上一篇文章（寫給小白的芯片半導體科普），小棗君給大家介紹了一些芯片半導體的基礎知識。

今天這篇，我們繼續(xù)往下講，說說芯片的誕生過程 —— 從真空管、晶體管到集成電路，從 BJT、MOSFET 到 CMOS，芯片究竟是如何發(fā)展起來的，又是如何工作的。

█ 真空管（電子管）

愛迪生效應

1883 年，著名發(fā)明家托馬斯?愛迪生（Thomas Edison）在一次實驗中，觀察到一種奇怪現(xiàn)象。

當時，他正在進行燈絲（碳絲）的壽命測試。在燈絲旁邊，他放置了一根銅絲，但銅絲并沒有接在任何電極上。也就是說，銅絲沒有通電。

碳絲正常通電后，開始發(fā)光發(fā)熱。過了一會，愛迪生斷開電源。他無意中發(fā)現(xiàn)，銅絲上竟然也產生了電流。

愛迪生沒有辦法解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，但是，作為一個精明的“商人”，他想到的第一件事，就是給這個發(fā)現(xiàn)申請專利。他還將這種現(xiàn)象，命名為“愛迪生效應”。

現(xiàn)在我們知道，“愛迪生效應”的本質，是熱電子發(fā)射。也就是說，燈絲被加熱后，表面的電子變得活躍，“逃”了出去，結果被金屬銅絲捕獲，從而產生了電流。

愛迪生申請專利之后，并沒有想到這個效應有什么用途，于是將其束之高閣。

1884 年，英國物理學家約翰?安布羅斯?弗萊明（John Ambrose Fleming）訪問美國，與愛迪生進行會面。愛迪生向弗萊明展示了愛迪生效應，給弗萊明留下了深刻的印象。

二極管

等到弗萊明真正用到這個效應，已經是十幾年后的事情了。

1901 年，無線電報發(fā)明人伽利爾摩?馬可尼（Guglielmo Marconi）啟動了橫跨大西洋的遠程無線電通信實驗。弗萊明加入了這場實驗，幫助研究如何增強無線信號的接收。

簡單來說，就是研究如何在接收端檢波信號、放大信號，讓信號能夠被完美解讀。

放大信號大家都懂，那什么是檢波信號呢？

所謂信號檢波，其實就是信號篩選。天線接收到的信號，是非常雜亂的，什么信號都有。我們真正需要的信號（指定頻率的信號），需要從這些雜亂信號中“過濾”出來，這就是檢波。

想要實現(xiàn)檢波，單向導通性（單向導電）是關鍵。

無線電磁波是高頻振蕩，每秒高達幾十萬次的頻率。無線電磁波產生的感應電流，也隨著“正、負、正、負”不斷變化，如果我們用這個電流去驅動耳機，一正一負就是零，耳機就沒辦法準確地識別出信號。

采用單向導電性，正弦波的負半周就沒有了，全部是正的，電流方向一致。把高頻過濾掉之后，耳機就能夠輕松感應出電流的變化。

為了檢波信號，弗萊明想到了“愛迪生效應”—— 是不是可以基于愛迪生效應的電子流動，設計一個新型的檢波器呢？

就這樣，1904 年，世界上第一支真空電子二極管，在弗萊明的手下誕生了。當時，這個二極管也叫做“弗萊明閥”。（真空管，vacuum tube，也就是電子管，有時候也叫“膽管”。）

弗萊明的二極管，結構其實非常簡單，就是真空玻璃燈泡里，塞了兩個極：一個陰極（Cathode），加熱后可以發(fā)射電子（陰極射線）；一個陽極（Anode），可以接收電子。

玻璃管里之所以要抽成真空，是為了防止發(fā)生氣體電離，對正常的電子流動造成影響，破壞特性曲線。（抽成真空，還可以有效降低燈絲的氧化損耗。）

三極管

二極管的出現(xiàn)，解決了檢波和整流需求，當時是一個重大突破。但是，它還有改進的空間。

1906 年，美國科學家德?福雷斯特（De Forest Lee）在真空二極電子管里，巧妙地加了一個柵板（“柵極”），發(fā)明了真空三極電子管。

加了柵極之后，當柵極的電壓為正，它就會吸引更多陰極發(fā)出的電子。大部分電子穿過柵極，到達陽極，將大大增加陽極上的電流。

如果柵極的電壓為負，陰極上的電子就沒有動力前往柵極，更不會到達陽極。

柵極上很小的電流變化，能引起陽極很大的電流變化。而且，變化波形與柵極電流完全一致。所以，三極管有信號放大的作用。

一開始的三極管是單柵，后來變成了兩塊板子夾在一起的雙柵，再后來，干脆變成了整個包起來的圍柵。

真空三極管的誕生，是電子工業(yè)領域的里程碑事件。

這個小小的元件，真正實現(xiàn)了用電控制電（以往都是用機械開關控制電，存在頻率低、壽命短、易損壞的問題），用“小電流”控制“大電流”。

它集檢波、放大和振蕩三種功能于一體，為電子技術的發(fā)展奠定了基礎。

基于它，我們才有了性能越來越強的廣播電臺、收音機、留聲機、電影、電臺、雷達、無線電對講等。這些產品的廣泛普及，改變了人們的日常生活，推動了社會進步。

1919 年，德國的肖特基提出在柵極和正極間加一個簾柵極的想法。這個想法被英國的朗德在 1926 年實現(xiàn)。這就是后來的四極管。再后來，荷蘭的霍爾斯特和泰萊根又發(fā)明了五極管。

20 世紀 40 年代，計算機技術研究進入高潮。人們發(fā)現(xiàn)，電子管的單向導通特性，可以用于設計一些邏輯電路（例如與門電路、或門電路）。

于是，他們開始將電子管引入計算機領域。那時候，包括埃尼阿克（ENIAC，使用了 18000 多只電子管）在內的幾乎所有電子計算機，都是基于電子管制造的。

這里我們簡單說說門電路。

我們學習計算機基礎的時候，肯定學過基本的邏輯運算，例如與、或、非、異或、同或、與非、或非等。

計算機只認識 0 和 1。它進行計算，就是基于這些邏輯運算規(guī)則。

例如 2+1，就是二進制下的 0010+0001，做“異或運算”，等于 0011，也就是 3。

實現(xiàn)上面這些邏輯門功能的電路，就是邏輯門電路。而單向導電的電子管（真空管），可以組建變成各種邏輯門電路。

例如下面的“或門電路”和“與門電路”。

█ 晶體管

電子管高速發(fā)展和應用的同時，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)，這款產品存在一些弊端：

一方面，電子管容易破損，故障率高；另一方面，電子管需要加熱使用，很多能量都浪費在發(fā)熱上，也帶來了極高的功耗。

所以，人們開始思考 —— 是否有更好的方式，可以實現(xiàn)電路的檢波、整流和信號放大呢？

方法當然是有的。這個時候，一種偉大的材料就要登場了，它就是 —— 半導體。

半導體的萌芽

我們將時間繼續(xù)往前撥，回到更早的 18 世紀。

1782 年，意大利著名物理學家亞歷山德羅?伏特（Alessandro Volta），經過實驗總結，發(fā)現(xiàn)固體物質大致可以分為三種：

第一種，像金銀銅鐵等這樣的金屬，極易導電，稱為導體；

第二種，像木材、玻璃、陶瓷、云母等這樣的材料，不易導電，稱為絕緣體；

第三種，介于導體和絕緣體之間，會緩慢放電。

第三種材料的奇葩特性，伏特將其命名為“Semiconducting Nature”，也就是“半導體特性”。這是人類歷史上第一次出現(xiàn)“半導體（semiconductor）”這一稱呼。

后來，陸續(xù)有多位科學家，有意或無意中，發(fā)現(xiàn)了一些半導體特性現(xiàn)象。例如：

1833 年，邁克爾?法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)，硫化銀在溫度升高時，電阻反而會降低（半導體的熱敏特性）。

1839 年，法國科學家亞歷山大?貝克勒爾（Alexandre Edmond Becquerel）發(fā)現(xiàn)，光照可以使某些材料的兩端產生電勢差（半導體的光伏效應）。

1873 年，威勒畢?史密斯（Willoughby Smith）發(fā)現(xiàn)，在光線的照射下，硒材料的電導率會增加（半導體的光電導效應）。

這些現(xiàn)象，當時沒有人能夠解釋，也沒有引起太多關注。

1874 年，德國科學家卡爾?布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發(fā)現(xiàn)了天然礦石（金屬硫化物）的電流單向導通特性。這是一個巨大的里程碑。

1906 年，美國工程師格林里夫?惠特勒?皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于黃銅礦石晶體，發(fā)明了著名的礦石檢波器（crystal detector），也被稱為“貓胡須檢波器”（檢波器上有一根探針，很像貓的胡須，因此得名）。

礦石檢波器是人類最早的半導體器件。它的出現(xiàn)，是半導體材料的一次“小試牛刀”。

盡管它存在一些缺陷（品控差，工作不穩(wěn)定，因為礦石純度不高），但有力推動了電子技術的發(fā)展。當時，基于礦石檢波器的無線電接收機，促進了廣播和無線電報的普及。

能帶理論的問世

人們使用著礦石檢波器，卻始終想不明白它的工作原理。在此后的 30 余年里，科學家們反復思考 —— 為什么會有半導體材料？為什么半導體材料可以實現(xiàn)單向導電？

早期的時候，很多人甚至懷疑半導體材料是否真的存在。著名物理學家泡利（Pauli）曾經表示：“人們不應該研究半導體，那是一個骯臟的爛攤子，有誰知道是否有半導體的存在?！?/p>

后來，隨著量子力學的誕生和發(fā)展，半導體的理論研究終于有了突破。

1928 年，德國物理學家、量子力學創(chuàng)始人之一，馬克斯?普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在應用量子力學研究金屬導電問題中，首次提出了固體能帶理論。

他認為，在外電場作用下，半導體導電分為“空穴”參與的導電（即 P 型導電）和電子參與的導電（即 N 型導電）。半導體的許多奇異特性，都是由“空穴”和電子所共同決定的。

后來，能帶理論被進一步完善成型，系統(tǒng)地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質區(qū)別。

我們來簡單了解一下能帶理論。

大家在中學物理里學過，物體由分子、原子組成，原子的外層是電子。

固體物體的原子之間，靠得比較緊，電子就會混到一起。量子力學認為，電子沒法待在一個軌道上，會“撞車”。于是，軌道就硬生生分裂成了好幾個細軌道。

在量子力學里，這種細軌道，叫能級。而多個細軌道擠在一起變成的寬軌道，叫能帶。

在兩個能帶中，處于下方的是價帶，上方的是導帶，中間的是禁帶。價帶和導帶之間是禁帶。禁帶的距離，是帶隙（能帶間隙）。

電子在寬軌道上移動，宏觀上就表現(xiàn)為導電。電子太多，擠滿了，動不了，宏觀上就表現(xiàn)為不導電。

有些滿軌道和空軌道距離很近，電子可以輕松地從滿軌道跑到空軌道上，發(fā)生自由移動，這就是導體。

兩條軌道離得太遠，空隙太大，電子跑不過去，就沒有辦法導電。但是，如果從外界加一個能量，就能改變這種狀態(tài)。

如果帶隙在 5 電子伏特（5ev）之內，給電子加一個額外能量，電子能完成跨越并自由移動，即發(fā)生導電。這種屬于半導體。（硅的帶隙大約是 1.12eV，鍺大約是 0.67eV。）

如果帶隙超過 5 電子伏特（5ev），正常情況下電子無法跨越，就屬于絕緣體。（如果外界加很大的能量，也可以強行幫助它跨越過去。例如空氣，空氣是絕緣體，但是高壓電也可以擊穿空氣，形成電流。）

值得一提的是，我們現(xiàn)在經常聽說的“寬禁帶半導體”，就是包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等在內的第三代半導體材料。

它們的優(yōu)點是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發(fā)光效率高、頻率高，可用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，是行業(yè)目前大力發(fā)展的方向。

前面我們提到了電子和空穴。半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴。自由電子大家比較熟悉，什么是空穴呢？

空穴又稱電洞（Electron hole）。

常溫下，由于熱運動，少量在價帶頂部的能量大的電子，可能越過禁帶，升遷到導帶中，成為“自由電子”。

電子跑了之后，留下一個“洞”。其余未升遷的電子，就可以進入這個“洞”，由此產生電流。大家注意，空穴本身是不動的，但是由空穴“填洞”過程產生了一種正電在流動的效果，所以也被視為一種載流子。

1931 年，英國物理學家查爾斯?威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson）在能帶論的基礎上，提出半導體的物理模型。

1939 年，蘇聯(lián)物理學家А.С.達維多夫（А.С.Давыдов）、英國物理學家內維爾?莫特（Nevill Francis Mott）、德國物理學家華特?肖特基（Walter Hermann Schottky），紛紛為半導體基礎理論添磚加瓦。達維多夫首先認識到半導體中少數(shù)載流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“擴散理論”。

基于這些大佬們的貢獻，半導體的基礎理論大廈，逐漸奠基完成。

晶體管的誕生

礦石檢波器誕生之后，科學家們發(fā)現(xiàn)，這款檢波器的性能，和礦石純度有極大的關系。礦石純度越高，檢波器的性能就越好。

因此，很多科學家們進行了礦石材料（例如硫化鉛、硫化銅、氧化銅等）的提純研究，提純工藝不斷精進。

20 世紀 30 年代，貝爾實驗室的科學家羅素?奧爾（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用提純晶體材料制作的檢波器，將會完全取代電子二極管。（要知道，當時電子管處于絕對的市場統(tǒng)治地位。）

經過對 100 多種材料的逐一測試，他認為，硅晶體是制作檢波器的最理想材料。為了驗證自己的結論，他在同事杰克?斯卡夫（Jack Scaff）的幫助下，提煉出了高純度的硅晶體熔合體。

因為貝爾實驗室不具備硅晶體的切割能力，奧爾將這塊熔合體送到珠寶店，切割成不同大小的晶體樣品。

沒想到，其中一塊樣品，在光照后，一端表現(xiàn)為正極（positive），另一端表現(xiàn)為負極（negative），奧爾將其分別命名為 P 區(qū)和 N 區(qū)。就這樣，奧爾發(fā)明了世界上第一個半導體 PN 結（P–N Junction）。

二戰(zhàn)期間，AT&T 旗下的西方電氣公司，基于提純的半導體晶體，制造了一批硅晶體二極管。這些二極管體積小巧、故障率低，大大改善了盟軍雷達系統(tǒng)的工作性能和可靠性。

奧爾的 PN 結發(fā)明，以及硅晶體二極管的優(yōu)異表現(xiàn)，堅定了貝爾實驗室發(fā)展晶體管技術的決心。

1945 年，貝爾實驗室的威廉?肖克利（William Shockley）在與羅素?奧爾交流后，基于能帶理論，繪制了 P 型與 N 型半導體的能帶圖，并在此基礎上，提出了“場效應設想”。

他假設硅晶片的內部電荷可以自由移動，如果晶片足夠薄，在施加電壓的影響下，硅片內的電子或空穴會涌現(xiàn)表面，大幅提升硅晶片的導電能力，從而實現(xiàn)電流放大的效果。

根據這個設想，1947 年 12 月 23 日，貝爾實驗室的約翰?巴丁和沃爾特?布拉頓做成了世界上第一只半導體三極管放大器。也就是下面這個看上去非常奇怪且簡陋的東東：

根據實驗記錄，這個晶體管可以實現(xiàn)“電壓增益 100，功率增益 40，電流損失 1/2.5……”，表現(xiàn)非常出色。

在命名時，巴丁和布拉頓認為，這個裝置之所以能夠放大信號，是因為它的電阻變換特性，即信號從“低電阻的輸入”到“高電阻的輸出”。于是，他們將其取名為 trans-resistor（轉換電阻）。后來，縮寫為 transistor。

多年以后，我國著名科學家錢學森，將其中文譯名定為：晶體管。

我歸納一下，半導體特性是一種特殊的導電能力（受外界因素）。具有半導體特性的材料，叫半導體材料。硅和鍺，是典型的半導體材料。

微觀上，按照一定規(guī)律排列整齊的物質，叫做晶體。硅晶體就有單晶、多晶、無定型結晶等形態(tài)。

晶體形態(tài)決定了能帶結構，能帶結構決定了電學特性。所以，硅（鍺）晶體作為半導體材料，才有這么大的應用價值。

二極管、三極管、四極管，是從功能上進行命名。電子管（真空管）、晶體管（硅晶體管、鍺晶體管），是從原理上進行命名。

巴丁和布拉頓發(fā)明的晶體管，實際上應該叫做點接觸式晶體管。從下圖中也可以看出，這種設計過于簡陋。雖然它實現(xiàn)了放大功能，但結構脆弱，對外界震動敏感，也不易制造，不具備商業(yè)應用的能力。

1948 年 1 月 23 日，經過一個多月的努力，肖克利提出了一種具有三層結構的新型晶體管模型，并將其名為結式晶體管（Junction Transistor）。

幫助肖克利完成最終成品制作的，是摩根?斯帕克（Morgan Sparks）和高登?蒂爾（Gordon Kidd Teal）。

需要特別說一下這個高登?蒂爾。

他發(fā)現(xiàn)采用單晶半導體替換多晶，可以帶來顯著的性能提升。而且，也是他發(fā)現(xiàn)直拉法可以用于提純金屬單晶。這種方法后來一直沿用，是半導體行業(yè)最主要的單晶制作方法。

晶體管的誕生，對于人類科技發(fā)展擁有極為重要的意義。

它擁有電子管的能力，卻克服了電子管體積大、能耗高、放大倍數(shù)小、壽命短、成本高等全部缺點。從它誕生的那一刻，就決定了它將實現(xiàn)對電子管的全面取代。

在無線通信領域，晶體管和電子管一樣，可以實現(xiàn)對電磁波的發(fā)射、檢波以及信號放大。在數(shù)字電路領域，晶體管也可以更方便地實現(xiàn)邏輯電路。它為電子工業(yè)的騰飛打下了堅實的基礎。

█ 集成電路

晶體管的出現(xiàn)，使得電路的小型化成為可能。

1952 年，英國皇家雷達研究所的著名科學家杰夫?達默（Geoffrey Dummer），在一次會議上指出：

“隨著晶體管的出現(xiàn)和對半導體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件?！?/p>

1958 年 8 月，德州儀器公司的新員工基爾比發(fā)現(xiàn)，由很多器件組成的極小的微型電路，是可以在一塊晶片上制作出來的。也就是說，可以在硅片上制作不同的電子器件（例如電阻、電容、二極管和三極管），再把它們用細線連接起來。

不久后，9 月 12 日，基爾比基于自己的設想，成功制造出了一塊長 7/16 英寸、寬 1/16 英寸的鍺片電路，也是世界上第一塊集成電路（Integrated Circuit）。

這個電路是一個帶有 RC 反饋的單晶體管振蕩器，整個是用膠水粘在玻璃載片上的，看上去非常簡陋。電路的器件，則是用零亂的細線相連。

基爾比發(fā)明集成電路的同時，另一個人也在這個領域取得了突破。這個人，就是仙童半導體（Fairchild Semiconductor）的羅伯特?諾伊斯（Robert Norton Noyce，后來創(chuàng)辦了英特爾 Intel）。

仙童是硅谷“八叛徒”聯(lián)合創(chuàng)立的公司（詳見：仙童傳奇），在半導體技術上擁有極強的實力。

“八叛徒”之一的讓?阿梅德?霍爾尼（Jean Hoerni），發(fā)明了非常重要的平面工藝（Planner Process）。

這個工藝，就是在硅片上加上一層氧化硅作為絕緣層。然后，在這層絕緣氧化硅上打洞，用鋁薄膜將已用硅擴散技術做好的器件連接起來。

平面工藝的誕生，使得仙童能夠制造出極小尺寸的高性能硅晶體三極管，也使集成電路中器件間的連接成了可能。

1959 年１月 23 日，諾伊斯在他的工作筆記上寫到：

“將各種器件制作在同一硅晶片上，再用平面工藝將其連接起來，就能制造出多功能的電子線路。這一技術可以使電路的體積減小、重量減輕、并使成本下降?！?/p>

得知基爾比提交了集成電路專利后，諾伊斯十分懊悔，認為自己晚了一步。然而，很快他又發(fā)現(xiàn)，基爾比的發(fā)明其實存在缺陷。

基爾比的集成電路采用飛線連接，根本無法進行大規(guī)模生產，缺乏實用價值。

諾伊斯的設想是：

將電子設備的所有電路和一個個元器件都制成底版，然后刻在一個硅片上。這個硅片一旦刻好了，就是全部的電路，可以直接用于組裝產品。此外，采用蒸發(fā)沉積金屬的方式，可以代替熱焊接導線，徹底消滅飛線。

1959 年 7 月 30 日，諾伊斯基于自己的想法，申請了一項專利：“半導體器件 —— 導線結構” 。

嚴格來說，諾伊斯的發(fā)明更接近于現(xiàn)代意義上的集成電路。諾伊斯的設計基于硅基底平面工藝，而基爾比的設計基于鍺基底擴散工藝。諾伊斯依托仙童的硅工藝優(yōu)勢，做出的電路確實比基爾比更先進。

1966 年，法庭最終裁定將集成電路想法（混合型集成電路）的發(fā)明權授予了基爾比，將今天使用的封裝到一個芯片中的集成電路（真正意義上的集成電路），以及制造工藝的發(fā)明權授予了諾伊斯。

基爾比被譽為“第一塊集成電路的發(fā)明家”，而諾伊斯則是“提出了適合于工業(yè)生產的集成電路理論”的人。

1960 年 3 月，德州儀器依據杰克.基爾比的設計，正式推出了全球第一款商用化的集成電路產品 ——502 型硅雙穩(wěn)態(tài)多諧振二進制觸發(fā)器，銷售價格為 450 美元。

集成電路誕生之后，最先應用的是軍事領域（當時是冷戰(zhàn)最敏感的時期）。

1961 年，美國空軍推出了第一臺由集成電路驅動的計算機。1962 年，美國人又將集成電路用于民兵彈道導彈（Minuteman）的制導系統(tǒng)。

后來，著名的阿波羅登月計劃，更是采購了上百萬片的集成電路，讓德州儀器和仙童公司賺得盆滿缽滿。

軍用市場的成功，帶動了民用市場的拓展。1964 年，Zenith 公司將集成電路用到了助聽器上，算是集成電路在民用領域的首次落地。

那之后的故事，大家應該都比較熟悉了。在材料、工藝和制程的共同努力下，集成電路的晶體管數(shù)量不斷增加，性能持續(xù)提升，成本逐步下降，我們進入了摩爾定律時代。

基于集成電路發(fā)展起來的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，為半導體存儲、微處理器的出現(xiàn)鋪平了道路。

1970 年，英特爾推出世界上第一款 DRAM（動態(tài)隨機存儲器）集成電路 1103。次年，他們又推出世界上第一款包括運算器、控制器在內的可編程序運算芯片 ——Intel 4004。

IT 技術的黃金時代，正式開始了。

█ 晶體管的演進

我們回過頭來，再說一下晶體管。

晶體管問世至今，形態(tài)發(fā)生過多次重大改變。概括來說，就是從雙極型為主，到單極型為主。單極型的話，從 FET 到 MOSFET。從結構的角度來，又是從 PlanarFET 到 FinFET，再到 GAAFET。

縮略語有點多，而且比較接近，所以容易看暈。大家耐心一點，一個個來看。

雙極型、單極型

肖克利在 1948 年發(fā)明的結型晶體管，因為使用空穴與電子兩種載流子參與導電，被稱為雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）。

BJT 晶體管有 NPN 和 PNP 兩種結構形式：

我們可以看出，BJT 晶體管是在一塊半導體基片上，制作兩個相距很近的 PN 結。兩個 PN 結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基極（Base），兩側部分是發(fā)射極（Emitter）和集電極（Collector）。

BJT 晶體管的工作原理較為復雜，且現(xiàn)在很少用到，限于篇幅，我就不多介紹了。從本質來說，這個晶體管的主要作用，就是通過基極微小的電流變化，讓集電極產生較大的電流變化，有一個放大的作用。

前面小棗君提到過邏輯電路。由二極管與 BJT 晶體管組合而成的，被稱為 DTL （Diode-Transistor Logic）電路。后來，出現(xiàn)了全部由晶體管搭建的 TTL（Transistor-Transistor Logic）電路。

BJT 晶體管的優(yōu)點是工作頻率高、驅動能力強。但是，它也有缺點，例如功耗大、集成度低。它的制造工藝也比較復雜，采用平面工藝存在一些弊端。

于是，隨著時間的推移，一種新的晶體管開始出現(xiàn)，也就是場效應晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）。

1953 年，貝爾實驗室的伊恩?羅斯（Ian Ross）和喬治?達西（George Dacey）合作，制作了世界上第一個結型場效應晶體管（Junction Field Effect Transistor，JFET）原型。

JFET 是一種三極（三端）結構的半導體器件，包含源極（Source）、漏極（Drain）、柵極（Gate）。

JFET 分為 N 溝道（N-Channel）JFET 和 P 溝道（P-Channel）JFET。前者是一塊 N 形半導體兩邊制作兩個 P 型半導體（如上圖）。后者是一塊 P 形半導體兩邊制作兩個 N 型半導體。

JFET 的工作原理，簡單來說，就是通過控制柵極 G 和源極 S 之間的電壓（圖中 VGS），以及漏極 D 和源極 S 之間的電壓（圖中 VDS），從而控制柵極和溝道之間的 PN 結，進而控制耗盡層。

耗盡層越寬，溝道就越窄，溝道電阻越大，能夠通過的漏極電流（圖中 ID）就越小。溝道被耗盡層全部覆蓋的狀態(tài)，就叫做夾斷狀態(tài)。

JFET 晶體管工作時，只需要一種載流子，因此被稱為單極型晶體管。

1959 年，又有一種新的晶體管誕生了，那就是大名鼎鼎的 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET，金屬氧化物半導體場效應晶體管）。

它的發(fā)明人，是埃及裔科學家默罕默德?埃塔拉（Mohamed Atala，改名為 Martin Atala）與韓裔科學家姜大元（Dawon Kahng，也翻譯為江大原）。

MOSFET 同樣由源極、漏極與柵極組成?！癕OS”里的“M”，指柵極最初使用金屬（metal）實現(xiàn)?！癘”，是指柵極與襯底使用氧化物（Oxide）隔離?！癝”，則是指 MOSFET 整體由半導體（semiconductor）實現(xiàn)。

MOSFET 晶體管，也稱為 IGFET（In-sulated Gate FET，絕緣柵場效應晶體管）。

這種 MOSFET 晶體管，也分為“N 型”與“P 型” 兩種，即 NMOS 與 PMOS。按操作類型的話，也分為增強型和耗盡型。

以上圖的 N 型 MOS（更常用）為例。用 P 型硅半導體材料作襯底，在其面上擴散了兩個 N 型區(qū)，再在上面覆蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層。最后，在 N 區(qū)上方，用腐蝕的方法做成兩個孔。用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做成三個電極: G（柵極）、S（源極）、D（漏極）。

P 型硅襯底有一個端子（B），通過引線和源極 S 相連。

MOSFET 的工作原理較為簡單：

正常情況下，N 區(qū)和襯底 P 之間因為載流子的自然復合會形成一個中性的耗盡區(qū)。

給柵極提供正向電壓后，P 區(qū)的電子會在電場的作用下聚集到柵極氧化硅下，形成一個以電子為多子的區(qū)域，也就是一個溝道。

現(xiàn)在，如果在漏極和源極之間施加電壓，電流將在源極和漏極之間自由流動，實現(xiàn)導通狀態(tài)。

柵極 G 類似于一個控制電壓的閘門，若給柵極 G 施加電壓，閘門打開，電流就能從源極 S 通向漏極 D。撤掉柵極上的電壓，閘門關上，電流就無法通過。

特別需要指出，1967 年，姜大元又和華裔科學家施敏合作，共同發(fā)明了“浮柵”FGMOS（Floating Gate MOSFET）結構，奠定了半導體存儲技術的基礎。后來所有的閃存、FLASH、EEPROM 等，都是基于這個技術。

剛才介紹了 BJT、JFET、MOSFET，我先畫個圖，大家思路不要亂：

1963 年，仙童半導體的弗蘭克.萬拉斯（Frank Wanlass）和薩支唐（Chih-Tang Sah，華裔）首次提出了 CMOS 晶體管。

他們將 PMOS 與 NMOS 晶體管組合在一起，連接成互補結構，幾乎沒有靜態(tài)電流。這也是 CMOS 晶體管的“C（Complementary，互補）”的由來。

CMOS 的最大特點，就是功耗遠低于其它類型的晶體管。伴隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，集成電路的晶體管數(shù)量不斷增加，使得對功耗的要求也不斷增加?；诘凸牡奶攸c，CMOS 開始成為主流。

今天，95% 以上的集成電路芯片，都是基于 CMOS 工藝制造。

換句話說，從 1960 年代開始，晶體管的核心架構原理就已經基本定型了。以 CMOS、硅（硅的自然存量遠超過鍺，且耐熱性能比鍺更好，因此成為主流）、平面工藝為代表的集成電路生態(tài)，支撐了整個產業(yè)長達數(shù)十年的高速發(fā)展。

PlanarFET、FinFET、GAAFET

核心架構原理雖然沒變，但形態(tài)還是有變化的。

集成電路不斷升級，工藝和制程持續(xù)演進。當晶體管數(shù)量達到一定規(guī)模后，工藝會倒逼晶體管發(fā)生“變形”，以此適應發(fā)展的需要。

早期的時候，晶體管主要是平面型晶體管（PlanarFET）。

隨著晶體管體積變小，柵極的長度越做越短，源極和漏極的距離逐漸靠近。

當制程（也就是我們現(xiàn)在常說的 7nm、3nm，一般指柵極的寬度）小于 20nm 時，麻煩出現(xiàn)了：MOSFET 的柵極難以關閉電流通道，躁動的電子無法被阻攔，漏電現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)，功耗也隨之變高。

為了解決這個問題，1999 年，美籍華裔科學家胡正明教授，正式發(fā)明了鰭式場效應晶體管（FinFET）。

相比 PlanarFET 的平面設計，F(xiàn)inFET 直接變成了 3D 設計、立體結構。

它的電流通道變成了像魚鰭一樣的薄豎片，三面都用柵極包夾起來。這樣一來，就有了比較強大的電場，提升了控制通道的效率，可以更好地控制電子能否通過。

技術繼續(xù)演進，等到了 5nm 時，F(xiàn)inFET 也不行了。這時，又有了 GAAFET（環(huán)繞式柵極技術晶體管）。

GAAFET 英文全稱是 Gate-All-Around FET。相比 FinFET，GAAFET 把柵極和漏極從鰭片又變成了一根根“小棍子”，垂直穿過柵極。

這樣的話，從三接觸面到四接觸面，并且還被拆分成好幾個四接觸面，柵極對電流的控制力又進一步提高了。

韓國三星也設計出另一種 GAA 形式──MBCFET（多橋-通道場效應管）。

MBCFET 采用多層納米片替代 GAA 中的納米線，更大寬度的片狀結構增加了接觸面，在保留了所有原有優(yōu)點的同時，還實現(xiàn)了復雜度最小化。

目前，行業(yè)里的各大芯片企業(yè)，仍然在深入研究晶體管的形態(tài)升級，以期找到更好的創(chuàng)新，支撐未來的芯片技術發(fā)展。

█ 結語

好了，終于寫完了，累死了。能看到這里的，都是真愛。

總的來說，不管是電子管（真空管），還是晶體管，都是用電來控制電的小元件。晶體管基于半導體材料，所以能做得足夠小。這是芯片（集成電路）能做到“極小身材，極大能力”的本因。

半導體材料的特性，以及晶體管的作用，看上去都非常簡單。正是億萬個這種簡單的“小玩意”，支撐了人類整個數(shù)字技術的發(fā)展，推動我們邁向數(shù)智時代。

下一期，小棗君再和大家聊聊：

芯片到底是怎么制造出來的？

業(yè)界常說的 IDM 模式和 Fabless 模式，是什么意思？

芯片里那么多的晶體管，到底是怎么連接的？

敬請期待！

參考文獻：

• 1、《半導體簡史》，王齊、范淑琴，機械工業(yè)出版社；

• 2、《芯片到底是什么？》，Klaus，知乎；

• 3、《什么是芯片？什么是 IC？什么是半導體？》，在下張大喵，知乎；

• 4、《小小芯片改變我們的生活》，魏少軍；

• 5、《一塊了解下半導體工藝 FinFET》，樹哥談芯，知乎

• 6、百度百科、維基百科。

本文來自微信公眾號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君

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