揭秘半导体芯片：工作原理全解析

大家好,今天小编来为大家解答以下的问题，关于揭秘半导体芯片：工作原理全解析，这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

今天的文章，我们将继续聊聊芯片的诞生过程。从真空管、晶体管到集成电路，从BJT、MOSFET到CMOS，芯片是如何发展、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·爱迪生在一次实验中观察到了一个奇怪的现象。

当时，他正在对灯丝（碳丝）进行寿命测试。在灯丝旁边，他放置了一根铜线，但它没有连接到任何电极。换句话说，铜线没有通电。

碳丝正常通电后，开始发热。过了一会儿，爱迪生断开了电源。他意外地发现铜线上也产生了电流。

爱迪生无法解释这种现象的原因，但作为一个精明的“商人”，他首先想到的就是为这一发现申请专利。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”的本质是热电子的发射。也就是说，灯丝受热后，表面的电子变得活跃并“逃逸”。结果，它们被金属铜线捕获，从而产生电流。

爱迪生申请专利后，并没有想到这种效应有什么用处，于是就将其搁置了。

1884年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明访问美国会见爱迪生。爱迪生向弗莱明展示了爱迪生效应，弗莱明印象深刻。

弗莱明

弗莱明真正使用二极管效应已经是十多年前的事了。

1901年，无线电报的发明者古列尔莫·马可尼发起了横跨大西洋的长距离无线电通信实验。弗莱明加入该实验是为了帮助弄清楚如何增强无线信号接收。

简单来说，就是研究接收端如何检测并放大信号，使信号能够被完美解读。

大家都知道放大信号，但是什么是检测到的信号呢？

所谓信号检测，其实就是信号筛选。天线接收到的信号非常杂乱，包含了各种各样的信号。我们真正需要的信号（指定频率的信号）需要从这些杂乱的信号中“过滤”出来。这就是检测。

要实现检测，单向电导率（one-wayconduction）是关键。

无线电电磁波是高频振荡，频率高达每秒数十万次。无线电磁波产生的感应电流也不断地以“正、负、正、负”变化。如果我们用这个电流驱动耳机，一正一负为零，耳机就无法准确识别信号。

单向导电时，正弦波的负半周消失，全部为正，电流方向一致。滤除高频后，耳机可以轻松感知电流的变化。

通过消除负半周期，电流方向变得一致且易于解释。

为了探测信号，弗莱明想到了“爱迪生效应”——。是否有可能根据爱迪生效应的电子流动设计一种新型探测器？

就这样，1904年，世界上第一个真空电子二极管在弗莱明的手里诞生了。当时，这种二极管也被称为“弗莱明阀”。（真空管又称电子管，有时也称为“胆管”。）

弗莱明发明了二极管

弗莱明二极管的结构其实很简单。它是一个真空玻璃灯泡，里面插有两个极：阴极（Cathode），受热时可以发射电子（阴极射线）；阳极（Anode），可以接收电子。

侧热二极管

之所以将玻璃管抽成真空，是为了防止气体发生电离，影响电子的正常流动，破坏特性曲线。（抽真空还可以有效减少灯丝的氧化损耗。）

三极管的出现解决了检测和整流的需要，这在当时是一个重大突破。然而，它仍有改进的空间。

砍伐森林

1906年，美国科学家德福雷斯特·李巧妙地在真空二极管管上加了栅板（“栅极”），发明了真空三极管。

德福雷斯特发明的三极管

添加栅极后，当栅极电压为正时，会吸引更多从阴极发射的电子。大部分电子通过栅极到达阳极，这将大大增加阳极上的电流。

如果栅极电压为负，则阴极上的电子没有能量到达栅极，更不用说到达阳极了。

栅极上的小电流变化会导致阳极上的大电流变化。而且变化的波形与栅极电流完全一致。因此，三极管具有信号放大的作用。

起初，晶体管是单栅极，后来变成了两块板夹在一起的双栅极。后来干脆就成了全封闭的栅栏。

栅栏

真空三极管的诞生是电子行业的里程碑事件。

这个小元件真正实现了用电来控制电（以前都是用机械开关来控制电，存在频率低、寿命短、容易损坏的问题），用“小电流”来控制“大电流”。当前的”。

它集检测、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。

以此为基础，我们有了功能日益强大的广播电台、收音机、留声机、电影电台、雷达、无线对讲机等。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，德国肖特基提出在栅极与正极之间加帘式栅极的想法。 1926年，英国的Lande实现了这个想法。这就是四极管的雏形。后来荷兰的霍尔斯特和特勒根发明了五极管。

20世纪40年代，计算机技术研究达到顶峰。人们发现电子管的单向导电特性可以用来设计一些逻辑电路（如与门电路和或门电路）。

于是，他们开始将电子管引入计算机领域。当时几乎所有的电子计算机，包括ENIAC（使用了18000多个电子管），都是基于电子管的。

埃尼亚克

这里简单说一下门电路。

当我们学习计算机科学基础知识时，我们必须学习基本的逻辑运算，例如AND、OR、NOT、XOR、EXCLUSIVE OR、AND NOT、NOR等。

计算机只知道0和1，它根据这些逻辑运算规则进行计算。

例如，2+1 的二进制为0010+0001。进行“异或运算”后，等于0011，即3。

实现上述逻辑门功能的电路就是逻辑门电路。单向导电电子管（真空管）可构造成各种逻辑门电路。

例如下面的“或门电路”和“与门电路”。

A和B是输入，F是输出

晶体管

随着电子管的迅速发展和应用，人们逐渐发现这种产品存在一些缺点：

一方面，电子管容易损坏，故障率较高；另一方面，电子管需要加热才能使用，大量的能源浪费在加热上，这也造成了极高的功耗。

因此，人们开始思考——是否有更好的方法来实现电路检测、整流和信号放大？

当然有办法。这时，一种伟大的材料即将出现，它就是——半导体。

我们将继续向前迈进，迎接半导体的出现，追溯到18 世纪初。

1782年，意大利著名物理学家亚历山德罗·沃尔塔通过实验发现固体物质大致可分为三种类型：

第一类，金、银、铜、铁等金属，很容易导电，称为导体；

第二类，木材、玻璃、陶瓷、云母等材料，不易导电，称为绝缘体；

第三种类型，在导体和绝缘体之间，缓慢放电。

第三种材料的奇特特性被伏特命名为“Semiconducting Nature”，意为“半导体特性”。这是人类历史上第一次出现“半导体”一词。

亚历山德罗·沃尔塔

后来，许多科学家有意无意地发现了一些半导体特性。例如：

1833年，迈克尔·法拉第发现硫化银的电阻随温度升高而降低（半导体的热敏特性）。

1839 年，法国科学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔(Alexandre Edmond Becquerel) 发现光照可以在某些材料上产生电势差（半导体的光伏效应）。

1873年，威洛比·史密斯发现硒材料的电导率在暴露于光时会增加（半导体的光电导效应）。

当时没有人能够解释这些现象，也没有引起太多关注。

1874年，德国科学家卡尔·费迪南德·布劳恩发现天然矿石（金属硫化物）的单向导电特性。这是一个巨大的里程碑。

卡尔·布劳恩

1906年，美国工程师Greenleaf Whittier Pickard发明了著名的基于黄铜矿晶体的晶体探测器，又被称为“猫须探测器”（该探测器的探头看起来像猫的胡须，因此得名）。

矿石探测器

矿石探测器是人类最早的半导体器件。它的出现是对半导体材料的一次“小考验”。

尽管它存在一些缺陷（质量控制较差，矿石纯度不高导致运行不稳定），但它有力地促进了电子技术的发展。当时，基于矿物地震检波器的无线电接收器促进了广播和无线电报的普及。

能带理论的出现。人们正在使用矿石探测器，但仍然搞不清楚它是如何工作的。在此后的30年里，科学家们反复思考——为何具有半导体材料？为什么半导体材料可以单向导电？

早期，很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利曾说过：“人们不应该研究半导体。那是一团肮脏的烂摊子。谁知道是否有半导体。”

后来，随着量子力学的诞生和发展，半导体的理论研究终于取得了突破。

1928年，德国物理学家、量子力学奠基人之一马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克在应用量子力学研究金属传导问题时首先提出了固体能带理论。

普朗克，量子理论之父

他认为，在外部电场的作用下，半导体导电性分为涉及空穴的传导（即P型传导）和涉及电子的传导（即N型传导）。半导体的许多奇怪性质都是由“空穴”和电子决定的。

后来，能带理论进一步完善，系统地解释了导体、绝缘体和半导体之间的本质区别。

让我们简单了解一下能带理论。

大家在中学物理中都学过，物体是由分子和原子组成的，原子的外壳是电子。

当固体物体的原子距离较近时，电子就会混合在一起。量子力学认为，电子不能停留在一个轨道上，会发生“碰撞”。结果，轨道突然分裂成了几条细细的轨道。

在量子力学中，这种细轨道称为能级。由多个细轨道挤压在一起形成的宽轨道称为能带。

两个能带中，下面的一个是价带，上面的一个是导带，中间的一个是禁带。价带和导带之间存在禁带。禁带之间的距离就是带隙（band gap）。

电子在宽阔的轨道上运动并在宏观上导电。电子太多，它们拥挤而无法移动，宏观上看起来不导电。

有些满轨道和空轨道非常接近，电子很容易从满轨道跑到空轨道并自由移动。这是一个导体。

如果两个轨道相距太远，间隙太大，电子无法通过，就无法导电。然而，如果从外部添加能量，这种状态就可以改变。

如果带隙在5电子伏（5ev）以内，给电子加上额外的能量，电子就可以完成穿越并自由移动，即发生传导。这是半导体。（硅的带隙约为1.12eV，锗的带隙约为0.67eV。）

如果带隙超过5电子伏（5ev），正常情况下电子就无法穿过它，它就是绝缘体。（如果外界加入大量能量，也可以强行跨越。比如空气，空气是绝缘体，但高压电也可以击穿空气，形成电流。）

值得一提的是，现在我们常听到的“宽带隙半导体”包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等第三代半导体材料之内。

其优点是带隙大（2.2ev）、击穿电场高、导热率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高。可用于高温、高频、耐辐射、大功率器件。当前行业的发展方向。

前面我们提到了电子和空穴。半导体中有两种类型的载流子：自由电子和空穴。大家都熟悉自由电子，但是什么是空穴呢？

空穴也称为电子空穴。

常温下，由于热运动，价带顶的少量高能电子可能会越过禁带，上升进入导带，成为“自由电子”。

电子逃逸后，留下一个“空穴”。剩余的未被提升的电子可以进入这个“空穴”，从而产生电流。请注意，空穴本身是不动的，但空穴“填空”的过程产生了正电流流动的效果，因此也被视为载体。

1931年，英国物理学家查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊基于能带理论提出了半导体物理模型。

1939年，苏联物理学家..达维多夫（..）、英国物理学家内维尔·弗朗西斯·莫特和德国物理学家沃尔特·赫尔曼·肖特基）对半导体的基本理论做出了贡献。达维多夫最先认识到少数载流子在半导体中的作用，肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。

基于这些大佬的贡献，半导体的基础理论构建已经逐渐奠定。

晶体管的诞生矿石探测器诞生后，科学家发现这种探测器的性能与矿石的纯度密切相关。矿石纯度越高，探测器性能越好。

因此，许多科学家对矿石原料（如硫化铅、硫化铜、氧化铜等）的提纯进行了研究，提纯工艺不断得到改进。

20世纪30年代，贝尔实验室科学家Russell Shoemaker Ohl提出，由纯化晶体材料制成的探测器将完全取代电子二极管。（要知道，当时真空管处于绝对的市场主导地位。）

拉塞尔·奥尔(Russell Orr)，现代太阳能电池之父

在对100多种材料一一进行测试后，他认为硅晶体是制作探测器最理想的材料。为了验证自己的结论，他在同事杰克·斯卡夫的帮助下提取了高纯度的硅晶体熔体。

由于贝尔实验室没有切割硅晶体的能力，奥尔将熔体送到一家珠宝店切割成不同尺寸的晶体样品。

出乎意料的是，其中一个样品的一端在光照后表现为正极，另一端表现为负极。奥尔分别将它们命名为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，ATT旗下的西部电气公司以提纯的半导体晶体为基础，制造了一批硅晶体二极管。这些二极管体积小，故障率低，大大提高了盟军雷达系统的性能和可靠性。

奥尔对PN结的发明和硅晶体二极管的优异性能，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·肖克利在与拉塞尔·奥尔交流后，根据能带理论画出了P型和N型半导体的能带图，并在此基础上提出了“场效应假说”。

肖克利的场效应思想

他假设硅片的内部电荷可以自由移动。如果硅片足够薄，在外加电压的影响下，硅片中的电子或空穴就会出现在表面，大大增加硅片的导电率，从而达到电流放大的效果。

基于这个想法，1947年12月23日，贝尔实验室的John Bardeen和Walter Brattain制造出了世界上第一台半导体三极管放大器。也就是说，下面的事情看起来非常奇怪和粗暴：

世界上第一个晶体管（基于锗半导体）

晶体管电路模型

根据实验记录，这款晶体管可以实现“电压增益100、功率增益40、电流损耗1/2.5……”，性能非常好。

Bardeen和Brattain在命名时认为，这种器件之所以能够放大信号，是因为它的电阻变换特性，即信号从“低电阻输入”到“高电阻输出”。因此，他们将其命名为跨电阻器（转换电阻器）。后来简称为晶体管。

多年后，中国著名科学家钱学森将其中文名翻译为：晶体管。

总结一下，半导体特性就是一种特殊的导电能力（受外界因素影响）。具有半导体特性的材料称为半导体材料。硅和锗是典型的半导体材料。

微观上，按照一定规则整齐排列的物质称为晶体。硅晶体有单晶、多晶、非晶等形态。

晶体形貌决定能带结构，能带结构决定电性能。因此，硅（锗）晶体作为半导体材料，具有如此巨大的应用价值。

二极管、三极管和四极管根据其功能命名。电子管（真空管）和晶体管（硅晶体管、锗晶体管）都是根据其原理来命名的。

巴丁和布拉顿发明的晶体管实际上应该称为点接触晶体管。从下图也可以看出，这个设计过于简单。虽然实现了放大功能，但其结构脆弱，对外界振动敏感，制造困难，不具备商业应用的能力。

肖克利发现了这个缺陷，并开始单独研究新的晶体管设计。

1948年1月23日，经过一个多月的努力，肖克利提出了一种新的三层结构的晶体管模型，并将其命名为结型晶体管。

肖克利的结型晶体管设计

帮助肖克利创造最终产品的是摩根·斯帕克斯和戈登·基德·蒂尔。

需要特别提及戈登·蒂尔。

他发现用单晶半导体代替多晶硅可以带来显着的性能改进。而且，正是他发现了直拉法可以用来提纯金属单晶。这种方法一直沿用至今，是半导体行业最重要的单晶生产方法。

晶体管的诞生对人类科技的发展具有极其重要的意义。

它具有电子管的能力，但却克服了电子管体积大、能耗高、放大倍数小、寿命短、成本高等所有缺点。从它诞生的那一刻起，就确定了它将彻底取代电子管。

生产晶体管的工人

在无线通信领域，晶体管就像电子管一样，可以传输、检测和放大电磁波。在数字电路领域，晶体管也可以更容易地实现逻辑电路。为电子工业的腾飞奠定了坚实的基础。

后来，晶体管家族不断壮大

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著名科学家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，未来的电子设备是没有连接线的固体元件。”

1958 年8 月，德州仪器(TI) 的新员工基尔比(Kilby) 发现，可以在单个晶圆上生产由许多器件组成的极小微电路。换句话说，可以在硅晶片上制作不同的电子器件（例如电阻器、电容器、二极管和晶体管），然后用细线连接。

不久之后的9月12日，基尔比根据自己的想法，成功制造出了长7/16英寸、宽1/16英寸的锗芯片电路，这也是世界上第一块集成电路（Integrated Circuit）。

该电路是一个带有RC 反馈的单晶体管振荡器。整个电路粘在载玻片上，看起来非常简陋。电路的元件是用分散的细线连接的。

基尔比发明了集成电路，同时另一个人在这一领域取得了突破。此人就是仙童半导体公司（后来创立了英特尔）的罗伯特·诺顿·诺伊斯。

仙童是一家由硅谷“八叛徒”联合创立的公司（详情见：仙童传奇），在半导体技术方面拥有极其雄厚的实力。

“八叛徒”之一的让·霍尔尼（Jean Hoerni）发明了非常重要的计划流程。

该工艺是在硅片上添加一层氧化硅作为绝缘层。然后，在这层绝缘氧化硅中打孔，并用铝膜连接使用硅扩散技术制成的器件。

平面技术的诞生使飞兆半导体能够制造尺寸极小、高性能的硅晶体管，也使得集成电路中的器件连接成为可能。

1959年1月23日，诺伊斯在他的工作笔记中写道：

“通过在同一个硅晶圆上制造各种器件，然后使用平面技术将它们连接起来，就可以生产出多功能电子电路。这项技术可以减小电路的尺寸、重量和成本。”

诺耶斯

在得知基尔比提交了集成电路专利后，诺伊斯后悔为时已晚。然而，他很快发现基尔比的发明实际上存在缺陷。

基尔比的集成电路采用飞线连接，无法量产，缺乏实用价值。

诺伊斯的愿景是：

电子设备的所有电路和元件都制作成主板，然后雕刻在硅片上。一旦这个硅片被雕刻出来，它就包含了所有的电路，可以直接用来组装产品。另外，蒸发金属沉积的方法可以替代热焊丝，彻底消除飞丝。

Fairchild 硅晶体集成电路

1959年7月30日，诺伊斯根据自己的想法申请了专利：“半导体器件——线结构”。

严格来说，诺伊斯的发明更接近现代意义上的集成电路。诺伊斯的设计基于硅基平面工艺，而基尔比的设计基于锗基扩散工艺。凭借仙童半导体的硅工艺优势，诺伊斯的电路确实比基尔比的更先进。

1966年，法院最终裁定，将集成电路思想（混合集成电路）的发明、封装成今天使用的单个芯片（真正的集成电路）以及制造工艺判给了基尔比。发明权被授予诺伊斯。

基尔比被称为“第一个集成电路的发明者”，而诺伊斯则是“提出适合工业生产的集成电路理论”的人。

1960年3月，德州仪器公司正式推出了世界上第一个商用集成电路产品————502硅双稳态多谐振二进制触发器，该触发器基于Jack Kilby的设计。售价为450美元。

集成电路诞生后，最早的应用是在军事领域（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，美国人在民兵弹道导弹的制导系统中使用了集成电路。

后来著名的阿波罗登月计划采购了数百万块集成电路，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扩大。 1964年，Zenith将集成电路应用于助听器，这被认为是集成电路在民用领域的首次实现。

之后的故事大家应该都熟悉了。在材料、工艺和制造工艺的共同努力下，集成电路中晶体管的数量不断增加，性能不断提高，成本逐渐下降。我们已经进入摩尔定律时代。

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数量大约每18个月就会增加一倍，性能也会增加一倍。

以集成电路为基础发展起来的大规模和超大规模集成电路，为半导体存储和微处理器的出现铺平了道路。

1970年，Intel推出了世界上第一块DRAM（动态随机存取存储器）集成电路1103。次年，他们推出了世界上第一块包含计算器和控制器的可编程计算芯片——Intel 4004。

IT技术的黄金时代正式开始。

晶体管的演变

我们回过头来谈谈晶体管。

自从晶体管问世以来，其形式发生了许多重大变化。简而言之，就是从两极到单极。对于单极型，从FET 到MOSFET。从结构上看，是从PlanarFET到FinFET再到GAAFET。

缩写很多，而且距离很近，很容易混淆。请耐心一点一点地看。

肖克利于1948 年发明的双极和单极结型晶体管被称为双极结型晶体管（BJT），因为它使用空穴和电子两种载流子来导电。

BJT晶体管有两种结构形式：NPN和PNP：

我们可以看到BJT晶体管是由半导体衬底上两个非常靠近的PN结组成的。两个PN结将整个半导体分为三部分。中间部分是基极（Base），两侧部分是发射极（Emitter）和集电极（Collector）。

BJT晶体管的工作原理比较复杂，现在很少使用。由于篇幅限制，我就不详细介绍了。本质上，这种三极管的主要作用是通过基极微小的电流变化，在集电极产生较大的电流变化，起到放大作用。

萧早君前面提到了逻辑电路。由二极管和BJT晶体管组成的电路称为DTL(Diode-Transistor Logic)电路。后来，出现了完全由晶体管构成的TTL（晶体管-晶体管逻辑）电路。

BJT晶体管的优点是工作频率高、驱动能力强。但它也存在功耗高、集成度低等缺点。其制造工艺也比较复杂，采用平板技术也存在一些缺点。

随着时间的推移，一种新型晶体管开始出现，即场效应晶体管（FET）。

1953 年，贝尔实验室的Ian Ross 和George Dacey 合作创建了世界上第一个结型场效应晶体管(JFET) 原型。

JFET（结型场效应晶体管），这是N 沟道

JFET是一种三端（三端）半导体器件，包括源极、漏极和栅极。

JFET分为N沟道JFET和P沟道JFET。前者是一个N型半导体，两侧制作了两个P型半导体（如上图所示）。后者是P型半导体，两侧制作有两个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（图中的VGS）、漏极D和源极S之间的电压（图中的VDS）来控制栅极电压。极与沟道之间的PN结控制耗尽层。

耗尽层越宽，沟道越窄，沟道电阻越大，能通过的漏极电流（图中ID）越小。沟道完全被耗尽层覆盖的状态称为夹断状态。

JFET晶体管工作时只需要一种类型的载流子，因此称为单极晶体管。

1959年，又一种新晶体

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。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。

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