到，而且還能用於製造出可直接執行功能的更複雜IC。

不過，據說，如果能在自家實驗室中從無到有製造出晶體管，對於業餘愛好者可說是莫大的成就，我們完全可以想像自行製造出晶體管帶來的那種個人成就感。

如今，大多數的無晶圓廠公司都將實際的生產外包到海外，因為在投資100億美元打造先進的製造廠後，如果還要僱用多位工程師和技術人員操作廠房設備，必須面對的經常性支出成本就太高了。大多數公司都無法為這筆龐大的財務投資維持所需的銷售量。

由於沒有其他能以更低成本生產晶體管的選擇，所以這些海外代工廠還寫下了4,000億美元的銷售紀錄，大大地撈了一票。基本上，雖然巨大的製造設施確實導致了成本與技術障礙，但探索更易於使用的模塊化晶體管製造(特別是原型)，可能更有意義。

例如，Jeri Ellsworth和Neil Steiner分別使用預製的鍺二極體和硫化鎘光電池製造晶體管。這和只用裸晶建構晶體管的方式不同，因為二極體和光電池是預先製造好的。

從零開始打造晶體管所需的工具，並非家中實驗室的常見工具。以下列出一些較不常見的工具：

?氮氣罐

?窯爐

?氫氟酸(HF)

?磷硅酸鹽薄膜

?Prime級的硅晶圓

?乙烯基貼紙取代光罩的光阻劑

?辨識氧化層厚度的色表

其中一些材料可能比其他材料更有害。任何使用HF的人都必須非常小心，因為這種化學物質可能穿透組織，導致非常嚴重的灼傷。氮氣罐並不一定必要，但它有助於控制窯爐的氣壓，使其更易於預測在硅晶上生長氧化層，而且在生長厚度僅幾百埃(A)的薄層時，能夠節省更多時間。另外，值得注意的是，摻雜純硅是另一個開發計劃，所以在網路上購買預摻雜的Prime級硅晶可能更加可行。其他業餘愛好者的設備還包括電源、示波器、鑷子、CPU風扇、導電環氧樹脂和焊料等。

如何製造晶體管？

晶體管是透過光學微影工藝製造的，基本上，在基板表面進行製圖，以形成各種不同的晶體管拓撲結構，這屬於一種金屬氧化物場效晶體管(MOSFET)的拓撲結構，如下圖所示。

（來源：Shutterstock）

同樣地，這種大塊的p型基板很容易就能在網上購買。

在窯爐中生長初始氧化層需要一些時間。例如，Jeri說，大約需要6個小時的時間才能生長出500-600-A厚度的氧化層。測量其厚度時並不需要拉出超小型卡鉗和顯微鏡，因為它的顏色很明顯就能看出厚度。600-A厚的薄層對應於綠色。

為了實現特定圖案，透過使用HF就能蝕刻或移除氧化物。針對許多蝕刻步驟，一部份的晶圓可以透過抵抗蝕刻的「屏蔽」材料保護，免於受到蝕刻劑的影響。乙烯基貼紙光罩可預切割，以抵抗某些區域的蝕刻劑。

源區和漏區是透過將磷硅酸鹽薄膜旋轉到晶元上而產生的，因而在晶圓上存在薄層液體；這通常是採用CPU風扇完成的。

再次將組件放置在1000℃的窯爐中一段時間，以便將高濃度的磷沉積到基板和氧化層的表面——產生兩個摻雜的n型區域，最終形成電子信道流動。

最後，乙烯基光罩用於蝕刻掉閘極區域，並將其放回窯爐中以生長閘極氧化物層。Jeri指定的厚度為800至1,000A——大約是粉紅至深紅色。

與閘極、源極、漏極和基板的觸點可以用導電環氧樹脂製成。這是透過與另一個乙烯基光罩和更多的蝕刻而實現的，以便使接取點向下接觸到源極和漏極，放置能與導線焊接的環氧樹脂。

其他不同的網站對此有更詳細的介紹。很顯然，在設計光罩和規劃多晶體管拓撲結構的步驟時，這個過程的複雜化將會以指數級增加。任務的規模和範圍可能會變得更龐大而難以處理，因此，製造閘極寬度降至納米級的電晶元，需要大型製造設施以及用於布局數百萬晶體管的CAD程序。

編譯：Susan Hong

本文授權編譯自Electronic Products，版權所有，謝絕轉載

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