公眾號(hào)記得加星標(biāo)??，第一時(shí)間看推送不會(huì)錯(cuò)過。

2025年是場效應(yīng)晶體管（FET）誕生100周年。晶體管于1947年12月由貝爾實(shí)驗(yàn)室，更準(zhǔn)確地說是貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（BTL）發(fā)明。2022-2023年，我們?nèi)匀粚w管誕生75周年的紀(jì)念活動(dòng)記憶猶新。然而，場效應(yīng)晶體管誕生100周年意味著它的發(fā)明時(shí)間早于晶體管。這究竟意味著什么？盡管我知識(shí)有限，但我并不了解其中的細(xì)節(jié)。

在2025年12月6日至10日于美國舉行的國際電子器件會(huì)議（IEDM）上，臺(tái)灣陽明交通大學(xué)客座教授巖井博于12月9日在午餐會(huì)上發(fā)表了題為“百年奇跡：從場效應(yīng)晶體管的誕生到未來展望”的特邀演講。IEDM是全球規(guī)模最大的半導(dǎo)體器件和工藝技術(shù)國際會(huì)議。在演講中，他回顧了場效應(yīng)晶體管從誕生至今的發(fā)展歷程，并展望了其未來前景。

巖井教授的講座非常精彩，解答了我所有的問題。我想概述一下FET從創(chuàng)立至今的發(fā)展歷程，并以此為基礎(chǔ)，對巖井教授的講座內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。請注意，以下內(nèi)容包含作者為幫助讀者理解而添加的一些內(nèi)容。

在演講中，巖井教授將100年（1925-2025）劃分為前45年和后55年，并將前45年定義為“循序漸進(jìn)的時(shí)期”，后55年定義為“成功故事的時(shí)期”。前后兩個(gè)時(shí)期的主要區(qū)別在于，前半段是在一條尚未有人走過的道路上摸索前行，而后半段則以兩個(gè)對未來具有重大意義的預(yù)測為標(biāo)志：“規(guī)模定律（也稱丹納德定律或比例收縮定律）”和“摩爾定律”。

晶體管是“固態(tài)”三極真空管

這一切始于1925年，當(dāng)時(shí)德國物理學(xué)家尤利烏斯·埃德加·利連菲爾德發(fā)明了場效應(yīng)晶體管（FET）的原理，并獲得了多項(xiàng)專利（下文將省略專利名稱，巖井先生的專利除外）。利連菲爾德于1882年出生于奧匈帝國的倫貝格市。截至2025年12月，倫貝格已更名為烏克蘭西部的利沃夫市。1905年獲得柏林大學(xué)博士學(xué)位后，利連菲爾德開始在萊比錫大學(xué)擔(dān)任終身物理學(xué)教授。從1916年到1927年，他研究了極端真空條件下的導(dǎo)電現(xiàn)象，并為X射線真空管的研發(fā)做出了貢獻(xiàn)。

場效應(yīng)晶體管（FET）的目的是制造當(dāng)時(shí)無線電報(bào)和廣播中使用的三極管（真空三極管）的固態(tài)版本。三極管是李·德·福雷斯特（Lee De Forest）于1906年發(fā)明的“奧迪翁”（Audion，三極管的原型）的改進(jìn)版，廣泛用于放大、發(fā)射和接收無線電信號(hào)。

它們也被用于非無線系統(tǒng)，例如固定電話系統(tǒng)和電子計(jì)算機(jī)。然而，真空管存在壽命短、運(yùn)行不穩(wěn)定、故障頻發(fā)和功耗高等問題。因此，人們需要能夠替代三極管、四極管（三極管的改進(jìn)型）甚至五極管的固態(tài)放大元件。

MES FET 發(fā)明于 1925 年，MOS FET 發(fā)明于 1928 年

第一臺(tái)場效應(yīng)晶體管（FET，1925年）是金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MES）。它的結(jié)構(gòu)中，鋁箔柵極與硫化銅（Cu?S）接觸。硫化銅同時(shí)作為源極、漏極和溝道。鋁箔上的電壓微小波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致漏極輸出電壓的顯著變化。源極和漏極均為銅（Cu）金屬，襯底為玻璃。作為柵極的鋁箔從玻璃襯底背面與硫化銅接觸。硫化銅（Cu?S）被認(rèn)為是p型半導(dǎo)體，空穴電流由柵極電壓控制。

三年后（1928年），利連菲爾德又發(fā)明了MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）場效應(yīng)晶體管。其柵極絕緣膜為氧化鋁薄膜（Al?O?）。柵極（背柵）為薄鋁膜，源極和漏極為硫化銅（Cu?S）。除柵極絕緣膜外，其他材料與MES場效應(yīng)晶體管相同。

盡管場效應(yīng)晶體管（FET）的概念早已誕生，但制造和驗(yàn)證其工作原理卻困難重重。1925年，人們對實(shí)現(xiàn)FET所需的半導(dǎo)體物理和技術(shù)幾乎一無所知。此外，半導(dǎo)體材料的純度極低也是一個(gè)難題。低純度使得精確測量其特性成為不可能。大量的缺陷和雜質(zhì)使得通過實(shí)驗(yàn)獲取材料本身的精確信息變得極其困難。FET的實(shí)現(xiàn)，歷經(jīng)了大約35年的時(shí)間。

如果沒有“真空”的替代品，場效應(yīng)晶體管就無法實(shí)現(xiàn)

此外，F(xiàn)ET 存在一個(gè)固有的重要問題：在“真空管”中，真空中沒有電荷，因此通過真空管的電子束量（電流水平）可以通過柵極電極（相當(dāng)于 FET 的柵極）的電壓輕松控制。

然而，半導(dǎo)體內(nèi)部含有大量的電荷。即使添加了第三個(gè)電極（柵極或柵電極），除非在該電極上施加極高的電壓，否則電荷量也無法顯著移動(dòng)。如果施加極高的電壓，就會(huì)產(chǎn)生短路電流，半導(dǎo)體就會(huì)被損壞，甚至在討論其是否可控之前就已經(jīng)損壞了。

除非在半導(dǎo)體內(nèi)部部分地創(chuàng)建極低電荷區(qū)域（類似于真空管中的“真空”區(qū)域），否則很難利用電場控制電流。即使能夠通過提高半導(dǎo)體材料的純度來制造幾乎沒有缺陷的晶體，實(shí)用的場效應(yīng)晶體管仍然無法實(shí)現(xiàn)。

世界上第一個(gè)“實(shí)用”晶體管于 1947 年 12 月在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研制成功

三極管半導(dǎo)體元件是第一個(gè)采用與場效應(yīng)晶體管（FET）不同工作原理實(shí)現(xiàn)的元件。1947年12月，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁和沃爾特·H·布拉頓制造出一種具有三個(gè)電極的半導(dǎo)體元件，并驗(yàn)證了其功率放大功能。

這種半導(dǎo)體元件被稱為世界上第一個(gè)“晶體管”。這種三極管半導(dǎo)體元件，被稱為“點(diǎn)接觸型晶體管”，有兩個(gè)肖特基結(jié)（均由金電極和n型鍺半導(dǎo)體（如下所述）構(gòu)成，每個(gè)結(jié)分別對應(yīng)于發(fā)射極和集電極），被歸類為“結(jié)型晶體管”。

三極管半導(dǎo)體器件研究團(tuán)隊(duì)的另一位成員是威廉·肖克利�？上У氖牵�(dāng)時(shí)因公事在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，未能參加點(diǎn)接觸晶體管實(shí)驗(yàn)。僅僅一個(gè)月后，1948年1月，肖克利就提出了雙極結(jié)型晶體管（BJT）的工作原理理論。BJT很快成為早期晶體管的主流。

PN結(jié)是由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的，而肖特基結(jié)是由西門子公司發(fā)明的

促成雙極型晶體管發(fā)展的關(guān)鍵研究成果之一是貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的羅素·舒梅克·奧爾（Russell Shoemaker Ohl）于1939年或1940年發(fā)現(xiàn)了pn結(jié)。奧爾當(dāng)時(shí)正在研究如何提高硅（Si）半導(dǎo)體的純度。在一次通過熱處理提高硅純度的實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)硅在加熱爐（坩堝）內(nèi)會(huì)分離成n型層、邊界層和p型層，并且雜質(zhì)會(huì)分離成施主（n型層）和受主（p型層）。

在p型和n型半導(dǎo)體交界處，即p-n結(jié)附近，來自施主（導(dǎo)電電子）的電子和來自受主的空穴相互吸引并復(fù)合，形成一個(gè)稱為“耗盡層”的薄能壘。耗盡層中不存在電荷。在p-n結(jié)附近自然形成了一個(gè)“無電荷”區(qū)域，相當(dāng)于真空管中的“真空”。換句話說，通過略微改變施加在p-n結(jié)上的電壓，可以改變能壘的高度，從而控制電流的大小。

在發(fā)現(xiàn) pn 結(jié)之前，點(diǎn)接觸晶體管中的肖特基結(jié)的概念是由德國的沃爾特·肖特基于 1938 年提出的。肖特基是德國電氣設(shè)備制造商西門子-哈爾斯克股份公司的研究員，他設(shè)計(jì)了“肖特基勢壘（肖特基結(jié)）”理論，用以解釋金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)發(fā)生的“整流（只允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)）”原理。

肖特基勢壘的形成原理如下：當(dāng)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬的費(fèi)米能級(jí)（電子存在概率為1/2的能級(jí)）時(shí)，如果金屬和半導(dǎo)體接觸，能量差會(huì)導(dǎo)致電荷（載流子）從半導(dǎo)體注入到金屬。結(jié)果，在接觸面（結(jié)面）的半導(dǎo)體側(cè)形成一個(gè)極薄的無電荷區(qū)域（耗盡層）和一個(gè)稱為“肖特基勢壘（肖特基結(jié)）”的能量勢壘。施加方向與肖特基結(jié)能量勢壘成反比的電壓，會(huì)阻礙電流流動(dòng)；反之，施加方向與肖特基結(jié)能量勢壘成反比的電壓，則會(huì)促進(jìn)電流流動(dòng)（整流）。

雙極結(jié)型晶體管技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了MOS FET的實(shí)現(xiàn)

20世紀(jì)50年代，雙極結(jié)型晶體管（BJT）的基本技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，包括硅（Si）單晶生長技術(shù)、雜質(zhì)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、離子注入技術(shù)和外延生長技術(shù)。這些技術(shù)發(fā)展后來促成了MOS型場效應(yīng)晶體管（FET）的開發(fā)。

肖克利也從事場效應(yīng)晶體管的研究

貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的肖克利因發(fā)明雙極結(jié)型晶體管而聲名鵲起，他也是場效應(yīng)晶體管（FET）的早期研究者之一，早在 1945 年就提出了 FET（固態(tài)三極管）的原理。他嘗試通過將金屬電極（柵電極）靠近薄半導(dǎo)體膜，并在金屬電極上施加適當(dāng)極性（正或負(fù)）的電壓來控制流過半導(dǎo)體表面的電荷量。

然而，實(shí)際制造出的場效應(yīng)晶體管（FET）卻無法像預(yù)期那樣改變電荷量（電流量）。1946年，他的同事巴丁推測其原因如下：半導(dǎo)體表面形成的能級(jí)（表面態(tài)）會(huì)捕獲柵極電極電場產(chǎn)生的電荷。這些表面電荷屏蔽了柵極電極的電場，使其無法影響半導(dǎo)體內(nèi)部，從而幾乎不可能移動(dòng)電荷。

肖克利隨后發(fā)明了結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET），并與他的下屬沃爾特·L·布朗共同制造了它。這是一種背柵場效應(yīng)晶體管，其中n型鍺（n-Ge）同時(shí)用作源極和漏極，背面則設(shè)置了p型鍺（p-Ge）區(qū)作為柵極。原型于1953年制造完成。對p型柵極施加電壓會(huì)形成耗盡層和反型層，從而控制電荷量。

二氧化硅薄膜的開發(fā)為MOS結(jié)構(gòu)開辟了道路

五年后，即1958年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一項(xiàng)對實(shí)現(xiàn)MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）至關(guān)重要的技術(shù)。研究員馬丁·阿塔拉發(fā)明了一種通過在硅（Si）表面覆蓋絕緣薄膜來鈍化（穩(wěn)定）硅表面的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)包括一個(gè)預(yù)處理（清洗）過程，用于清潔硅表面，以及一個(gè)熱氧化過程，在純氧氣中加熱硅表面以使其氧化。

這種熱氧化工藝會(huì)在硅表面涂覆一層二氧化硅（SiO2）薄膜，該薄膜可用作MOS FET的柵極氧化膜。

1959年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的Dawon Kahng和Martin Atala發(fā)明了MOS場效應(yīng)晶體管（FET），并在1960年的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)行了展示。Kahng和Atala制作的第一個(gè)MOS FET原型是硅p溝道型（n型硅襯底、p型漏極擴(kuò)散層和p型源極擴(kuò)散層），采用鋁（Al）柵極，當(dāng)然還有二氧化硅（SiO2）柵極絕緣層。他們還制作了一個(gè)n溝道型MOS FET原型。

在利連菲爾德于1925年發(fā)明場效應(yīng)晶體管（FET）35年后，MOS FET終于在1960年投入使用。然而，這仍然只是實(shí)驗(yàn)室層面的成果或在學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表，尚未達(dá)到工業(yè)產(chǎn)品或大規(guī)模生產(chǎn)的水平。原型MOS FET的運(yùn)行不穩(wěn)定，前景黯淡。

https://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/2074620.html

（來源：編譯自pcwatch）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4268期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

加星標(biāo)??第一時(shí)間看推送，小號(hào)防走丟

求推薦