半导体芯片，到底是如何工作的？

上一篇文章（写给小白的芯片半导体科普），小枣君给大家介绍了一些芯片半导体的基础知识。

今天这篇，我们继续往下讲，说说芯片的诞生过程 —— 从真空管、晶体管到集成电路，从 BJT、MOSFET 到 CMOS，芯片究竟是如何发展起来的，又是如何工作的。

█ 真空管（电子管）

爱迪生效应

1883 年，著名发明家托马斯・爱迪生（Thomas Edison）在一次实验中，观察到一种奇怪现象。

当时，他正在进行灯丝（碳丝）的寿命测试。在灯丝旁边，他放置了一根铜丝，但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说，铜丝没有通电。

碳丝正常通电后，开始发光发热。过了一会，爱迪生断开电源。他无意中发现，铜丝上竟然也产生了电流。

爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因，但是，作为一个精明的“商人”，他想到的第一件事，就是给这个发现申请专利。他还将这种现象，命名为“爱迪生效应”。

现在我们知道，“爱迪生效应”的本质，是热电子发射。也就是说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流。

爱迪生申请专利之后，并没有想到这个效应有什么用途，于是将其束之高阁。

1884 年，英国物理学家约翰・安布罗斯・弗莱明（John Ambrose Fleming）访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了爱迪生效应，给弗莱明留下了深刻的印象。

弗莱明

二极管

等到弗莱明真正用到这个效应，已经是十几年后的事情了。

1901 年，无线电报发明人伽利尔摩・马可尼（Guglielmo Marconi）启动了横跨大西洋的远程无线电通信实验。弗莱明加入了这场实验，帮助研究如何增强无线信号的接收。

简单来说，就是研究如何在接收端检波信号、放大信号，让信号能够被完美解读。

放大信号大家都懂，那什么是检波信号呢？

所谓信号检波，其实就是信号筛选。天线接收到的信号，是非常杂乱的，什么信号都有。我们真正需要的信号（指定频率的信号），需要从这些杂乱信号中“过滤”出来，这就是检波。

想要实现检波，单向导通性（单向导电）是关键。

无线电磁波是高频振荡，每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流，也随着“正、负、正、负”不断变化，如果我们用这个电流去驱动耳机，一正一负就是零，耳机就没办法准确地识别出信号。

采用单向导电性，正弦波的负半周就没有了，全部是正的，电流方向一致。把高频过滤掉之后，耳机就能够轻松感应出电流的变化。

去掉负半周，电流方向变成一致的，容易解读为了检波信号，弗莱明想到了“爱迪生效应”—— 是不是可以基于爱迪生效应的电子流动，设计一个新型的检波器呢？

就这样，1904 年，世界上第一支真空电子二极管，在弗莱明的手下诞生了。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管，vacuum tube，也就是电子管，有时候也叫“胆管”。）

弗莱明发明的二极管弗莱明的二极管，结构其实非常简单，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极：一个阴极（Cathode），加热后可以发射电子（阴极射线）；一个阳极（Anode），可以接收电子。

旁热式二极管玻璃管里之所以要抽成真空，是为了防止发生气体电离，对正常的电子流动造成影响，破坏特性曲线。（抽成真空，还可以有效降低灯丝的氧化损耗。）

三极管

二极管的出现，解决了检波和整流需求，当时是一个重大突破。但是，它还有改进的空间。

德福雷斯特1906 年，美国科学家德・福雷斯特（De Forest Lee）在真空二极电子管里，巧妙地加了一个栅板（“栅极”），发明了真空三极电子管。

德・福雷斯特发明的三极管加了栅极之后，当栅极的电压为正，它就会吸引更多阴极发出的电子。大部分电子穿过栅极，到达阳极，将大大增加阳极上的电流。

如果栅极的电压为负，阴极上的电子就没有动力前往栅极，更不会到达阳极。

栅极上很小的电流变化，能引起阳极很大的电流变化。而且，变化波形与栅极电流完全一致。所以，三极管有信号放大的作用。

一开始的三极管是单栅，后来变成了两块板子夹在一起的双栅，再后来，干脆变成了整个包起来的围栅。

围栅真空三极管的诞生，是电子工业领域的里程碑事件。

这个小小的元件，真正实现了用电控制电（以往都是用机械开关控制电，存在频率低、寿命短、易损坏的问题），用“小电流”控制“大电流”。

它集检波、放大和振荡三种功能于一体，为电子技术的发展奠定了基础。

基于它，我们才有了性能越来越强的广播电台、收音机、留声机、电影、电台、雷达、无线电对讲等。这些产品的广泛普及，改变了人们的日常生活，推动了社会进步。

真空管1919 年，德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法。这个想法被英国的朗德在 1926 年实现。这就是后来的四极管。再后来，荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管。

20 世纪 40 年代，计算机技术研究进入高潮。人们发现，电子管的单向导通特性，可以用于设计一些逻辑电路（例如与门电路、或门电路）。

于是，他们开始将电子管引入计算机领域。那时候，包括埃尼阿克（ENIAC，使用了 18000 多只电子管）在内的几乎所有电子计算机，都是基于电子管制造的。

埃尼阿克这里我们简单说说门电路。

我们学习计算机基础的时候，肯定学过基本的逻辑运算，例如与、或、非、异或、同或、与非、或非等。

计算机只认识 0 和 1。它进行计算，就是基于这些逻辑运算规则。

例如 2+1，就是二进制下的 0010+0001，做“异或运算”，等于 0011，也就是 3。

实现上面这些逻辑门功能的电路，就是逻辑门电路。而单向导电的电子管（真空管），可以组建变成各种逻辑门电路。

例如下面的“或门电路”和“与门电路”。

A、B 为输入，F 为输出

█ 晶体管

电子管高速发展和应用的同时，人们也逐渐发现，这款产品存在一些弊端：

一方面，电子管容易破损，故障率高；另一方面，电子管需要加热使用，很多能量都浪费在发热上，也带来了极高的功耗。

所以，人们开始思考 —— 是否有更好的方式，可以实现电路的检波、整流和信号放大呢？

方法当然是有的。这个时候，一种伟大的材料就要登场了，它就是 —— 半导体。

半导体的萌芽

我们将时间继续往前拨，回到更早的 18 世纪。

1782 年，意大利著名物理学家亚历山德罗・伏特（Alessandro Volta），经过实验总结，发现固体物质大致可以分为三种：

第一种，像金银铜铁等这样的金属，极易导电，称为导体；

第二种，像木材、玻璃、陶瓷、云母等这样的材料，不易导电，称为绝缘体；

第三种，介于导体和绝缘体之间，会缓慢放电。

第三种材料的奇葩特性，伏特将其命名为“Semiconducting Nature”，也就是“半导体特性”。这是人类历史上第一次出现“半导体（semiconductor）”这一称呼。

亚历山德罗・伏特后来，陆续有多位科学家，有意或无意中，发现了一些半导体特性现象。例如：

1833 年，迈克尔・法拉第（Michael Faraday）发现，硫化银在温度升高时，电阻反而会降低（半导体的热敏特性）。

1839 年，法国科学家亚历山大・贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel）发现，光照可以使某些材料的两端产生电势差（半导体的光伏效应）。

1873 年，威勒毕・史密斯（Willoughby Smith）发现，在光线的照射下，硒材料的电导率会增加（半导体的光电导效应）。

这些现象，当时没有人能够解释，也没有引起太多关注。

1874 年，德国科学家卡尔・布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发现了天然矿石（金属硫化物）的电流单向导通特性。这是一个巨大的里程碑。

卡尔・布劳恩1906 年，美国工程师格林里夫・惠特勒・皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于黄铜矿石晶体，发明了著名的矿石检波器（crystal detector），也被称为“猫胡须检波器”（检波器上有一根探针，很像猫的胡须，因此得名）。

矿石检波器矿石检波器是人类最早的半导体器件。它的出现，是半导体材料的一次“小试牛刀”。

尽管它存在一些缺陷（品控差，工作不稳定，因为矿石纯度不高），但有力推动了电子技术的发展。当时，基于矿石检波器的无线电接收机，促进了广播和无线电报的普及。

能带理论的问世

人们使用着矿石检波器，却始终想不明白它的工作原理。在此后的 30 余年里，科学家们反复思考 —— 为什么会有半导体材料？为什么半导体材料可以实现单向导电？

早期的时候，很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利（Pauli）曾经表示：“人们不应该研究半导体，那是一个肮脏的烂摊子，有谁知道是否有半导体的存在。”

后来，随着量子力学的诞生和发展，半导体的理论研究终于有了突破。

1928 年，德国物理学家、量子力学创始人之一，马克斯・普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在应用量子力学研究金属导电问题中，首次提出了固体能带理论。

量子理论之父，普朗克他认为，在外电场作用下，半导体导电分为“空穴”参与的导电（即 P 型导电）和电子参与的导电（即 N 型导电）。半导体的许多奇异特性，都是由“空穴”和电子所共同决定的。

后来，能带理论被进一步完善成型，系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别。

我们来简单了解一下能带理论。

大家在中学物理里学过，物体由分子、原子组成，原子的外层是电子。

固体物体的原子之间，靠得比较紧，电子就会混到一起。量子力学认为，电子没法待在一个轨道上，会“撞车”。于是，轨道就硬生生分裂成了好几个细轨道。

在量子力学里，这种细轨道，叫能级。而多个细轨道挤在一起变成的宽轨道，叫能带。

在两个能带中，处于下方的是价带，上方的是导带，中间的是禁带。价带和导带之间是禁带。禁带的距离，是带隙（能带间隙）。

电子在宽轨道上移动，宏观上就表现为导电。电子太多，挤满了，动不了，宏观上就表现为不导电。

有些满轨道和空轨道距离很近，电子可以轻松地从满轨道跑到空轨道上，发生自由移动，这就是导体。

两条轨道离得太远，空隙太大，电子跑不过去，就没有办法导电。但是，如果从外界加一个能量，就能改变这种状态。

如果带隙在 5 电子伏特（5ev）之内，给电子加一个额外能量，电子能完成跨越并自由移动，即发生导电。这种属于半导体。（硅的带隙大约是 1.12eV，锗大约是 0.67eV。）

如果带隙超过 5 电子伏特（5ev），正常情况下电子无法跨越，就属于绝缘体。（如果外界加很大的能量，也可以强行帮助它跨越过去。例如空气，空气是绝缘体，但是高压电也可以击穿空气，形成电流。）

值得一提的是，我们现在经常听说的“宽禁带半导体”，就是包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等在内的第三代半导体材料。

它们的优点是禁带宽度大（>2.2ev）、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高，可用于高温、高频、抗辐射及大功率器件，是行业目前大力发展的方向。

前面我们提到了电子和空穴。半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子大家比较熟悉，什么是空穴呢？

空穴又称电洞（Electron hole）。

常温下，由于热运动，少量在价带顶部的能量大的电子，可能越过禁带，升迁到导带中，成为“自由电子”。

电子跑了之后，留下一个“洞”。其余未升迁的电子，就可以进入这个“洞”，由此产生电流。大家注意，空穴本身是不动的，但是由空穴“填洞”过程产生了一种正电在流动的效果，所以也被视为一种载流子。

1931 年，英国物理学家查尔斯・威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）在能带论的基础上，提出半导体的物理模型。

1939 年，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов）、英国物理学家内维尔・莫特（Nevill Francis Mott）、德国物理学家华特・肖特基（Walter Hermann Schottky），纷纷为半导体基础理论添砖加瓦。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。

基于这些大佬们的贡献，半导体的基础理论大厦，逐渐奠基完成。

晶体管的诞生

矿石检波器诞生之后，科学家们发现，这款检波器的性能，和矿石纯度有极大的关系。矿石纯度越高，检波器的性能就越好。

因此，很多科学家们进行了矿石材料（例如硫化铅、硫化铜、氧化铜等）的提纯研究，提纯工艺不断精进。

20 世纪 30 年代，贝尔实验室的科学家罗素・奥尔（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用提纯晶体材料制作的检波器，将会完全取代电子二极管。（要知道，当时电子管处于绝对的市场统治地位。）

罗素・奥尔，他还是现代太阳能电池之父经过对 100 多种材料的逐一测试，他认为，硅晶体是制作检波器的最理想材料。为了验证自己的结论，他在同事杰克・斯卡夫（Jack Scaff）的帮助下，提炼出了高纯度的硅晶体熔合体。

因为贝尔实验室不具备硅晶体的切割能力，奥尔将这块熔合体送到珠宝店，切割成不同大小的晶体样品。

没想到，其中一块样品，在光照后，一端表现为正极（positive），另一端表现为负极（negative），奥尔将其分别命名为 P 区和 N 区。就这样，奥尔发明了世界上第一个半导体 PN 结（P–N Junction）。

二战期间，AT&T 旗下的西方电气公司，基于提纯的半导体晶体，制造了一批硅晶体二极管。这些二极管体积小巧、故障率低，大大改善了盟军雷达系统的工作性能和可靠性。

奥尔的 PN 结发明，以及硅晶体二极管的优异表现，坚定了贝尔实验室发展晶体管技术的决心。

1945 年，贝尔实验室的威廉・肖克利（William Shockley）在与罗素・奥尔交流后，基于能带理论，绘制了 P 型与 N 型半导体的能带图，并在此基础上，提出了“场效应设想”。

肖克利的场效应设想他假设硅晶片的内部电荷可以自由移动，如果晶片足够薄，在施加电压的影响下，硅片内的电子或空穴会涌现表面，大幅提升硅晶片的导电能力，从而实现电流放大的效果。

根据这个设想，1947 年 12 月 23 日，贝尔实验室的约翰・巴丁和沃尔特・布拉顿做成了世界上第一只半导体三极管放大器。也就是下面这个看上去非常奇怪且简陋的东东：

世界上第一个晶体管（基于锗半导体）

晶体管的电路模型根据实验记录，这个晶体管可以实现“电压增益 100，功率增益 40，电流损失 1/2.5……”，表现非常出色。

在命名时，巴丁和布拉顿认为，这个装置之所以能够放大信号，是因为它的电阻变换特性，即信号从“低电阻的输入”到“高电阻的输出”。于是，他们将其取名为 trans-resistor（转换电阻）。后来，缩写为 transistor。

多年以后，我国著名科学家钱学森，将其中文译名定为：晶体管。

我归纳一下，半导体特性是一种特殊的导电能力（受外界因素）。具有半导体特性的材料，叫半导体材料。硅和锗，是典型的半导体材料。

微观上，按照一定规律排列整齐的物质，叫做晶体。硅晶体就有单晶、多晶、无定型结晶等形态。

晶体形态决定了能带结构，能带结构决定了电学特性。所以，硅（锗）晶体作为半导体材料，才有这么大的应用价值。

二极管、三极管、四极管，是从功能上进行命名。电子管（真空管）、晶体管（硅晶体管、锗晶体管），是从原理上进行命名。

巴丁和布拉顿发明的晶体管，实际上应该叫做点接触式晶体管。从下图中也可以看出，这种设计过于简陋。虽然它实现了放大功能，但结构脆弱，对外界震动敏感，也不易制造，不具备商业应用的能力。

肖克利看准了这个缺陷，开始闭关研究新的晶体管设计。1948 年 1 月 23 日，经过一个多月的努力，肖克利提出了一种具有三层结构的新型晶体管模型，并将其名为结式晶体管（Junction Transistor）。

肖克利的结式晶体管设计

帮助肖克利完成最终成品制作的，是摩根・斯帕克（Morgan Sparks）和高登・蒂尔（Gordon Kidd Teal）。

需要特别说一下这个高登・蒂尔。

他发现采用单晶半导体替换多晶，可以带来显著的性能提升。而且，也是他发现直拉法可以用于提纯金属单晶。这种方法后来一直沿用，是半导体行业最主要的单晶制作方法。

晶体管的诞生，对于人类科技发展拥有极为重要的意义。

它拥有电子管的能力，却克服了电子管体积大、能耗高、放大倍数小、寿命短、成本高等全部缺点。从它诞生的那一刻，就决定了它将实现对电子管的全面取代。

正在生产晶体管的工人在无线通信领域，晶体管和电子管一样，可以实现对电磁波的发射、检波以及信号放大。在数字电路领域，晶体管也可以更方便地实现逻辑电路。它为电子工业的腾飞打下了坚实的基础。

后来不断壮大的晶体管家族

█ 集成电路

晶体管的出现，使得电路的小型化成为可能。

1952 年，英国皇家雷达研究所的著名科学家杰夫・达默（Geoffrey Dummer），在一次会议上指出：

“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件。”

1958 年 8 月，德州仪器公司的新员工基尔比发现，由很多器件组成的极小的微型电路，是可以在一块晶片上制作出来的。也就是说，可以在硅片上制作不同的电子器件（例如电阻、电容、二极管和三极管），再把它们用细线连接起来。

不久后，9 月 12 日，基尔比基于自己的设想，成功制造出了一块长 7/16 英寸、宽 1/16 英寸的锗片电路，也是世界上第一块集成电路（Integrated Circuit）。

这个电路是一个带有 RC 反馈的单晶体管振荡器，整个是用胶水粘在玻璃载片上的，看上去非常简陋。电路的器件，则是用零乱的细线相连。

基尔比发明集成电路的同时，另一个人也在这个领域取得了突破。这个人，就是仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的罗伯特・诺伊斯（Robert Norton Noyce，后来创办了英特尔 Intel）。

仙童是硅谷“八叛徒”联合创立的公司（详见：仙童传奇），在半导体技术上拥有极强的实力。

“八叛徒”之一的让・阿梅德・霍尔尼（Jean Hoerni），发明了非常重要的平面工艺（Planner Process）。

这个工艺，就是在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层。然后，在这层绝缘氧化硅上打洞，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来。

平面工艺的诞生，使得仙童能够制造出极小尺寸的高性能硅晶体三极管，也使集成电路中器件间的连接成了可能。

1959 年１月 23 日，诺伊斯在他的工作笔记上写到：

“将各种器件制作在同一硅晶片上，再用平面工艺将其连接起来，就能制造出多功能的电子线路。这一技术可以使电路的体积减小、重量减轻、并使成本下降。”

诺伊斯得知基尔比提交了集成电路专利后，诺伊斯十分懊悔，认为自己晚了一步。然而，很快他又发现，基尔比的发明其实存在缺陷。

基尔比的集成电路采用飞线连接，根本无法进行大规模生产，缺乏实用价值。

诺伊斯的设想是：

将电子设备的所有电路和一个个元器件都制成底版，然后刻在一个硅片上。这个硅片一旦刻好了，就是全部的电路，可以直接用于组装产品。此外，采用蒸发沉积金属的方式，可以代替热焊接导线，彻底消灭飞线。

仙童的硅晶体集成电路1959 年 7 月 30 日，诺伊斯基于自己的想法，申请了一项专利：“半导体器件 —— 导线结构” 。

严格来说，诺伊斯的发明更接近于现代意义上的集成电路。诺伊斯的设计基于硅基底平面工艺，而基尔比的设计基于锗基底扩散工艺。诺伊斯依托仙童的硅工艺优势，做出的电路确实比基尔比更先进。

1966 年，法庭最终裁定将集成电路想法（混合型集成电路）的发明权授予了基尔比，将今天使用的封装到一个芯片中的集成电路（真正意义上的集成电路），以及制造工艺的发明权授予了诺伊斯。

基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺伊斯则是“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。

1960 年 3 月，德州仪器依据杰克.基尔比的设计，正式推出了全球第一款商用化的集成电路产品 ——502 型硅双稳态多谐振二进制触发器，销售价格为 450 美元。

集成电路诞生之后，最先应用的是军事领域（当时是冷战最敏感的时期）。

1961 年，美国空军推出了第一台由集成电路驱动的计算机。1962 年，美国人又将集成电路用于民兵弹道导弹（Minuteman）的制导系统。

后来，著名的阿波罗登月计划，更是采购了上百万片的集成电路，让德州仪器和仙童公司赚得盆满钵满。

军用市场的成功，带动了民用市场的拓展。1964 年，Zenith 公司将集成电路用到了助听器上，算是集成电路在民用领域的首次落地。

那之后的故事，大家应该都比较熟悉了。在材料、工艺和制程的共同努力下，集成电路的晶体管数量不断增加，性能持续提升，成本逐步下降，我们进入了摩尔定律时代。

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。基于集成电路发展起来的大规模、超大规模集成电路，为半导体存储、微处理器的出现铺平了道路。

1970 年，英特尔推出世界上第一款 DRAM（动态随机存储器）集成电路 1103。次年，他们又推出世界上第一款包括运算器、控制器在内的可编程序运算芯片 ——Intel 4004。

IT 技术的黄金时代，正式开始了。

█ 晶体管的演进

我们回过头来，再说一下晶体管。

晶体管问世至今，形态发生过多次重大改变。概括来说，就是从双极型为主，到单极型为主。单极型的话，从 FET 到 MOSFET。从结构的角度来，又是从 PlanarFET 到 FinFET，再到 GAAFET。

缩略语有点多，而且比较接近，所以容易看晕。大家耐心一点，一个个来看。

双极型、单极型

肖克利在 1948 年发明的结型晶体管，因为使用空穴与电子两种载流子参与导电，被称为双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）。

BJT 晶体管有 NPN 和 PNP 两种结构形式：

我们可以看出，BJT 晶体管是在一块半导体基片上，制作两个相距很近的 PN 结。两个 PN 结把整块半导体分成三部分，中间部分是基极（Base），两侧部分是发射极（Emitter）和集电极（Collector）。

BJT 晶体管的工作原理较为复杂，且现在很少用到，限于篇幅，我就不多介绍了。从本质来说，这个晶体管的主要作用，就是通过基极微小的电流变化，让集电极产生较大的电流变化，有一个放大的作用。

前面小枣君提到过逻辑电路。由二极管与 BJT 晶体管组合而成的，被称为 DTL （Diode-Transistor Logic）电路。后来，出现了全部由晶体管搭建的 TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。

BJT 晶体管的优点是工作频率高、驱动能力强。但是，它也有缺点，例如功耗大、集成度低。它的制造工艺也比较复杂，采用平面工艺存在一些弊端。

于是，随着时间的推移，一种新的晶体管开始出现，也就是场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）。

1953 年，贝尔实验室的伊恩・罗斯（Ian Ross）和乔治・达西（George Dacey）合作，制作了世界上第一个结型场效应晶体管（Junction Field Effect Transistor，JFET）原型。

JFET（结型场效应晶体管），此为 N 沟道JFET 是一种三极（三端）结构的半导体器件，包含源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）。

JFET 分为 N 沟道（N-Channel）JFET 和 P 沟道（P-Channel）JFET。前者是一块 N 形半导体两边制作两个 P 型半导体（如上图）。后者是一块 P 形半导体两边制作两个 N 型半导体。

JFET 的工作原理，简单来说，就是通过控制栅极 G 和源极 S 之间的电压（图中 VGS），以及漏极 D 和源极 S 之间的电压（图中 VDS），从而控制栅极和沟道之间的 PN 结，进而控制耗尽层。

耗尽层越宽，沟道就越窄，沟道电阻越大，能够通过的漏极电流（图中 ID）就越小。沟道被耗尽层全部覆盖的状态，就叫做夹断状态。

JFET 晶体管工作时，只需要一种载流子，因此被称为单极型晶体管。

1959 年，又有一种新的晶体管诞生了，那就是大名鼎鼎的 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET，金属氧化物半导体场效应晶体管）。

它的发明人，是埃及裔科学家默罕默德・埃塔拉（Mohamed Atala，改名为 Martin Atala）与韩裔科学家姜大元（Dawon Kahng，也翻译为江大原）。

MOSFET 同样由源极、漏极与栅极组成。“MOS”里的“M”，指栅极最初使用金属（metal）实现。“O”，是指栅极与衬底使用氧化物（Oxide）隔离。“S”，则是指 MOSFET 整体由半导体（semiconductor）实现。

MOSFET 晶体管，也称为 IGFET（In-sulated Gate FET，绝缘栅场效应晶体管）。

MOSFET（N 型）这种 MOSFET 晶体管，也分为“N 型”与“P 型” 两种，即 NMOS 与 PMOS。按操作类型的话，也分为增强型和耗尽型。

以上图的 N 型 MOS（更常用）为例。用 P 型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个 N 型区，再在上面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层。最后，在 N 区上方，用腐蚀的方法做成两个孔。用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极: G（栅极）、S（源极）、D（漏极）。

P 型硅衬底有一个端子（B），通过引线和源极 S 相连。

MOSFET 的工作原理较为简单：

正常情况下，N 区和衬底 P 之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。

给栅极提供正向电压后，P 区的电子会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，形成一个以电子为多子的区域，也就是一个沟道。

现在，如果在漏极和源极之间施加电压，电流将在源极和漏极之间自由流动，实现导通状态。

栅极 G 类似于一个控制电压的闸门，若给栅极 G 施加电压，闸门打开，电流就能从源极 S 通向漏极 D。撤掉栅极上的电压，闸门关上，电流就无法通过。

特别需要指出，1967 年，姜大元又和华裔科学家施敏合作，共同发明了“浮栅”FGMOS（Floating Gate MOSFET）结构，奠定了半导体存储技术的基础。后来所有的闪存、FLASH、EEPROM 等，都是基于这个技术。

刚才介绍了 BJT、JFET、MOSFET，我先画个图，大家思路不要乱：

1963 年，仙童半导体的弗兰克.万拉斯（Frank Wanlass）和萨支唐（Chih-Tang Sah，华裔）首次提出了 CMOS 晶体管。

他们将 PMOS 与 NMOS 晶体管组合在一起，连接成互补结构，几乎没有静态电流。这也是 CMOS 晶体管的“C（Complementary，互补）”的由来。

CMOS 的最大特点，就是功耗远低于其它类型的晶体管。伴随着摩尔定律的不断发展，集成电路的晶体管数量不断增加，使得对功耗的要求也不断增加。基于低功耗的特点，CMOS 开始成为主流。

今天，95% 以上的集成电路芯片，都是基于 CMOS 工艺制造。

换句话说，从 1960 年代开始，晶体管的核心架构原理就已经基本定型了。以 CMOS、硅（硅的自然存量远超过锗，且耐热性能比锗更好，因此成为主流）、平面工艺为代表的集成电路生态，支撑了整个产业长达数十年的高速发展。

PlanarFET、FinFET、GAAFET

核心架构原理虽然没变，但形态还是有变化的。

集成电路不断升级，工艺和制程持续演进。当晶体管数量达到一定规模后，工艺会倒逼晶体管发生“变形”，以此适应发展的需要。

早期的时候，晶体管主要是平面型晶体管（PlanarFET）。

随着晶体管体积变小，栅极的长度越做越短，源极和漏极的距离逐渐靠近。

当制程（也就是我们现在常说的 7nm、3nm，一般指栅极的宽度）小于 20nm 时，麻烦出现了：MOSFET 的栅极难以关闭电流通道，躁动的电子无法被阻拦，漏电现象屡屡出现，功耗也随之变高。

为了解决这个问题，1999 年，美籍华裔科学家胡正明教授，正式发明了鳍式场效应晶体管（FinFET）。

相比 PlanarFET 的平面设计，FinFET 直接变成了 3D 设计、立体结构。

它的电流通道变成了像鱼鳍一样的薄竖片，三面都用栅极包夹起来。这样一来，就有了比较强大的电场，提升了控制通道的效率，可以更好地控制电子能否通过。

技术继续演进，等到了 5nm 时，FinFET 也不行了。这时，又有了 GAAFET（环绕式栅极技术晶体管）。

GAAFET 英文全称是 Gate-All-Around FET。相比 FinFET，GAAFET 把栅极和漏极从鳍片又变成了一根根“小棍子”，垂直穿过栅极。

这样的话，从三接触面到四接触面，并且还被拆分成好几个四接触面，栅极对电流的控制力又进一步提高了。

韩国三星也设计出另一种 GAA 形式──MBCFET（多桥-通道场效应管）。

MBCFET 采用多层纳米片替代 GAA 中的纳米线，更大宽度的片状结构增加了接触面，在保留了所有原有优点的同时，还实现了复杂度最小化。

目前，行业里的各大芯片企业，仍然在深入研究晶体管的形态升级，以期找到更好的创新，支撑未来的芯片技术发展。

█ 结语

好了，终于写完了，累死了。能看到这里的，都是真爱。

总的来说，不管是电子管（真空管），还是晶体管，都是用电来控制电的小元件。晶体管基于半导体材料，所以能做得足够小。这是芯片（集成电路）能做到“极小身材，极大能力”的本因。

半导体材料的特性，以及晶体管的作用，看上去都非常简单。正是亿万个这种简单的“小玩意”，支撑了人类整个数字技术的发展，推动我们迈向数智时代。

下一期，小枣君再和大家聊聊：

芯片到底是怎么制造出来的？

业界常说的 IDM 模式和 Fabless 模式，是什么意思？

芯片里那么多的晶体管，到底是怎么连接的？

敬请期待！

参考文献：

1、《半导体简史》，王齐、范淑琴，机械工业出版社；

2、《芯片到底是什么？》，Klaus，知乎；

3、《什么是芯片？什么是 IC？什么是半导体？》，在下张大喵，知乎；

4、《小小芯片改变我们的生活》，魏少军；

5、《一块了解下半导体工艺 FinFET》，树哥谈芯，知乎

6、百度百科、维基百科。

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

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