半导体芯片,到底是如何工作的?

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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。

今天这篇,我们继续往下讲,说说芯片的诞生过程——从真空管、晶体管到集成电路,从BJT、MOSFET到CMOS,芯片究竟是如何发展起来的,又是如何工作的。

真空管(电子管)

爱迪生效应

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

当时,他正在进行灯丝(碳丝)的寿命测试。在灯丝旁边,他放置了一根铜丝,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。

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迪生没有办法解释出现这种现象的原因,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。

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。

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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”。)

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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”。

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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)。

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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)。

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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。

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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。

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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”。

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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:

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世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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:

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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。

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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。

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刚才介绍了BJT、JFET、MOSFET,我先画个图,大家思路不要乱:

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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。

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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。

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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。

图片

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。

责任编辑:姜华 来源: 鲜枣课堂
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