半導(dǎo)體芯片，到底是如何工作的？

來源：今日芯聞，謝謝

編輯：感知芯視界 萬仞

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。

01

真空管（電子管）

愛迪生效應(yīng)

1883年，著名發(fā)明家托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）在一次實(shí)驗(yàn)中，觀察到一種奇怪現(xiàn)象。

當(dāng)時(shí)，他正在進(jìn)行燈絲（碳絲）的壽命測(cè)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(huì)，愛迪生斷開電源。他無意中發(fā)現(xiàn)，銅絲上竟然也產(chǎn)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(gè)精明的“商人”，他想到的第一件事，就是給這個(gè)發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專利。他還將這種現(xiàn)象，命名為“愛迪生效應(yīng)”。

現(xiàn)在我們知道，“愛迪生效應(yīng)”的本質(zhì)，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(jié)果被金屬銅絲捕獲，從而產(chǎn)生了電流。

愛迪生申請(qǐng)專利之后，并沒有想到這個(gè)效應(yīng)有什么用途，于是將其束之高閣。

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

弗萊明

二極管

等到弗萊明真正用到這個(gè)效應(yīng)，已經(jīng)是十幾年后的事情了。

1901年，無線電報(bào)發(fā)明人伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marconi）啟動(dòng)了橫跨大西洋的遠(yuǎn)程無線電通信實(shí)驗(yàn)。弗萊明加入了這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，幫助研究如何增強(qiáng)無線信號(hào)的接收。

簡(jiǎn)單來說，就是研究如何在接收端檢波信號(hào)、放大信號(hào)，讓信號(hào)能夠被完美解讀。

放大信號(hào)大家都懂，那什么是檢波信號(hào)呢？

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

想要實(shí)現(xiàn)檢波，單向?qū)ㄐ裕▎蜗驅(qū)щ姡┦顷P(guān)鍵。

無線電磁波是高頻振蕩，每秒高達(dá)幾十萬次的頻率。無線電磁波產(chǎn)生的感應(yīng)電流，也隨著“正、負(fù)、正、負(fù)”不斷變化，如果我們用這個(gè)電流去驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，一正一負(fù)就是零，耳機(jī)就沒辦法準(zhǔn)確地識(shí)別出信號(hào)。

采用單向?qū)щ娦?，正弦波的?fù)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(jī)就能夠輕松感應(yīng)出電流的變化。

去掉負(fù)半周，電流方向變成一致的，容易解讀

為了檢波信號(hào)，弗萊明想到了“愛迪生效應(yīng)”——是不是可以基于愛迪生效應(yīng)的電子流動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)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(dāng)時(shí)，這個(gè)二極管也叫做“弗萊明閥”。（真空管，vacuum tube，也就是電子管，有時(shí)候也叫“膽管”。）

弗萊明發(fā)明的二極管

弗萊明的二極管，結(jié)構(gòu)其實(shí)非常簡(jiǎn)單，就是真空玻璃燈泡里，塞了兩個(gè)極：一個(gè)陰極（Cathode），加熱后可以發(fā)射電子（陰極射線）；一個(gè)陽極（Anode），可以接收電子。

旁熱式二極管

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(duì)正常的電子流動(dòng)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(dāng)時(shí)是一個(gè)重大突破。但是，它還有改進(jìn)的空間。

德福雷斯特

1906年，美國科學(xué)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(gè)柵板（“柵極”），發(fā)明了真空三極電子管。

德·福雷斯特發(fā)明的三極管

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

如果柵極的電壓為負(fù)，陰極上的電子就沒有動(dòng)力前往柵極，更不會(huì)到達(dá)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(hào)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(gè)包起來的圍柵。

圍柵

真空三極管的誕生，是電子工業(yè)領(lǐng)域的里程碑事件。

這個(gè)小小的元件，真正實(shí)現(xiàn)了用電控制電（以往都是用機(jī)械開關(guān)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(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

基于它，我們才有了性能越來越強(qiáng)的廣播電臺(tái)、收音機(jī)、留聲機(jī)、電影、電臺(tái)、雷達(dá)、無線電對(duì)講等。這些產(chǎn)品的廣泛普及，改變了人們的日常生活，推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步。

真空管

1919年，德國的肖特基提出在柵極和正極間加一個(gè)簾柵極的想法。這個(gè)想法被英國的朗德在1926年實(shí)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(jì)40年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)研究進(jìn)入高潮。人們發(fā)現(xiàn)，電子管的單向?qū)ㄌ匦?，可以用于設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域。那時(shí)候，包括埃尼阿克（ENIAC，使用了18000多只電子管）在內(nèi)的幾乎所有電子計(jì)算機(jī)，都是基于電子管制造的。

埃尼阿克

這里我們簡(jiǎn)單說說門電路。

我們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的時(shí)候，肯定學(xué)過基本的邏輯運(yùn)算，例如與、或、非、異或、同或、與非、或非等。

計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)0和1。它進(jìn)行計(jì)算，就是基于這些邏輯運(yùn)算規(guī)則。

例如2+1，就是二進(jìn)制下的0010+0001，做“異或運(yùn)算”，等于0011，也就是3。

實(shí)現(xiàn)上面這些邏輯門功能的電路，就是邏輯門電路。而單向?qū)щ姷碾娮庸埽ㄕ婵展埽?，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”。

A、B為輸入，F(xiàn)為輸出

02

晶體管

電子管高速發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)，這款產(chǎn)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(fèi)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(shí)現(xiàn)電路的檢波、整流和信號(hào)放大呢？

方法當(dāng)然是有的。這個(gè)時(shí)候，一種偉大的材料就要登場(chǎng)了，它就是——半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的萌芽

我們將時(shí)間繼續(xù)往前撥，回到更早的18世紀(jì)。

1782年，意大利著名物理學(xué)家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta），經(jīng)過實(shí)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)固體物質(zhì)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(dǎo)電，稱為導(dǎo)體；

第二種，像木材、玻璃、陶瓷、云母等這樣的材料，不易導(dǎo)電，稱為絕緣體；

第三種，介于導(dǎo)體和絕緣體之間，會(huì)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(dǎo)體特性”。這是人類歷史上第一次出現(xiàn)“半導(dǎo)體（semiconductor）”這一稱呼。

亞歷山德羅·伏特

后來，陸續(xù)有多位科學(xué)家，有意或無意中，發(fā)現(xiàn)了一些半導(dǎo)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(shí)，電阻反而會(huì)降低（半導(dǎo)體的熱敏特性）。

1839年，法國科學(xué)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(chǎn)生電勢(shì)差（半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)）。

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(dǎo)率會(huì)增加（半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)）。

這些現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)沒有人能夠解釋，也沒有引起太多關(guān)注。

1874年，德國科學(xué)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?qū)ㄌ匦?。這是一個(gè)巨大的里程碑。

卡爾·布勞恩

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

礦石檢波器是人類最早的半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)，是半導(dǎo)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?yàn)榈V石純度不高），但有力推動(dòng)了電子技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，基于礦石檢波器的無線電接收機(jī)，促進(jìn)了廣播和無線電報(bào)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(xué)家們反復(fù)思考——為什么會(huì)有半導(dǎo)體材料？為什么半導(dǎo)體材料可以實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ姡?/p>

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

后來，隨著量子力學(xué)的誕生和發(fā)展，半導(dǎo)體的理論研究終于有了突破。

1928年，德國物理學(xué)家、量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，馬克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在應(yīng)用量子力學(xué)研究金屬導(dǎo)電問題中，首次提出了固體能帶理論。

量子理論之父，普朗克

他認(rèn)為，在外電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體導(dǎo)電分為“空穴”參與的導(dǎo)電（即P型導(dǎo)電）和電子參與的導(dǎo)電（即N型導(dǎo)電）。半導(dǎo)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(jìn)一步完善成型，系統(tǒng)地解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的本質(zhì)區(qū)別。

我們來簡(jiǎn)單了解一下能帶理論。

大家在中學(xué)物理里學(xué)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(huì)混到一起。量子力學(xué)認(rèn)為，電子沒法待在一個(gè)軌道上，會(huì)“撞車”。于是，軌道就硬生生分裂成了好幾個(gè)細(xì)軌道。

在量子力學(xué)里，這種細(xì)軌道，叫能級(jí)。而多個(gè)細(xì)軌道擠在一起變成的寬軌道，叫能帶。

在兩個(gè)能帶中，處于下方的是價(jià)帶，上方的是導(dǎo)帶，中間的是禁帶。價(jià)帶和導(dǎo)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(dòng)，宏觀上就表現(xiàn)為導(dǎo)電。電子太多，擠滿了，動(dòng)不了，宏觀上就表現(xiàn)為不導(dǎo)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(dòng)，這就是導(dǎo)體。

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

如果帶隙在5電子伏特（5ev）之內(nèi)，給電子加一個(gè)額外能量，電子能完成跨越并自由移動(dòng)，即發(fā)生導(dǎo)電。這種屬于半導(dǎo)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(qiáng)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(jīng)常聽說的“寬禁帶半導(dǎo)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(nèi)的第三代半導(dǎo)體材料。

它們的優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、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(dǎo)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(yùn)動(dòng)，少量在價(jià)帶頂部的能量大的電子，可能越過禁帶，升遷到導(dǎo)帶中，成為“自由電子”。

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

1931年，英國物理學(xué)家查爾斯·威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson）在能帶論的基礎(chǔ)上，提出半導(dǎo)體的物理模型。

1939年，蘇聯(lián)物理學(xué)家А.С.達(dá)維多夫（А.С.Давыдов）、英國物理學(xué)家內(nèi)維爾·莫特（Nevill Francis Mott）、德國物理學(xué)家華特?肖特基（Walter Hermann Schottky），紛紛為半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論添磚加瓦。達(dá)維多夫首先認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)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(kuò)散理論”。

基于這些大佬們的貢獻(xiàn)，半導(dǎo)體的基礎(chǔ)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這款檢波器的性能，和礦石純度有極大的關(guān)系。礦石純度越高，檢波器的性能就越好。

因此，很多科學(xué)家們進(jìn)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(jìn)。

20世紀(jì)30年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)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(huì)完全取代電子二極管。（要知道，當(dāng)時(shí)電子管處于絕對(duì)的市場(chǎng)統(tǒng)治地位。）

羅素·奧爾，他還是現(xiàn)代太陽能電池之父

經(jīng)過對(duì)100多種材料的逐一測(cè)試，他認(rèn)為，硅晶體是制作檢波器的最理想材料。為了驗(yàn)證自己的結(jié)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?yàn)樨悹枌?shí)驗(yàn)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(fù)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(gè)半導(dǎo)體PN結(jié)（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(dǎo)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(dá)系統(tǒng)的工作性能和可靠性。

奧爾的PN結(jié)發(fā)明，以及硅晶體二極管的優(yōu)異表現(xiàn)，堅(jiān)定了貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)展晶體管技術(shù)的決心。

1945年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體的能帶圖，并在此基礎(chǔ)上，提出了“場(chǎng)效應(yīng)設(shè)想”。

肖克利的場(chǎng)效應(yīng)設(shè)想

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

根據(jù)這個(gè)設(shè)想，1947年12月23日，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓做成了世界上第一只半導(dǎo)體三極管放大器。也就是下面這個(gè)看上去非常奇怪且簡(jiǎn)陋的東東：

世界上第一個(gè)晶體管（基于鍺半導(dǎo)體）

晶體管的電路模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，這個(gè)晶體管可以實(shí)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(shí)，巴丁和布拉頓認(rèn)為，這個(gè)裝置之所以能夠放大信號(hào)，是因?yàn)樗碾娮枳儞Q特性，即信號(hào)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(zhuǎn)換電阻）。后來，縮寫為transistor。

多年以后，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森，將其中文譯名定為：晶體管。

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

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

晶體形態(tài)決定了能帶結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)決定了電學(xué)特性。所以，硅（鍺）晶體作為半導(dǎo)體材料，才有這么大的應(yīng)用價(jià)值。

二極管、三極管、四極管，是從功能上進(jìn)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(jìn)行命名。

巴丁和布拉頓發(fā)明的晶體管，實(shí)際上應(yīng)該叫做點(diǎn)接觸式晶體管。從下圖中也可以看出，這種設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)陋。雖然它實(shí)現(xiàn)了放大功能，但結(jié)構(gòu)脆弱，對(duì)外界震動(dòng)敏感，也不易制造，不具備商業(yè)應(yīng)用的能力。

肖克利看準(zhǔn)了這個(gè)缺陷，開始閉關(guān)研究新的晶體管設(shè)計(jì)。

1948年1月23日，經(jīng)過一個(gè)多月的努力，肖克利提出了一種具有三層結(jié)構(gòu)的新型晶體管模型，并將其名為結(jié)式晶體管（Junction Transistor）。

肖克利的結(jié)式晶體管設(shè)計(jì)

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(gè)高登·蒂爾。

他發(fā)現(xiàn)采用單晶半導(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)最主要的單晶制作方法。

晶體管的誕生，對(duì)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(diǎn)。從它誕生的那一刻，就決定了它將實(shí)現(xiàn)對(duì)電子管的全面取代。

正在生產(chǎn)晶體管的工人

在無線通信領(lǐng)域，晶體管和電子管一樣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的發(fā)射、檢波以及信號(hào)放大。在數(shù)字電路領(lǐng)域，晶體管也可以更方便地實(shí)現(xiàn)邏輯電路。它為電子工業(yè)的騰飛打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

后來不斷壯大的晶體管家族

03

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(dá)研究所的著名科學(xué)家杰夫·達(dá)默（Geoffrey Dummer），在一次會(huì)議上指出：

“隨著晶體管的出現(xiàn)和對(duì)半導(dǎo)體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設(shè)備是一種沒有連接線的固體組件。”

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(xì)線連接起來。

不久后，9月12日，基爾比基于自己的設(shè)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(gè)電路是一個(gè)帶有RC反饋的單晶體管振蕩器，整個(gè)是用膠水粘在玻璃載片上的，看上去非常簡(jiǎn)陋。電路的器件，則是用零亂的細(xì)線相連。

基爾比發(fā)明集成電路的同時(shí)，另一個(gè)人也在這個(gè)領(lǐng)域取得了突破。這個(gè)人，就是仙童半導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)上擁有極強(qiáng)的實(shí)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(gè)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(kuò)散技術(shù)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(shù)可以使電路的體積減小、重量減輕、并使成本下降?！?/p>

諾伊斯

得知基爾比提交了集成電路專利后，諾伊斯十分懊悔，認(rèn)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(shí)存在缺陷。

基爾比的集成電路采用飛線連接，根本無法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，缺乏實(shí)用價(jià)值。

諾伊斯的設(shè)想是：

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

仙童的硅晶體集成電路

1959年7月30日，諾伊斯基于自己的想法，申請(qǐng)了一項(xiàng)專利：“半導(dǎo)體器件——導(dǎo)線結(jié)構(gòu)” 。

嚴(yán)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(shè)計(jì)基于硅基底平面工藝，而基爾比的設(shè)計(jì)基于鍺基底擴(kuò)散工藝。諾伊斯依托仙童的硅工藝優(yōu)勢(shì)，做出的電路確實(shí)比基爾比更先進(jìn)。

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(quán)授予了基爾比，將今天使用的封裝到一個(gè)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(quán)授予了諾伊斯。

基爾比被譽(yù)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(chǎn)的集成電路理論”的人。

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

集成電路誕生之后，最先應(yīng)用的是軍事領(lǐng)域（當(dāng)時(shí)是冷戰(zhàn)最敏感的時(shí)期）。

1961年，美國空軍推出了第一臺(tái)由集成電路驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)。1962年，美國人又將集成電路用于民兵彈道導(dǎo)彈（Minuteman）的制導(dǎo)系統(tǒng)。

后來，著名的阿波羅登月計(jì)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(chǎng)的成功，帶動(dòng)了民用市場(chǎng)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(lǐng)域的首次落地。

那之后的故事，大家應(yīng)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(jìn)入了摩爾定律時(shí)代。

摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

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(dǎo)體存儲(chǔ)、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(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）集成電路1103。次年，他們又推出世界上第一款包括運(yùn)算器、控制器在內(nèi)的可編程序運(yùn)算芯片——Intel 4004。

IT技術(shù)的黃金時(shí)代，正式開始了。

04

晶體管的演進(jìn)

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(jié)構(gòu)的角度來，又是從PlanarFET到FinFET，再到GAAFET。

縮略語有點(diǎn)多，而且比較接近，所以容易看暈。大家耐心一點(diǎn)，一個(gè)個(gè)來看。

雙極型、單極型

肖克利在1948年發(fā)明的結(jié)型晶體管，因?yàn)槭褂每昭ㄅc電子兩種載流子參與導(dǎo)電，被稱為雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）。

BJT晶體管有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式：

我們可以看出，BJT晶體管是在一塊半導(dǎo)體基片上，制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)。兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基極（Base），兩側(cè)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(fù)雜，且現(xiàn)在很少用到，限于篇幅，我就不多介紹了。從本質(zhì)來說，這個(gè)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(chǎn)生較大的電流變化，有一個(gè)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(diǎn)是工作頻率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。但是，它也有缺點(diǎn)，例如功耗大、集成度低。它的制造工藝也比較復(fù)雜，采用平面工藝存在一些弊端。

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

1953年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的伊恩·羅斯（Ian Ross）和喬治·達(dá)西（George Dacey）合作，制作了世界上第一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Junction Field Effect Transistor，JFET）原型。

JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管），此為N溝道

JFET是一種三極（三端）結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)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(dǎo)體兩邊制作兩個(gè)P型半導(dǎo)體（如上圖）。后者是一塊P形半導(dǎo)體兩邊制作兩個(gè)N型半導(dǎo)體。

JFET的工作原理，簡(jiǎn)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(jié)，進(jìn)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(shí)，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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。

它的發(fā)明人，是埃及裔科學(xué)家默罕默德·埃塔拉（Mohamed Atala，改名為Martin Atala）與韓裔科學(xué)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(shí)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(dǎo)體（semiconductor）實(shí)現(xiàn)。

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

MOSFET（N型）

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(qiáng)型和耗盡型。

以上圖的N型MOS（更常用）為例。用P型硅半導(dǎo)體材料作襯底，在其面上擴(kuò)散了兩個(gè)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(gè)孔。用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)電極: G（柵極）、S（源極）、D（漏極）。

P型硅襯底有一個(gè)端子（B），通過引線和源極S相連。

MOSFET的工作原理較為簡(jiǎn)單：

正常情況下，N區(qū)和襯底P之間因?yàn)檩d流子的自然復(fù)合會(huì)形成一個(gè)中性的耗盡區(qū)。

給柵極提供正向電壓后，P區(qū)的電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下聚集到柵極氧化硅下，形成一個(gè)以電子為多子的區(qū)域，也就是一個(gè)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)。

柵極G類似于一個(gè)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(guān)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(xué)家施敏合作，共同發(fā)明了“浮柵”FGMOS（Floating Gate MOSFET）結(jié)構(gòu)，奠定了半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)。后來所有的閃存、FLASH、EEPROM等，都是基于這個(gè)技術(shù)。

剛才介紹了BJT、JFET、MOSFET，我先畫個(gè)圖，大家思路不要亂：

1963年，仙童半導(dǎo)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(bǔ)結(jié)構(gòu)，幾乎沒有靜態(tài)電流。這也是CMOS晶體管的“C（Complementary，互補(bǔ)）”的由來。

CMOS的最大特點(diǎn)，就是功耗遠(yuǎn)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(duì)功耗的要求也不斷增加?；诘凸牡奶攸c(diǎn)，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(gòu)原理就已經(jīng)基本定型了。以CMOS、硅（硅的自然存量遠(yuǎn)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(gè)產(chǎn)業(yè)長達(dá)數(shù)十年的高速發(fā)展。

PlanarFET、FinFET、GAAFET

核心架構(gòu)原理雖然沒變，但形態(tài)還是有變化的。

集成電路不斷升級(jí)，工藝和制程持續(xù)演進(jìn)。當(dāng)晶體管數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模后，工藝會(huì)倒逼晶體管發(fā)生“變形”，以此適應(yīng)發(fā)展的需要。

早期的時(shí)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(dāng)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(shí)，麻煩出現(xiàn)了：MOSFET的柵極難以關(guān)閉電流通道，躁動(dòng)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(gè)問題，1999年，美籍華裔科學(xué)家胡正明教授，正式發(fā)明了鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）。

相比PlanarFET的平面設(shè)計(jì)，F(xiàn)inFET直接變成了3D設(shè)計(jì)、立體結(jié)構(gòu)。

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(qiáng)大的電場(chǎng)，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(shù)繼續(xù)演進(jìn)，等到了5nm時(shí)，F(xiàn)inFET也不行了。這時(shí)，又有了GAAFET（環(huán)繞式柵極技術(shù)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(gè)四接觸面，柵極對(duì)電流的控制力又進(jìn)一步提高了。

韓國三星也設(shè)計(jì)出另一種GAA形式──MBCFET（多橋-通道場(chǎng)效應(yīng)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(jié)構(gòu)增加了接觸面，在保留了所有原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了復(fù)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(jí)，以期找到更好的創(chuàng)新，支撐未來的芯片技術(shù)發(fā)展。

05

結(jié)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(dǎo)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(dǎo)體材料的特性，以及晶體管的作用，看上去都非常簡(jiǎn)單。正是億萬個(gè)這種簡(jiǎn)單的“小玩意”，支撐了人類整個(gè)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)我們邁向數(shù)智時(shí)代。

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