半导体芯片，到底是如何工作的？

今天这篇  ，半导我们继续往下讲，体芯说说芯片的底何诞生过程——从真空管、晶体管到集成电路 ，工作从BJT、半导MOSFET到CMOS ，体芯芯片究竟是底何如何发展起来的，又是工作如何工作的。

真空管（电子管）

爱迪生效应

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

当时 ，服务器租用工作他正在进行灯丝（碳丝）的半导寿命测试 。在灯丝旁边，体芯他放置了一根铜丝，底何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 ，香港云服务器但是，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。也就是建站模板说
，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云计算印象  。

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。源码库

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 ，这就是免费模板检波
。

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。

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。

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。

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 。

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 。）

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 。”

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
。