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 。也就是模板下载说 ，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免费模板印象 。 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 ，这就是云计算检波。 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 。 |
