晶体管的历史继续前进

自20世纪中期以来，晶体管在现代技术创新中发挥了至关重要的作用。虽然晶体管主要用于模拟电路中的放大和数字电路中的开关，但密集的研究和开发仍在继续为基于晶体管的新应用打开大门。

 

晶体管自20世纪中期问世以来，在尺寸和类型上都有所发展。图片由贝尔系统纪念馆提供

 

得益于超大规模集成电路（VLSI）技术，数十亿个晶体管可以放在一个芯片上用于计算应用。例如，苹果公司的M1 Ultra SoC由1140亿个晶体管组成，这是有史以来芯片上晶体管数量最多的一个。

早在20世纪初，工程师们就已经使用晶体管来放大电信号。这个用例的第一个例子来自英国电气工程师约翰·安布罗斯·弗莱明，他发明了真空管。然而，真空管面临许多缺点，这些缺点只有通过现代晶体管的发明才能解决。

 

点接触晶体管：一颗恒星诞生

第一个被认可的晶体管是由贝尔实验室的研究人员Walter Brattain和John Bardeen于1947年开发的。经过几次用硅制作放大器的努力，Bardeen和Brattain决定使用一块锗和两片金箔制作点接触晶体管。当金箔被放置在锗表面附近时，他们观察到更多的电子空穴。贝尔的研究人员还注意到，通过触点的电流在金箔的另一个触点处进一步增强和放大。

 

点接触晶体管。图片由贝尔系统纪念馆提供

 

这一发现标志着电子行业以晶体管为主导的新时代的到来。1952年，点接触晶体管在商业上广泛使用，并在制造电话系统方面发挥了重要作用。

 

从锗到硅

为了改进Bardeen和Brattain的晶体管设计，William Shockley于1951年用锗制造了结型晶体管。肖克利的结型晶体管只是一个由三层半导体组成的三明治。外层包含的电子比中间层多得多。肖克利解释说，这种设计允许电流流过夹在中间的半导体，以制造放大器。

虽然点接触和结型晶体管依赖于锗，但研究人员很快注意到，该组件在180°F时发生了故障。这是因为当锗被加热到很高的温度时，它会在晶体管中引入太多的自由电子，从而使整个元件分解。

 

1951年贝尔实验室的商用结型晶体管。图片由Jack Ward、晶体管博物馆和计算机历史提供

 

这一缺陷激发了德克萨斯仪器公司的研究员Gordon Teal在1954年发明了有史以来第一个硅晶体管。蒂尔的硅晶体管与锗晶体管的工作原理相同，但它可以承受高温。硅晶体管为n-p-n结构，并通过生长结工艺制造。

 

MOSFET开创现代

硅晶体管的发展导致了更多硅基晶体管的发明，例如金属氧化物半导体晶体管（MOSFET）。第一个MOSFET是由贝尔实验室的研究员约翰·阿塔拉于1960年制造的。该设计基于肖克利的场效应理论。

与三明治结晶体管不同，MOSFET具有n型或p型半导体的沟道。当电压施加到沟道上时，会产生一个电场，它的作用就像水龙头一样打开和关闭晶体管中的电流。为了实现高开关速度，制造商在制造过程中经常采用外延分解工艺。这个过程也在晶体管中产生高击穿电压。

 

下一代纳米晶体管

根据摩尔定律，集成电路（IC）中每单位面积的晶体管数量每几年翻一番。这种对小型化的推动为从微电子到纳米电子的下一代晶体管带来了复杂性。如今，研究人员的目标是将晶体管缩小到纳米级。

随着硅基晶体管现在以纳米尺寸运行，工程师们面临着与物理空间减少相关的设计和制造挑战。例如，100nm大小的MOSFET可能会经历短沟道效应，从而对晶体管的性能产生不利影响。更重要的是，纳米尺寸的硅晶体管会经历高沟道泄漏电流。

 

2016年，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队声称创造了世界上最小的晶体管，尺寸为1纳米。图片由伯克利实验室提供

 

为了解决这些限制，研究人员现在正在研究纳米技术材料来制造晶体管。最近，研究人员探索了二硫化钼等2D超薄单层材料，以制造比微型硅晶体管更可靠的晶体管。碳纳米管和石墨烯也是有望取代晶体管中硅的材料。

此外，德累斯顿大学的一组研究人员最近报道了“世界上第一个”高效有机双极结晶体管。该团队使用基于n型和p型掺杂红柱石晶体膜的高度有序的薄有机层来开发有机双极晶体管。这些晶体管可以提高数据处理和传输的性能。

 

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