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(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(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。
弗萊明
等到弗萊明真正用到這個效應，已經(jīng)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?qū)ㄐ裕▎蜗驅(qū)щ姡┦顷P(guān)鍵。
無線電磁波是高頻振蕩，每秒高達幾十萬次的頻率。無線電磁波產(chǎn)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(qū)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?qū)щ娦?，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。
去掉負半周，電流方向變成一致的，容易解讀
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(shè)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”。）
弗萊明發(fā)明的二極管
弗萊明的二極管，結(jié)構(gòu)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。
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。）
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。
德福雷斯特
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。
德·福雷斯特發(fā)明的三極管
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。
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(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(chǎn)品的廣泛普及，改變了人們的日常生活，推動了社會進步。
真空管
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(shù)研究進入高潮。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(lǐng)域。那時候，包括埃尼阿克（ENIAC，使用了18000多只電子管）在內(nèi)的幾乎所有電子計算機，都是基于電子管制造的。
埃尼阿克
這里我們簡單說說門電路。
我們學習計算機基礎(chǔ)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?qū)щ姷碾娮庸埽ㄕ婵展埽梢越M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
█ 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(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。
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(jīng)過實驗總結(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。
亞歷山德羅·伏特
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(chǎn)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(guān)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?qū)ㄌ匦?。這是一個巨大的里程碑。
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(shù)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。
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?qū)щ姡?/p>
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(jīng)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。”
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。
量子理論之父，普朗克
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(zhì)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(nèi)，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(jīng)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǔ)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(nèi)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(chǔ)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(chǔ)理論大廈，逐漸奠基完成。
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(guān)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。）
羅素·奧爾，他還是現(xiàn)代太陽能電池之父
經(jīng)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(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(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(jié)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(shù)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(chǔ)上，提出了“場效應設(shè)想”。
肖克利的場效應設(shè)想
他假設(shè)硅晶片的內(nèi)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(nèi)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(jù)這個設(shè)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：
世界上第一個晶體管（基于鍺半導體）
晶體管的電路模型
根據(jù)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(zhuǎn)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(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(shè)計過于簡陋。雖然它實現(xiàn)了放大功能，但結(jié)構(gòu)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。
肖克利看準了這個缺陷，開始閉關(guān)研究新的晶體管設(shè)計。
1948年1月23日，經(jīng)過一個多月的努力，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
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。
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(lǐng)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(chǔ)。
后來不斷壯大的晶體管家族
█ 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(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(lǐng)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(shù)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(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。”
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(chǎn)，缺乏實用價值。
諾伊斯的設(shè)想是：
將電子設(shè)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(chǎn)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。
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，申請了一項專利：“半導體器件——導線結(jié)構(gòu)” 。
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(shè)計基于硅基底平面工藝，而基爾比的設(shè)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(quán)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(quán)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(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，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)多諧振二進制觸發(fā)器，銷售價格為450美元。
著名的阿波羅登月計劃，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。
航空市場的成功，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(lǐng)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。
摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，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(nèi)的可編程序運算芯片——Intel 4004。
IT技術(shù)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(jié)構(gòu)的角度來，又是從PlanarFET到FinFET，再到GAAFET。
肖克利在1948年發(fā)明的結(jié)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(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體基片上，制作兩個相距很近的PN結(jié)。兩個PN結(jié)把整塊半導體分成三部分，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，有一個放大的作用。
前面作者提到過邏輯電路。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(qū)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(jié)型場效應晶體管（Junction Field Effect Transistor，JFET）原型。
JFET（結(jié)型場效應晶體管），此為N溝道
JFET是一種三極（三端）結(jié)構(gòu)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(jié)，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。“MOS”里的“M”，指柵極最初使用金屬（metal）實現(xiàn)。“O”，是指柵極與襯底使用氧化物（Oxide）隔離。“S”，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）。
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(nèi)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(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)，奠定了半導體存儲技術(shù)的基礎(chǔ)。后來所有的閃存、FLASH、EEPROM等，都是基于這個技術(shù)。
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(jié)構(gòu)，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(gòu)原理就已經(jīng)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(chǎn)業(yè)長達數(shù)十年的高速發(fā)展。
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，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(guān)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(shè)計，F(xiàn)inFET直接變成了3D設(shè)計、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(shù)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(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(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)展。
█ 結(jié)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。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(shù)的發(fā)展，推動我們邁向數(shù)智時代。
本文轉(zhuǎn)載自：中國科學院半導體研究所
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點
不代表上海隱冠半導體立場
