研制歷程

1952年，實(shí)用的晶體管問世不久，電子行業(yè)還盛行電子管之時(shí)，一家為石油行業(yè)提供地震勘探服務(wù)的公司以極其長遠(yuǎn)的眼光向貝爾實(shí)驗(yàn)室買下了專利許可，并斥資數(shù)百萬美元押注晶體管市場，而它當(dāng)時(shí)的年利潤僅有90萬，這無疑是一場沒有后路的跨界豪賭。它就是如今的半導(dǎo)體巨頭——德州儀器。

就在人們還對晶體管抱有遲疑態(tài)度時(shí)，德州儀器早已建成強(qiáng)大的晶體管生產(chǎn)線。1954年10月，其首款晶體管收音機(jī)上市。當(dāng)時(shí)美國普通家庭中的電子管收音機(jī)都像餐柜一樣龐大，而晶體管收音機(jī)則袖珍到足以放進(jìn)口袋里，這種革命性的差距在社會上引起了巨大轟動，晶體管的優(yōu)越性從此深入人心。

世界范圍內(nèi)，包括貝爾實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的各大高校和計(jì)算機(jī)公司紛紛開始研制晶體管計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)被稱為第二代電子計(jì)算機(jī)（電子管計(jì)算機(jī)是第一代電子計(jì)算機(jī)）。

與此同時(shí)，晶體管本身也在實(shí)驗(yàn)室中不斷進(jìn)化。

先是成分上，從鍺改換為硅，比起鍺晶體管，硅晶體管可以承受更高的溫度和電壓。而且硅元素極其常見，廣泛存在于巖石和沙礫中，如果地殼總重100斤，那么其中28斤都是硅，可謂取之不盡用之不竭。

再是體積上，由于PN結(jié)的實(shí)現(xiàn)與晶體管的大小無關(guān)，晶體管被越做越小。1952年，一位名叫杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）的英國人更是提出了取消導(dǎo)線，將電子元件緊湊在一塊板上的想法，集成電路的概念橫空出世。但這對制作工藝的要求很高，整個(gè)電子界翹首以盼，等了6年多時(shí)間，世界上第一塊集成電路終于在1958年9月由德州儀器新聘的工程師杰克·基爾比（Jack Kilby）完成。這是一塊長11.1mm、寬1.6mm的鍺半導(dǎo)體，上面集成了晶體管、電阻和電容等多種元件。在全人類的共同見證下，這項(xiàng)劃時(shí)代的偉大發(fā)明被時(shí)間沉淀出不可估量的價(jià)值，基爾比因此獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

杰克·基爾比肖像及第一塊集成電路（圖片來自維基百科）

除了德州儀器，還有一家實(shí)力雄厚的半導(dǎo)體公司在集成電路的早期發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色，那就是史上大名鼎鼎的仙童半導(dǎo)體公司。這家公司在1959年發(fā)明了關(guān)鍵性的平面工藝，隨后，它的創(chuàng)始人之一羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在1960年用硅發(fā)明了更實(shí)用的集成電路。從上圖可以看出，基爾比的集成電路并不完善，仍然用到了導(dǎo)線，諾伊斯的集成電路才是真正意義上的現(xiàn)代集成電路。結(jié)果是，兩家公司在整個(gè)60年代都為集成電路的發(fā)明專利吵得不可開交，最終法院判定，兩者的實(shí)現(xiàn)技術(shù)不同，基爾比和諾伊斯分別獨(dú)立發(fā)明了集成電路，共享了“集成電路之父”的稱號。

說到仙童半導(dǎo)體，這家公司的來歷很有意思。當(dāng)時(shí)，肖克利眼看著德州儀器靠自己發(fā)明的晶體管賺得盆滿缽滿，內(nèi)心很不是滋味，于是在1956年，他回到家鄉(xiāng)加州圣克拉拉山谷，創(chuàng)辦起自己的公司。他招攬了八位能人（其中一位就是諾伊斯），對攻占市場充滿信心。

起初，八位員工對他們的老板十分敬仰，可經(jīng)過一段時(shí)間的相處卻發(fā)現(xiàn)，這位技術(shù)上的巨人卻是管理上的矮子，他那專橫和偏執(zhí)的作風(fēng)令他們?nèi)虩o可忍。更糟糕的是，在硅材料已經(jīng)成趨勢的大背景下，他仍死守著自己發(fā)明的鍺半導(dǎo)體。八人終于在1957年選擇集體離職，并成立了仙童半導(dǎo)體公司。肖克利痛罵他們是“八個(gè)叛徒”，他的發(fā)財(cái)夢破滅了，只好轉(zhuǎn)賣公司，回歸學(xué)術(shù)，受斯坦福大學(xué)之邀當(dāng)了電氣工程專業(yè)的教授。

雖然肖克利沒能實(shí)現(xiàn)自己的宏圖偉業(yè)，卻無意間在圣克拉拉山谷播下了半導(dǎo)體的種子。“八個(gè)叛徒”在仙童之后又兵分幾路創(chuàng)辦了其他公司（比如Intel），這些公司的雇員又很快創(chuàng)辦自己的公司（比如AMD）。短短幾十年間，這些種子像蒲公英般飄散，繁衍出一片引領(lǐng)世界的茂密森林。這片森林，就是如今的電子王國——硅谷。

MOS管

1959年，就在集成電路和平面工藝相繼問世的同時(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)室仿佛偷看了歷史的劇本，正好研制出一種比BJT更適合集成新型晶體管，它的名字很長，叫金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal–oxide–semiconductor field-effect transistor），簡稱MOSFET或MOS管。

和BJT一樣，MOS管在結(jié)構(gòu)上也分為PNP和NPN兩種類型，分別喚作P型MOS管和N型MOS管，簡稱PMOS和NMOS，兩者原理類似，只是極性相反。

下圖為N型MOS管，在一大塊P型半導(dǎo)體襯底上，嵌著兩塊N型半導(dǎo)體（P型MOS管則是在N型半導(dǎo)體襯底上嵌入兩塊P型半導(dǎo)體），它們的表面覆蓋著一層絕緣的氧化物（如二氧化硅），氧化物在正對N型半導(dǎo)體的位置被腐蝕出兩個(gè)孔洞，以金屬填充，各引電極曰源極和漏極，兩塊金屬之間的氧化物上另外再鍍一塊獨(dú)立的金屬，引電極曰柵極。

N型MOS管

結(jié)構(gòu)說清了，MOS管全稱中的“金屬氧化物半導(dǎo)體”也便有了著落。那么“場效應(yīng)”又是什么意思呢？這牽涉到它的工作原理。

仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，N型MOS管的半導(dǎo)體部分本質(zhì)上就是一個(gè)NPN型的三極管，當(dāng)我們僅將源極和漏極與一個(gè)電源相連，它們之間是無法導(dǎo)通的。而此時(shí)，如果在柵極上施加一個(gè)相對襯底的高電壓，那么P中的電子就會朝柵極涌去，在氧化物底部、雙N之間堆積，這片區(qū)域的空穴被填滿，甚至還多了不少自由電子，它本質(zhì)上不再是P型半導(dǎo)體，而成了N型半導(dǎo)體。盡管只是薄薄的一長條，但也足以連通兩側(cè)的N型半導(dǎo)體，這一長條區(qū)域叫導(dǎo)電溝道，此處就是N溝道。此時(shí)，已經(jīng)沒有P型襯底什么事了，3塊N型半導(dǎo)體化身導(dǎo)線，將電路導(dǎo)通。

N型MOS管工作電路

P型MOS的導(dǎo)通則恰恰相反，在柵極上施加一個(gè)相對襯底的低電壓，N中的電子遠(yuǎn)離柵極，柵極下方形成一條狹長的P溝道。

P型MOS管工作電路

盡管柵極和襯底之間的電路是不通的，但施于其上的電場效應(yīng)導(dǎo)致了導(dǎo)電溝道的形成，MOS管全稱中的“場效應(yīng)”也水落石出了。

改變柵極上的電壓，可以控制源極與漏極之間的電流大小乃至電路通斷，因而MOS管同樣可以用于放大器和邏輯電路。同時(shí)，比起B(yǎng)JT，MOS管還有著諸多優(yōu)勢：

1. 由于柵極和襯底之間沒有電流，能耗更低；
2. 只有一種半導(dǎo)體參與導(dǎo)電^[1]，更穩(wěn)定，更可靠；
3. 源極和漏極是等效的，可以互換使用，結(jié)構(gòu)更簡單，使用更方便；
4. 最重要的是，集成工藝更簡單、集成度更高。

MOS管問世后，包括BJT在內(nèi)的其他晶體管幾乎被碾壓似的趕出了市場，1960～2018年間，MOS管的全球總產(chǎn)量高達(dá)13×10²¹，占所有晶體管產(chǎn)量的99.9%以上。它的集成度有多高？一張256GB的MicroSD卡（長15mm、寬11mm）上包含著一萬億個(gè)MOS管，比銀河系中的恒星還多得多。

三星公司于2016年推出的256GB MicroSD卡（圖片來自https://news.samsung.com/global/wp-content/themes/btr_newsroom/download.php?id=3jp6Z3P2LQZRq3z1F%2F1tBritXa%2B8xRko9OzCnT8j0zI%3D）

摩爾定律

相比分立的電子元件，集成電路有著更小的功耗和更高的穩(wěn)定性，上面單個(gè)元件的平均成本也更低。接下來的歷史我們早已身處其中，集成電路的集成度越來越高，計(jì)算機(jī)的體積和能耗則越來越小，它最終獲得了計(jì)算以外的能力，以不可思議的影響力改變著一切。

1965年，“八個(gè)叛徒”之一，不久后將與諾伊斯聯(lián)手創(chuàng)立英特爾的戈登·摩爾（Gordon Moore）無意中發(fā)現(xiàn)了集成電路的發(fā)展進(jìn)程和時(shí)間的指數(shù)關(guān)系：每過一年，單個(gè)集成電路中的元件數(shù)量就會翻一番（而元件的平均單價(jià)會折一半）。他預(yù)言，接下來的十年內(nèi)，這個(gè)規(guī)律依然有效。到了1975年，他根據(jù)實(shí)際情況，將預(yù)測修正為每兩年翻一番。后來人們統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，翻番的周期更接近于18個(gè)月。這就是著名的摩爾定律，說不上有多少科學(xué)道理，卻始終主宰著集成電路的發(fā)展軌跡。

下圖為1971～2019年間英特爾、AMD、蘋果等公司各型微處理器芯片上的晶體管數(shù)量散點(diǎn)圖，從其大致趨勢可見摩爾定律中的“翻番”是一種多么可怕的力量。由于2000年后的數(shù)據(jù)過于龐大，導(dǎo)致2000年前的數(shù)據(jù)看起來一直在匍匐前進(jìn)，其實(shí)如果將其局部放大，也同樣呈爆炸式的增長趨勢。

1971～2019年間各型微處理器芯片上的晶體管數(shù)量（1971年，Intel 4004芯片僅集成了2250個(gè)晶體管，到2019年，AMD Epyc Rome上的晶體管數(shù)量已達(dá)到320億。）

1971～2000年間各型微處理器芯片上的晶體管數(shù)量

不過，我們平時(shí)在一些資料上看到的有關(guān)摩爾定律的曲線往往是線性的，那是因?yàn)橹茍D者在縱坐標(biāo)上做了手腳。通常是取一下對數(shù)，數(shù)據(jù)的指數(shù)增長，等同于數(shù)量級的勻速增長，畢竟讀者在主觀上更容易通過線性趨勢來判斷其和摩爾定律的符合度。以10為底，取晶體管數(shù)量的對數(shù)，重制，就得到了常見的摩爾定律趨勢圖。

1971～2019年間各型微處理器芯片集成度數(shù)量級

有意思的是，摩爾定律早已從單純的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和預(yù)測手段，演變成芯片行業(yè)所默守的產(chǎn)品迭代規(guī)則，畢竟誰跟不上這“翻番”的節(jié)奏就意味著在市場上落后。為此，各大芯片廠商想方設(shè)法不斷縮小MOS管的尺寸，我們常在有關(guān)報(bào)道中聽到芯片制程的說法，其實(shí)就是指MOS管柵極的長度（也稱線寬），柵極越短，導(dǎo)電溝道就越短，源極和漏極的工作效率就越高。如今，這個(gè)制程已經(jīng)從1971年的10微米進(jìn)化到10納米以內(nèi)。這意味著，把上千個(gè)MOS管并排在一起，才能趕上頭發(fā)絲的粗細(xì)！繪制1971～2019各型微處理器芯片的納米制程數(shù)量級散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)其也與摩爾定律符合得很好。

1971～2019年間各型微處理器芯片納米制程數(shù)量級

參考文獻(xiàn)

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• Wikipedia. Transistor count[EB/OL].

1. 更準(zhǔn)確地說，是只有一種載流子（電子或空穴）參與導(dǎo)電。而BJT的導(dǎo)電過程中，電子和空穴都在運(yùn)動，這也是其名中“雙極”的由來，而MOS管屬于單極晶體管。 ?