今天這篇,我們繼續往下講,說說芯片的誕生過程——從真空管、晶體管到集成電路,從BJT、MOSFET到CMOS,芯片究竟是如何發展起來的,又是如何工作的。
█真空管(電子管)
愛迪生效應
1883年,著名發明家托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)在一次實驗中,觀察到一種奇怪現象。
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,開始發光發熱。過了一會,愛迪生斷開電源。他無意中發現,銅絲上竟然也產生了電流。
愛迪生沒有辦法解釋出現這種現象的原因,但是,作為一個精明的“商人”,他想到的第一件事,就是給這個發現申請專利。他還將這種現象,命名為“愛迪生效應”。
現在我們知道,“愛迪生效應”的本質,是熱電子發射。也就是說,燈絲被加熱后,表面的電子變得活躍,“逃”了出去,結果被金屬銅絲捕獲,從而產生了電流。
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。
等到弗萊明真正用到這個效應,已經是十幾年后的事情了。
1901年,無線電報發明人伽利爾摩·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。
想要實現檢波,單向導通性(單向導電)是關鍵。
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。
采用單向導電性,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”。)
弗萊明的二極管,結構其實非常簡單,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。)
三極管
二極管的出現,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。
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”),發明了真空三極電子管。
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,是電子工業領域的里程碑事件。
這個小小的元件,真正實現了用電控制電(以往都是用機械開關控制電,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,為電子技術的發展奠定了基礎。
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。這些產品的廣泛普及,改變了人們的日常生活,推動了社會進步。
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。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明了五極管。
20世紀40年代,計算機技術研究進入高潮。人們發現,電子管的單向導通特性,可以用于設計一些邏輯電路(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域。那時候,包括埃尼阿克(ENIAC,使用了18000多只電子管)在內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。
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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。
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實現上面這些邏輯門功能的電路,就是邏輯門電路。而單向導電的電子管(真空管),可以組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為輸出
█晶體管
電子管高速發展和應用的同時,人們也逐漸發現,這款產品存在一些弊端:
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。
半導體的萌芽
我們將時間繼續往前撥,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),經過實驗總結,發現固體物質大致可以分為三種:
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“半導體(semiconductor)”這一稱呼。
亞歷山德羅·伏特 后來,陸續有多位科學家,有意或無意中,發現了一些半導體特性現象。例如:
1833年,邁克爾·法拉第(Michael Faraday)發現,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)發現,光照可以使某些材料的兩端產生電勢差(半導體的光伏效應)。
1873年,威勒畢·史密斯(Willoughby Smith)發現,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)。
這些現象,當時沒有人能夠解釋,也沒有引起太多關注。
1874年,德國科學家卡爾·布勞恩(Karl Ferdinand Braun)發現了天然礦石(金屬硫化物)的電流單向導通特性。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,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,工作不穩定,因為礦石純度不高),但有力推動了電子技術的發展。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。
能帶理論的問世
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單向導電?
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,系統地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質區別。
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)。
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電子在寬軌道上移動,宏觀上就表現為導電。電子太多,擠滿了,動不了,宏觀上就表現為不導電。
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。
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如果帶隙在5電子伏特(5ev)之內,給電子加一個額外能量,電子能完成跨越并自由移動,即發生導電。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,我們現在經常聽說的“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)等在內的第三代半導體材料。
它們的優點是禁帶寬度大(>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,是行業目前大力發展的方向。
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”過程產生了一種正電在流動的效果,所以也被視為一種載流子。
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1931年,英國物理學家查爾斯·威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson)在能帶論的基礎上,提出半導體的物理模型。
1939年,蘇聯物理學家А.С.達維多夫(А.С.Давыдов)、英國物理學家內維爾·莫特(Nevill Francis Mott)、德國物理學家華特?肖特基(Walter Hermann Schottky),紛紛為半導體基礎理論添磚加瓦。達維多夫首先認識到半導體中少數載流子的作用,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,半導體的基礎理論大廈,逐漸奠基完成。
晶體管的誕生
礦石檢波器誕生之后,科學家們發現,這款檢波器的性能,和礦石純度有極大的關系。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治地位。)
羅素·奧爾,他還是現代太陽能電池之父 經過對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,一端表現為正極(positive),另一端表現為負極(negative),奧爾將其分別命名為P區和N區。就這樣,奧爾發明了世界上第一個半導體PN結(P–N Junction)。
二戰期間,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的工作性能和可靠性。
奧爾的PN結發明,以及硅晶體二極管的優異表現,堅定了貝爾實驗室發展晶體管技術的決心。
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,并在此基礎上,提出了“場效應設想”。
肖克利的場效應設想 他假設硅晶片的內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,硅片內的電子或空穴會涌現表面,大幅提升硅晶片的導電能力,從而實現電流放大的效果。
根據這個設想,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:
晶體管的電路模型 根據實驗記錄,這個晶體管可以實現“電壓增益100,功率增益40,電流損失1/2.5……”,表現非常出色。
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,按照一定規律排列整齊的物質,叫做晶體。硅晶體就有單晶、多晶、無定型結晶等形態。
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晶體形態決定了能帶結構,能帶結構決定了電學特性。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,這種設計過于簡陋。雖然它實現了放大功能,但結構脆弱,對外界震動敏感,也不易制造,不具備商業應用的能力。
肖克利看準了這個缺陷,開始閉關研究新的晶體管設計。
1948年1月23日,經過一個多月的努力,肖克利提出了一種具有三層結構的新型晶體管模型,并將其名為結式晶體管(Junction Transistor)。
肖克利的結式晶體管設計
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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(GordonKidd Teal)。
需要特別說一下這個高登·蒂爾。
他發現采用單晶半導體替換多晶,可以帶來顯著的性能提升。而且,也是他發現直拉法可以用于提純金屬單晶。這種方法后來一直沿用,是半導體行業最主要的單晶制作方法。
晶體管的誕生,對于人類科技發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,就決定了它將實現對電子管的全面取代。
正在生產晶體管的工人 在無線通信領域,晶體管和電子管一樣,可以實現對電磁波的發射、檢波以及信號放大。在數字電路領域,晶體管也可以更方便地實現邏輯電路。它為電子工業的騰飛打下了堅實的基礎。
█集成電路
晶體管的出現,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: “隨著晶體管的出現和對半導體的全面研究,現在似乎可以想象,未來電子設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現,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。
基爾比發明集成電路的同時,另一個人也在這個領域取得了突破。這個人,就是仙童半導體(Fairchild Semiconductor)的羅伯特·諾伊斯(Robert Norton Noyce,后來創辦了英特爾Intel)。
仙童是硅谷“八叛徒”聯合創立的公司(詳見:仙童傳奇),在半導體技術上擁有極強的實力。
“八叛徒”之一的讓·阿梅德·霍爾尼(Jean Hoerni),發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,很快他又發現,基爾比的發明其實存在缺陷。
基爾比的集成電路采用飛線連接,根本無法進行大規模生產,缺乏實用價值。
諾伊斯的設想是:
將電子設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品。此外,采用蒸發沉積金屬的方式,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——導線結構” 。
嚴格來說,諾伊斯的發明更接近于現代意義上的集成電路。諾伊斯的設計基于硅基底平面工藝,而基爾比的設計基于鍺基底擴散工藝。諾伊斯依托仙童的硅工藝優勢,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)的發明權授予了基爾比,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),以及制造工藝的發明權授予了諾伊斯。
基爾比被譽為“第一塊集成電路的發明家”,而諾伊斯則是“提出了適合于工業生產的集成電路理論”的人。
1960年3月,德州儀器依據杰克.基爾比的設計,正式推出了全球第一款商用化的集成電路產品——502型硅雙穩態多諧振二進制觸發器,銷售價格為450美元。
集成電路誕生之后,最先應用的是軍事領域(當時是冷戰最敏感的時期)。
1961年,美國空軍推出了第一臺由集成電路驅動的計算機。1962年,美國人又將集成電路用于民兵彈道導彈(Minuteman)的制導系統。
后來,著名的阿波羅登月計劃,更是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。
軍用市場的成功,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量不斷增加,性能持續提升,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。
基于集成電路發展起來的大規模、超大規模集成電路,為半導體存儲、微處理器的出現鋪平了道路。
1970年,英特爾推出世界上第一款DRAM(動態隨機存儲器)集成電路1103。次年,他們又推出世界上第一款包括運算器、控制器在內的可編程序運算芯片——Intel 4004。 IT技術的黃金時代,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,形態發生過多次重大改變。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。從結構的角度來,又是從PlanarFET到FinFET,再到GAAFET。
縮略語有點多,而且比較接近,所以容易看暈。大家耐心一點,一個個來看。
雙極型、單極型
肖克利在1948年發明的結型晶體管,因為使用空穴與電子兩種載流子參與導電,被稱為雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)。
BJT晶體管有NPN和PNP兩種結構形式:
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。兩個PN結把整塊半導體分成三部分,中間部分是基極(Base),兩側部分是發射極(Emitter)和集電極(Collector)。
BJT晶體管的工作原理較為復雜,且現在很少用到,限于篇幅,我就不多介紹了。從本質來說,這個晶體管的主要作用,就是通過基極微小的電流變化,讓集電極產生較大的電流變化,有一個放大的作用。
前面小棗君提到過邏輯電路。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,出現了全部由晶體管搭建的TTL(Transistor-Transistor Logic)電路。
BJT晶體管的優點是工作頻率高、驅動能力強。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,也就是場效應晶體管(Field Effect Transistor,FET)。
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型場效應晶體管(Junction Field Effect Transistor,JFET)原型。
JFET(結型場效應晶體管),此為N溝道
JFET是一種三極(三端)結構的半導體器件,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,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,就叫做夾斷狀態。
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。“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。
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,再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層。最后,在N區上方,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。
給柵極提供正向電壓后,P區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域,也就是一個溝道。
現在,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,實現導通狀態。
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,共同發明了“浮柵”FGMOS(Floating Gate MOSFET)結構,奠定了半導體存儲技術的基礎。后來所有的閃存、FLASH、EEPROM等,都是基于這個技術。
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,連接成互補結構,幾乎沒有靜態電流。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展,集成電路的晶體管數量不斷增加,使得對功耗的要求也不斷增加。基于低功耗的特點,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,晶體管的核心架構原理就已經基本定型了。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,支撐了整個產業長達數十年的高速發展。
PlanarFET、FinFET、GAAFET
核心架構原理雖然沒變,但形態還是有變化的。
集成電路不斷升級,工藝和制程持續演進。當晶體管數量達到一定規模后,工藝會倒逼晶體管發生“變形”,以此適應發展的需要。
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(也就是我們現在常說的7nm、3nm,一般指柵極的寬度)小于20nm時,麻煩出現了:MOSFET的柵極難以關閉電流通道,躁動的電子無法被阻攔,漏電現象屢屢出現,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,正式發明了鰭式場效應晶體管(FinFET)。
相比PlanarFET的平面設計,FinFET直接變成了3D設計、立體結構。
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。
技術繼續演進,等到了5nm時,FinFET也不行了。這時,又有了GAAFET(環繞式柵極技術晶體管)。
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,更大寬度的片狀結構增加了接觸面,在保留了所有原有優點的同時,還實現了復雜度最小化。
目前,行業里的各大芯片企業,仍然在深入研究晶體管的形態升級,以期找到更好的創新,支撐未來的芯片技術發展。
█ 結語
好了,終于寫完了,累死了。能看到這里的,都是真愛。
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”,支撐了人類整個數字技術的發展,推動我們邁向數智時代。
審核編輯:劉清
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原文標題:半導體芯片,到底是如何工作的?
文章出處:【微信號:鮮棗課堂,微信公眾號:鮮棗課堂】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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