写给小白的芯片半导体科普），小枣君给大家介绍了一些芯片半导体的基础知识。

　　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。

　　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。

　　爱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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。）

　　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。

　　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。

　　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。

　　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”。

　　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。

　　线年，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。

　　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。

　　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。

　　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？

　　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。

　　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）。

　　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。

　　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。”

　　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。

　　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，

　　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。）

　　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

　　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？

　　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”。

　　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”。

　　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”。

　　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：

　　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。

　　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。

　　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）。

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　“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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　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

　　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

　　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

　　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）。

　　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

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

　　PlanarFET的平面设计，FinFET直接变成了3D设计、立体结构。

　　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。

　　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。

　　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。