半導體晶片，到底是如何運作的？

今天我們繼續說說晶片的誕生過程——從真空管、電晶體到積體電路，從BJT、MOSFET到CMOS，晶片究竟是如何發展起來的，又是如何運作的。

真空管（電子管）

愛迪生效應

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

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，但銅絲並沒有接在任何電極上。也就是說，銅絲沒有通電。

碳絲正常通電後，開始發光發熱。過了一會，愛迪生斷開電源。他無意中發現，銅絲上竟然也產生了電流。

愛迪生沒有辦法解釋出現這種現象的原因，但是，作為一個精明的“商人”，他想到的第一件事，就是給這個發現申請專利。他也將這種現象，命名為「愛迪生效應」。

現在我們知道，「愛迪生效應」的本質，是熱電子發射。也就是說，燈絲被加熱後，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。

愛迪生申請專利之後，並沒有想到這個效應有什麼用途，於是將其束之高閣。

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。

二極體

等到弗萊明真正用到這個效應，已經是十幾年後的事了。

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

簡單來說，就是研究如何在接收端檢波訊號、放大訊號，讓訊號能夠被完美解讀。

放大訊號大家都懂，那什麼是檢波訊號呢？

所謂訊號檢波，其實就是訊號篩選。天線接收到的訊號，是非常雜亂的，什麼訊號都有。我們真正需要的訊號（指定頻率的訊號），需要從這些雜亂​​訊號中「過濾」出來，這就是檢波。

想要實現檢波，單嚮導通性（單嚮導電）是關鍵。

無線電磁波是高頻振盪，每秒鐘高達數十萬次的頻率。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辨識出訊號。

採用單嚮導電性，正弦波的負半週就沒有了，全部是正的，電流方向一致。把高頻過濾掉之後，耳機就能夠輕鬆感應出電流的變化。

去掉負半週，電流方向變成一致的，容易解讀

為了檢波訊號，佛萊明想到了「愛迪生效應」──是不是可以基於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體，在弗萊明的手下誕生了。當時，這個二極體也叫做「弗萊明閥」。 （真空管，vacuum tube，也就是電子管，有時候也叫「膽管」。）

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

玻璃管裡之所以要抽成真空，是為了防止氣體電離，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。）

三極體

二極體的出現，解決了檢波和整流需求，當時是一個重大突破。但是，它還有進步的空間。

1906年，美國科學家德·福雷斯特（De Forest Lee）在真空二極電子管裡，巧妙地加了一個柵板（「閘極」），發明了真空三極電子管。

加了閘極之後，當閘極的電壓為正，它就會吸引更多陰極發出的電子。大部分電子穿過閘極，到達陽極，將大大增加陽極上的電流。

如果閘極的電壓為負，陰極上的電子就沒有動力前往閘極，更不會到達陽極。

閘極上很小的電流變化，能造成陽極很大的電流變化。而且，變化波形與閘極電流完全一致。所以，三極管有訊號放大的作用。

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

真空三極管的誕生，是電子工業領域的里程碑事件。

這個小小的元件，真正實現了用電控制電（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、放大和振盪三種功能於一體，為電子技術的發展奠定了基礎。

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

1919年，德國的蕭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。這就是後來的四極管。再後來，荷蘭的霍爾斯特和泰萊根又發明了五極管。

1940年代，電腦科技研究進入高潮。人們發現，電子管的單嚮導通特性，可以用來設計一些邏輯電路（例如與閘電路、或閘電路）。

於是，他們開始將電子管引入電腦領域。那時候，包括埃尼阿克（ENIAC，使用了18,000多只電子管）在內的幾乎所有電子計算機，都是基於電子管製造的。

這裡我們簡單說說閘電路。

我們學習電腦基礎的時候，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，就是基於這些邏輯運算規則。

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

實現上面這些邏輯閘功能的電路，就是邏輯閘電路。而單嚮導電的電子管（真空管），可以組成變成各種邏輯閘電路。

例如下面的“或閘電路”和“與閘電路”。

A、B為輸入，F為輸出

電晶體

在電子管高速發展和應用的同時，人們也逐漸發現，這款產品存在一些缺點：

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，許多能量都浪費在發熱上，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，可以實現電路的檢波、整流和訊號放大呢？

方法當然是有的。這時候，一種偉大的材料就要登場了，它就是－－半導體。

半導體的萌芽

我們將時間繼續往前撥，回到更早的18世紀。

1782年，義大利著名物理學家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta），經過實驗總結，發現固體物質大致可分為三種：

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、雲母等這樣的材料，不易導電，稱為絕緣體；

第三種，介於導體和絕緣體之間，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”。這是人類史上第一次出現「半導體（semiconductor）」這個稱呼。

後來，陸續有多位科學家，有意或無意中，發現了一些半導體特性現象。例如：

1833年，麥可法拉第（Michael Faraday）發現，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）發現，光照可以使某些材料的兩端產生電位差（半導體的光伏效應）。

1873年，威勒畢‧史密斯（Willoughby Smith）發現，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）發現了天然礦石（金屬硫化物）的電流單嚮導通特性。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），基於黃銅礦石晶體，發明了著名的礦石檢波器（crystal detector），也被稱為「貓鬍鬚檢波器」（檢波器上有一根探針，很像貓的鬍鬚，因此得名）。

礦石檢波器是人類最早的半導體裝置。它的出現，是半導體材料的一次「小試牛刀」。

儘管它存在一些缺陷（品控差，工作不穩定，因為礦石純度不高），但有力地推動了電子技術的發展。當時，基於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

人們使用礦石檢波器，卻始終想不明白它的運作原理。在接下來的30餘年裡，科學家們反覆思考──為什麼會有半導體材料？為什麼半導體材料可以實現單嚮導電？

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，那是一個骯髒的爛攤子，有誰知道是否有半導體的存在。”

後來，隨著量子力學的誕生與發展，半導體的理論研究終於有了突破。

1928年，德國物理學家、量子力學創始人之一，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「電洞」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「電洞」和電子所共同決定的。

後來，能帶理論被進一步完善成型，系統地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質差異。

讓我們來簡單了解一下能帶理論。

大家在中學物理裡學過，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，電子就會混在一起。量子力學認為，電子沒辦法待在一個軌道上，會「撞車」。於是，軌道就硬生生分裂成了好幾條細軌道。

在量子力學裡，這種細軌道，叫能階。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，處於下方的是價帶，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，宏觀表現為導電。電子太多，擠滿了，動不了，宏觀上就表現為不導電。

有些滿軌道和空軌道距離很近，電子可以輕鬆地從滿軌道跑到空軌道上，發生自由移動，這就是導體。

兩條軌道離得太遠，空隙太大，電子跑不過去，就沒辦法導電。但是，如果從外界加一個能量，就能改變這個狀態。

若帶隙在5電子伏特（5ev）之內，給電子加一個額外能量，電子能完成跨越並自由移動，即發生導電。這種屬於半導體。 （矽的帶隙大約是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，就屬於絕緣體。 （如果外界增加很大的能量，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，我們現在常聽到的「寬禁帶半導體」，就是包括碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、鑽石、氮化鋁（AlN）等在內的第三代半導體材料。

它們的優點是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發光效率高、頻率高，可用於高溫、高頻、抗輻射及高功率裝置，是產業目前大力發展的方向。

前面我們提到了電子和電洞。半導體中有兩種載子：自由電子和電洞。自由電子大家比較熟悉，什麼是電洞呢？

空穴又稱電洞（Electron hole）。

常溫下，由於熱運動，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」。

電子跑了之後，留下一個「洞」。其餘未升遷的電子，就可以進入這個“洞”，由此產生電流。大家注意，電洞本身是不動的，但是由電洞「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載流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的「擴散理論」。

基於這些大佬們的貢獻，半導體的基礎理論大廈，逐漸奠基完成。

電晶體的誕生

礦石檢波器誕生之後，科學家發現，這款檢波器的性能，和礦石純度有極大的關係。礦石純度越高，檢波器的性能就越好。

因此，許多科學家進行了礦石材料（例如硫化鉛、硫化銅、氧化銅等）的純化研究，提純過程不斷精進。

在1930年代，貝爾實驗室的科學家羅素·奧爾（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用純化晶體材料製作的檢波器，將會完全取代電子二極體。 （要知道，當時電子管處於絕對的市場統治地位。）

經過100多種材料的逐一測試，他認為，矽晶體是製作檢波器最理想的材料。為了驗證自己的結論，他在同事傑克·斯卡夫（Jack Scaff）的幫助下，提煉出了高純度的矽晶體熔合體。

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

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

二戰期間，AT&T旗下的西方電氣公司，基於純化的半導體晶體，製造了一批矽晶體二極體。這些二極體體積小巧、故障率低，大大改善了盟軍雷達系統的工作性能和可靠性。

奧爾的PN接面發明，以及矽晶體二極體的優異表現，堅定了貝爾實驗室發展電晶體技術的決心。

1945年，貝爾實驗室的威廉·蕭克利（William Shockley）在與羅素·奧爾交流後，基於能帶理論，繪製了P型與N型半導體的能帶圖，並在此基礎上，提出了「場效應設想」。

他假設矽晶片的內部電荷可以自由移動，如果晶片夠薄，在施加電壓的影響下，矽片內的電子或電洞會湧現表面，大幅提升矽晶片的導電能力，從而實現電流放大的效果。

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隻半導體三極管放大器。 也就是下面這個看起來非常奇怪又簡陋的東東：

根據實驗記錄，這個電晶體可以實現“電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5…”，表現非常出色。

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

多年後，中國名科學家錢學森，將其中文譯名定為：電晶體。

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。矽和鍺，是典型的半導體材料。

微觀上，依照一定規律排列整齊的物質，叫做晶體。矽晶體就有單晶、多晶、無定型結晶等形態。

晶體形態決定了能帶結構，而能帶結構決定了電特性。所以，矽（鍺）晶體作為半導體材料，才有這麼大的應用價值。

二極體、三極管、四極管，是從功能上進行命名。電子管（真空管）、電晶體（矽電晶體、鍺電晶體），是從原理上命名。

巴丁和布拉頓發明的電晶體，其實應該叫做點接觸式電晶體。 從下圖也可以看出，這種設計過於簡陋。雖然它實現了放大功能，但結構脆弱，對外界震動敏感，也不易製造，不具備商業應用的能力。

1948年1月23日，經過一個多月的努力，蕭克利提出了一種具有三層結構的新型電晶體模型，並將其名為結式電晶體（Junction Transistor）。

需要特別說一下這個高登·蒂爾。

他發現採用單晶半導體取代多晶，可以帶來顯著的性能提升。而且，也是他發現直拉法可以用來提純金屬單晶。這種方法後來一直沿用，是半導體產業最主要的單晶製作方法。

電晶體的誕生，對於人類科技發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、放大倍率小、壽命短、成本高等全部缺點。從它誕生的那一刻，就決定了它將實現電子管的全面取代。

在無線通訊領域，電晶體和電子管一樣，可以實現電磁波的發射、檢波以及訊號放大。在數位電路領域，電晶體也可以更方便地實現邏輯電路。它為電子工業的騰飛打下了堅實的基礎。

積體電路

電晶體的出現，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傑夫·達默（Geoffrey Dummer），在一次會議上指出：

“隨著晶體管的出現和對半導體的全面研究，現在似乎可以想像，未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件。”

1958年8月，德州儀器公司的新進員工基爾比發現，由許多元件組成的極小的微型電路，是可以在一塊晶片上製作出來的。也就是說，可以在矽片上製作不同的電子裝置（例如電阻、電容、二極體和三極管），然後再把它們用細線連接起來。

不久後，9月12日，基爾比基於自己的設想，成功製造出了一塊長7/16英寸、寬1/16英寸的鍺片電路，也是世界上< a i=1>第一塊積體電路（Integrated Circuit）。

這個電路是一個帶有RC回饋的單晶體管振盪器，整個是用膠水黏在玻璃載片上的，看起來非常簡陋。電路的裝置，則是用零亂的細線相連。

基爾比發明積體電路的同時，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，後來創辦了英特爾Intel）。

仙童是矽谷「八大叛徒」聯合創立的公司，在半導體技術上擁有極強的實力。

「八叛徒」之一的尚‧阿梅德‧霍爾尼（Jean Hoerni），發明了非常重要的平面工藝（Planner Process）。

這個工藝，就是在矽片上加上一層氧化矽作為絕緣層。然後，在這層絕緣氧化矽上打洞，用鋁薄膜將已用矽擴散技術做好的裝置連接起來。

平面製程的誕生，使得仙童能夠製造出極小尺寸的高性能矽晶體三極管，也使積體電路中元件間的連接成為可能。

1959年１月23日，諾伊斯在他的工作筆記上寫到：

「將各種裝置製作在同一矽晶片上，再用平面製程將其連接起來，就能製造出多功能的電子線路。這項技術可以使電路的體積減小、重量減輕、並使成本下降。 」

得知基爾比提交了積體電路專利後，諾伊斯十分懊悔，認為自己晚了一步。然而，很快地他又發現，基爾比的發明其實有缺陷。

基爾比的積體電路採用飛線連接，根本無法進行大規模生產，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件都製成底版，然後刻在一個矽片上。這個矽片一旦刻好了，就是全部的電路，可以直接用來組裝產品。此外，採用蒸發沉積金屬的方式，可以取代熱焊接導線，徹底消滅飛線。

1959年7月30日，諾伊斯基於自己的想法，申請了一項專利：「半導體裝置－導線結構」 。

嚴格來說，諾伊斯的發明更接近現代意義上的積體電路。諾伊斯的設計是基於矽基底平面工藝，而基爾比的設計則是基於鍺基底擴散工藝。諾伊斯依托仙童的矽製程優勢，做出的電路確實比基爾比更先進。

1966年，法院最終裁定將積體電路想法（混合型積體電路）的發明權授予了基爾比，將今天使用的封裝到一個晶片中的積體電路（真正意義上的積體電路），以及製造製程的發明權授予了諾伊斯。

基爾比被譽為“第一塊積體電路的發明家”，而諾伊斯則是“提出了適合於工業生產的積體電路理論”的人。

1960年3月，德州儀器依據傑克。基爾比的設計，正式推出了全球第一款商用化的積體電路產品－502型矽雙穩態多諧振二進位觸發器，銷售價格為450美元。

積體電路誕生之後，最早應用的是軍事領域（當時是冷戰最敏感的時期）。

1961年，美國空軍推出了第一台由積體電路驅動的電腦。 1962年，美國人又將積體電路用於民兵彈道飛彈（Minuteman）的導引系統。

後來，著名的阿波羅登月計劃，更是採購了上百萬片的積體電路，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公司將積體電路用到了助聽器上，算是積體電路在民用領域的首次落地。

那之後的故事，大家應該都比較熟悉了。在材料、製程和製程的共同努力下，積體電路的電晶體數量不斷增加，性能持續提升，成本逐步下降，我們進入了摩爾定律時代。

基於積體電路發展的大規模、超大規模積體電路，為半導體儲存、微處理器的出現鋪平了道路。

1970年，英特爾推出全球第一款DRAM（動態隨機記憶體）積體電路1103。隔年，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式運算晶片——Intel 4004。

IT技術的黃金時代，正式開始了。

電晶體的演進

我們回過頭來，再說一下電晶體。

電晶體問世至今，形態發生過許多重大改變。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。

縮寫有點多，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

蕭克利在1948年發明的結型電晶體，因為使用電洞與電子兩種載子參與導電，稱為雙極接面電晶體（Bipolar Junction Transistor，BJT）。

BJT電晶體有NPN和PNP兩種結構形式：

我們可以看出，BJT電晶體是在一塊半導體基片上，製作兩個相距很近的PN結。兩個PN結把整塊半導體分成三個部分，中間部分是基極（Base），兩側部分是射極（Emitter）和集電極（Collector）。

BJT電晶體的工作原理較為複雜，現在很少用到，限於篇幅，我就不多介紹了。從本質來說，這個電晶體的主要作用，就是透過基極微小的電流變化，讓集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。由二極體與BJT電晶體組合而成的，稱為DTL （Diode-Transistor Logic）電路。後來，出現了全部由電晶體搭建的TTL（Transistor-Transistor Logic）電路。

BJT電晶體的優點是工作頻率高、驅動能力強。但是，它也有缺點，例如功耗大、集成度低。它的製造流程也比較複雜，採用平面製程有些弊端。

於是，隨著時間的推移，一種新的電晶體開始出現，也就是場效電晶體（Field Effect Transistor，FET）。

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

JFET是一種三極（三端）結構的半導體元件，包含源極（Source）、汲極（Drain）、閘極（Gate）。

JFET分為N通道（N-Channel）JFET和P通道（P-Channel）JFET。前者是一塊N形半導體兩邊製作兩個P型半導體（如上圖）。後者是一塊P形半導體兩邊製作兩個N型半導體。

JFET的工作原理，簡單來說，就是透過控制閘極G和源極S之間的電壓（圖中VGS），以及汲極D和源極S之間的電壓（圖中VDS），從而控制柵極和通道之間的PN結，進而控制耗盡層。

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

JFET電晶體工作時，只需要一種載子，因此稱為單極型電晶體。

1959年，又有新的電晶體誕生了，那就是大名鼎鼎的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET，金屬氧化物半導體場效電晶體）。

它的發明人，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電晶體，也稱為IGFET（In-sulated Gate FET，絕緣柵場效電晶體）。

這種MOSFET電晶體，也分為「N型」與「P型」 兩種，即NMOS與PMOS。依操作類型的話，也分為增強型和耗盡型。

以上圖的N型MOS（較常用）為例。以P型矽半導體材料襯底，在其面上擴散了兩個N型區，再在上面覆蓋一層二氧化矽（SiO2）絕緣層。最後，在N區上方，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（汲極）。

P型矽基板有一個端子（B），透過引線和源極S連接。

MOSFET的工作原理較為簡單：

正常情況下，N區和基板P之間因為載子的自然複合會形成一個中性的耗盡區。

在提供閘極正向電壓後，P區的電子會在電場的作用下聚集到閘極氧化矽下，形成以電子為多子的區域，也就是一個通道。

現在，如果在汲極和源極之間施加電壓，電流將在源極和汲極之間自由流動，實現導通狀態。

閘極G類似一個控制電壓的閘門，若給閘極G施加電壓，閘門打開，電流就能從源極S通往汲極D。撤掉閘極上的電壓，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，共同發明了「浮柵」FGMOS（Floating Gate MOSFET）結構，奠定了半導體儲存技術的基礎。後來所有的快閃記憶體、FLASH、EEPROM等，都是基於這個技術。

剛剛介紹了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電晶體。

他們將PMOS與NMOS電晶體組合在一起，連接成互補結構，幾乎沒有靜態電流。這也是CMOS電晶體的「C（Complementary，互補）」的由來。

CMOS的最大特點，就是功耗遠低於其它類型的電晶體。伴隨著摩爾定律的不斷發展，積體電路的電晶體數量不斷增加，使得對功耗的要求也不斷增加。基於低功耗的特點，CMOS開始成為主流。

今天，95%以上的積體電路晶片，都是基於CMOS製程製造。

換句話說，從1960年代開始，電晶體的核心架構原理就已經基本定型了。以CMOS、矽（矽的自然存量遠超過鍺，且耐熱性能比鍺更好，因此成為主流）、平面製程為代表的積體電路生態，支撐了整個產業長達數十年的高速發展。

PlanarFET、FinFET、GAAFET

核心架構原理雖然沒變，但形態還是有變化的。

積體電路不斷升級，製程和製程持續演進。當電晶體數量達到一定規模後，製程會倒逼晶體管發生“變形”，以此適應發展的需要。

早期的時候，電晶體主要是平面型電晶體（PlanarFET）。

隨著電晶體體積變小，閘極的長度越做越短，源極和汲極的距離逐漸靠近。

當製程（也就是我們現在常說的7nm、3nm，一般指閘極的寬度）小於20nm時，麻煩出現了：MOSFET的閘極難以關閉電流通道，躁動的電子無法被阻擋，漏電現象屢屢出現，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，正式發明了鰭式場效電晶體（FinFET）。

相較於PlanarFET的平面設計，FinFET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，三面都用閘極包夾起來。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。

技術繼續演進，等到了5nm時，FinFET也不行了。這時，又有了GAAFET（環繞式閘極技術電晶體）。

GAAFET英文全名為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，而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-通道場效管）。

MBCFET採用多層奈米片取代GAA中的奈米線，更大寬度的片狀結構增加了接觸面，在保留了所有原有優點的同時，也實現了複雜度最小化。

目前，業界的各大晶片企業，仍在深入研究電晶體的形態升級，以期找到更好的創新，支撐未來的晶片技術發展。

結語

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。電晶體基於半導體材料，所以能做得夠小。這是晶片（積體電路）能做到「極小身材，極大能力」的本因。

半導體材料的特性，以及電晶體的作用，看起來都非常簡單。正是億萬個這種簡單的“小玩意”，支撐了人類整個數位技術的發展，推動我們邁向數智時代。（鮮棗課堂）